大型磨台铸钢件的数值模拟与工艺优化

    磨台是河南焦矿集团为日本三菱公司生产的铸件，其三维结构和二维剖面示意图如图l所示，最大直径2700mm，高1325mm、质量13t，属于单件小批量生产。磨台的质量要求高，工作表面和铸件内部不得有缩孔和缩松。铸件在粗加工前后都要用磁粉探伤进行缺陷检查。在生产中为确保铸件质量采用保守的生产工艺.将磨台圆筒壁四周凹陷处全部由机械加工获得。从而导致生产周期较长，生产成本高等问题。有关技术人员也曾做过工艺改进尝试。但由于此铸件属于单件小批量生产，且质量较大，因此对新提出的铸造工艺直接作生产验证成本太高。本文运用ViewCast模拟软件对磨台凝固过程进行了模拟计算分析。确定了缺陷的位置.并进一步根据模拟结果设计了磨台的补缩系统，缩短了试制周期，降低了生产成本。

    图1 磨台三维模型和二维剖面示意图

    1模型的网格剖分及参数设定

    对磨台进行实体造型后导入ViewCast中进行实体网格剖分。铸钢的牌号为ZG270.500，其浇注温度为1580℃，液相临界温度为1511.3℃，固相临界温度为1453.9℃。收缩率为5%，热导率为35W/(m·K)，比热容为489.9J/(kg-K)，浇注时间为60s，砂型选用树脂砂，砂型初始温度为25℃。

    2模拟结果与分析

    凝固过程各阶段凝固时间分布如图2所示。其中深色显示的部位表示钢液仍处于液态或半固态，没有完全凝固，浅灰色表示已经完全凝固。由于铸件各部分结构尺寸相差很大.在凝固时间为4000S时，磨台中、底部首先凝固，见图2(b)；在8000S时，磨台中部完全凝固，见图2(d)，在11500S时。磨台上部圆台结构和磨台筒壁下部的凝固出现了孤立的液相区，见图2(e)，由于金属液在凝固过程中的体收缩特性。这些区域在凝固后期必然要产生缩孔缩松等铸造缺陷。

    3工艺设计及优化

    3.1磨台的初步工艺设计

    图2凝固过程的数值模拟结果

    根据图2的模拟结果并结合传统铸造工艺设计方法删。在磨台的上部、中部、下部分别设置了冒口、补贴、冷铁以消除铸造缺陷。其三维实体结构模型如图3所示。将三维模型导人ViewCast软件后，对其进行网格剖分和参数设置，对铸件的凝固过程进行数值模拟(见图4)。可以看出，t=1800s时，放冷铁部位首先凝固，然后由磨台中部向两端区域依次凝固，由中间向两端的凝固顺序符合我们的设计思路，t=5300s时，上、下冒口开始对铸件补缩，t=6000s时，磨台下冒I=I颈处先于冒口凝固，下冒口的补缩通道断开，导致补缩受阻。铸件与下冒l=I颈连接处仍出现了孤立的液相区.由于金属液在凝固过程中的体收缩特性.这些区域在凝固后期必然要产生缩孔缩松等铸造缺陷。

    图3冒口、补贴、冷铁的三维实体模型图