基于ProCAST的悬梁铸造模拟及工艺优化_王孝国.pdf

文章编号：1673-887X(2023)01-0012-04基于ProCAST的悬梁铸造模拟及工艺优化王孝国，刘挺，吴煜，李光耀，张龙海（山西农业大学 农业工程学院，山西太谷030801）摘要利用ProCAST对机床悬梁的铸造工艺进行数值模拟分析，根据铸件充型和凝固的温度场、充型时间及缺陷分布，对初始铸造工艺进行优化。结果表明，铸件浇注时间为35 s，初始方案中，原因是由于壁厚较大而导致冷却缓慢，使得金属液向先凝固的地方进行了补缩，导轨部分出现了较大面积的缩松、缩孔缺陷。通过在铸件侧表面施加6个侧冒口和顶部施加4个顶缩颈冒口进行补缩，在导轨面添加17块冷铁以激冷的方式减少铸件缩孔缩松问题。仿真结果表明，优化工艺有效抑制了铸件缩孔缩松的形成，提高了铸件质量，对悬梁的生产起到指导性作用。关键词铸造工艺设计；铸造工艺模拟；机床悬梁；铸造工艺优化中图分类号TG242.3文献标志码Adoi:10.3969/j.issn.1673-887X.2023.01.004Casting Simulation and Process Optimization of Suspension Beams Based on ProCASTWang Xiaoguo,Liu Ting,Wu Yu,Li Guangyao,Zhang Longhai(College of Agricultural Engineering,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801,Shanxi,China)AbstractAbstract：The casting process of the machine tool suspension beam was numerically simulated using ProCAST to optimize the initial casting process based on the temperature field,filling time and defect distribution of the casting filling and solidification.The results showed that the casting pouring time was 35 s,and the initial scheme showed a large area of shrinkage and shrinkage defects inthe rail section,which was caused by slow cooling due to the large wall thickness,making the metal liquid to make up the shrinkageto the place where it solidified first.The shrinkage problem was reduced by applying 6 side riser on the side surface and 4 top shrinkage neck riser on the top of the casting and adding 17 pieces of chill to the rail surface to stimulate the cooling.The simulation resultsshow that the optimized process effectively suppresses the formation of shrinkage holes and shrinkage loosening in the casting;improves the quality of the casting,and plays a guiding role in the production of the suspension beam.Key words：casting process design,casting process simulation,machine tool suspension beam,casting process optimization传统砂型铸造因其过程为闭箱浇注，难以直接观察，常采用“试浇法”检验工艺合理性，导致生产周期长、成本较高1。计算机和创新技术在改善零件制造质量中发挥了巨大的作用2，通过输入铸造初始参数，ProCAST 采用有限元方法对铸造充型温度场、凝固过程以及缩松缩孔缺陷等进行模拟，对铸造工艺的调整和铸件质量的控制有十分重要的意义。机床悬梁作为机床的核心零部件之一，因其结构复杂，内部有较多空腔，通常使用铸造的方式制造机床悬梁。本文对悬梁砂型铸造工艺进行模拟和研究，并通过ProCAST数值模拟技术改进悬梁的浇冒系统，有效消除铸造过程中产生的缺陷，对生产实践具有一定的指导意义。1悬梁零件特点机床悬梁一端装有吊架，用以支承刀杆，以减少刀杆的弯曲与振动，悬梁可沿床身的水平导轨移动，其伸出长度由刀杆长度调整，见图 1。（a）XK6032铣床（b）悬梁三维模型图 1悬梁安装位置示意图Fig.1 Installation position diagram of suspension beam悬梁铸件材质为 HT250，零件质量为 441.07 kg，轮廓尺寸为1 695 mm420 mm260 mm，最大壁厚为35 mm，最小壁厚为15 mm，主要壁厚为20 mm。悬梁型腔结构复杂，内部加强筋较多，其目的是提高悬梁刚度，但同时给制芯造成困难，在加强筋交接处易产生热节，见图2。收稿日期2022-11-10基金项目山西农业大学博士科研启动项目（2020BQ80）；山西省优秀博士来晋工作奖励资金科研项目（SXBYKY2021021）；山西省重点研发计划重点项目（201903D211002-02）；山西省高等教育“1331工程”提质增效建设计划项目（2021）。作者简介王孝国（1985-）男，山西人，博士，硕导，研究方向：高强高韧耐疲劳铝合金开发，农业装备轻量化研究。通信作者刘挺，E-mail：。第1期（总第397期）农业装备12图 2悬梁零件图Fig.2 Suspension beam parts drawing灰铸铁铸件由于其热膨胀系数大，铸件会出现气孔、砂眼等铸造缺陷，而机床是制造机器的机器，故对于此类铸件要求较高，所以要求砂型和砂芯发气量小，强度高。为了获得高精度、表面光洁、强度高的铸件，经过全面对比分析，最终选择碱性酚醛树脂自硬砂作为砂型和砂芯3。采用特殊的一体化砂芯，简化型腔制造工艺4。2铸造工艺设计浇注位置主要考虑铸件的重要部位，重要加工面、主要工作面和受力面应尽量放在底部和侧面；铸件的大平面应置于下部或倾斜放置，应有利于所确定的凝固顺序和补缩等。综合本次铸件材料为HT250，灰铸铁的特点是含碳量高，接近于共晶成分，流动性好，且燕尾导轨面为重要平面，要求铸造质量高。浇注时为保证底面质量，金属液流平稳，故本次浇注采用底注式浇注系统。在造型过程中，由于悬梁尺寸较大，内部结构较为复杂，故采用一箱一件。按照铸件技术要求，铸件尺寸公差应符合GB/T 6414-1999的CT12级规定，根据零件图给出的铸件尺寸，确定其尺寸公差为1015 mm；质量公差取10%；机械加工余量等级取FH级；悬梁水平尺寸较大，收缩时会受到一定阻力，故取铸造收缩率为0.8%；起模斜度为=0 35，壁厚a=2.66 mm。此外，在燕尾导轨面有 24个标准孔，侧面还有 2个通孔，属于后期机加工孔，不铸出。砂芯较大，需要加装芯骨作为支撑5。浇注系统是砂型中引导金属液进入型腔的通道，主要由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道4部分组成。灰铸铁铸件的浇注时间基于公式（1）确定。t=S2GL.（1）式中：t浇注时间，s；GL砂型内金属液总质量，kg；S2壁厚系数，与铸件壁厚有关，此处取1.4。根据公式（1）计算可得，本铸件的浇注时间约为35 s。本次模拟将采用2个方案进行浇注，以导轨面为底面进行浇注，金属液进入型腔的位置不同。方案一金属液从分型面冲入型腔，浇注系统采用半封闭式，浇口比选择F直 F横 F内=1.2 1.5 1，见图 3，铸件上表面远离内浇口，可能产生浇不足等缺陷，且分型面下部由于金属液冲击而产生夹砂等缺陷。图 3方案一浇注系统Fig.3 Pouring system of scheme 1图 4方案二浇注系统Fig.4 Pouring system of scheme 2方案二，采用底雨淋式，采用10个内浇道均匀分布在底部导轨面，浇注系统为半封闭式，浇口比选择 F直F横F内=1.2 1.5 1，见图 4，金属液从底部冲入型腔，铸件上表面远离内浇口，可能产生冷隔、浇不足等缺陷，导轨部分可能出现缩松缩孔等缺陷。3铸造模拟3.1网格划分使用Creo 7.0软件建立悬梁三维模型，将导出的igs格式文件导入到ProCAST中，在Mesh模块中进行网格划分。Pro-CAST软件使用有限元法对铸造过程进行分析，在保证计算精度的情况下，提高计算速度，减少计算时间，对模型不同区域采用不同的单元尺寸。故在铸件、浇冒系统等重点分析部位采用5 mm网格，砂箱等采用20 mm网格。方案一共划分三维网格2 217 878个，方案二共划分三维网格1 799 621个。3.2铸造参数设置砂芯和砂型为碱性酚醛树脂自硬砂，砂型和铸件之间热交换系数6取500 W/（m2 K），砂型和冷铁之间取500 W/（m2 K），铸件与冷铁之间取2 000 W/（m2 K）。由灰铸铁性能与浇注条件，浇注温度为1 440，浇注时间为35 s。3.3模拟结果及分析从图 5的充型时间模拟结果可以看出，从金属液进入型腔直至充满共需35.09 s，与理论计算时间一致。同种颜色同时充型，但由于内浇道设置在分型面处，金属液对型腔有较小的冲击。从充型速度分布图（见图6）来看，18.33 s时金属液已经充满型腔底部，整个充型过程平稳。缩孔隐藏于铸件内部，外观上不易被发现。借助ProCAST模拟软件可以观察到铸件的缩松缩孔缺陷7。从缺陷分布图可以看出，缩松缩孔缺陷主要出现在筋板与底部大平面交接处，原因是由于壁厚处冷却较慢，向先凝固的地方进行了补缩，造成较大缺陷。农业装备农业技术与装备第1期（总第397期）13（a）充型时间（b）缺陷分布图 5方案一充型时间与缺陷分布Fig.5 Filling time and defect distribution of scheme 1（a）t=4.19 s（b）t=18.33 s图 6方案一充型速度分布图Fig.6 Filling speed distribution diagram of scheme 1从图 7的充型时间模拟结果来看，从金属液进入型腔直至充满共需35.15 s，与理论计算时间一致。从充型速度分布图（见图 8）来看，整个充型过程平稳，13.60 s时金属液充满导轨部分，没有对砂型造成大的冲击。从缺陷分布来看，此方案缺陷主要分布在内部加强筋处和侧部壁厚处，其原因是由于该部分凝固较慢，由灰铸铁的自补缩而导致缩松缩孔缺陷，但体积较小，易于处理。（a）充型时间（b）缺陷分布图 7方案二充型时间与缺陷分布Fig.7 Filling time and defect distribution of scheme 2（a）t=4.73 s（b）t=13.60 s图 8方案二充型速度分布图Fig.8 Filling speed distribution diagram of scheme 24工艺优化综合来看，方案一中金属液从侧面进入型腔，对型腔底部有较小的冲击，因此总体充型效果不好；方案二中缩松缩孔缺陷体积较小，易于处理，但底部与侧面补缩不及时，可添加侧冒口进行补缩处理，在工作面处放置冷铁，使得该处金属液受到激冷作用，减少缺陷形成，且细化该处晶粒，优化工作