大型高铬铸铁泵壳的铸造工艺优化及其应力模拟研究_史东丽.pdf

铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第5期 热加工100大型高铬铸铁泵壳的铸造工艺优化及其应力模拟研究史东丽1，曹松2，杨志刚2，张宝尧21.常州机电职业技术学院机械工程学院 江苏常州 2131642.中车戚墅堰机车车辆工艺研究所 江苏常州 213011摘要：介绍了大型高铬铸铁泵壳的铸件结构及技术要求，利用ProCast模拟软件对铸造工艺中温度场进行模拟分析，根据预测的缩孔位置调整了补缩冒口。同时，利用软件对其进行了应力场的模拟研究，预测出高应力以及可能产生裂纹的位置，并进行了相应的工艺调整。根据优化后的工艺制作的样品满足各项技术要求。关键词：高铬铸铁；泥泵泵壳；铸造模拟；工艺优化1 序言泥泵泵壳作为泥泵的核心过流部件，其铸造质量的好坏直接影响泥泵的使用寿命和挖泥船的整体工作效率1。近年来快速发展的铸造CAE 技术，使严重依赖经验的铸造技术发生了向现代化和科学化的巨大转变2，3。数值模拟可以准确预测铸造过程中各个阶段（如温度场、流场、应力场）的变化，使工程师可以在工艺设计阶段提前观察和量化那些在实际铸造过程中不可见的参数，加速设计进程，优化铸造工艺参数，显著提升铸件质量，并实现低投入、低能耗的绿色铸造4。由于制作一件大型高铬铸铁泵壳的投入巨大，因此在泵壳铸造工艺设计阶段，运用模拟软件进行铸造过程计算，不仅可以显著地降低铸造缺陷出现的概率，提升泥泵泵体的铸造质量，还可以缩短泥泵泵体的开发周期，节省研发成本。2 大型高铬铸铁泵壳铸件的技术要求及原始铸造工艺2.1 大型高铬铸铁泵壳铸件的结构及技术要求某大型高铬铸铁泵壳铸件最大轮廓尺寸为 3595mm3376mm1240mm，主要壁厚100mm左右，毛坯重量近15t。泵体外表面均匀分布了24个加强筋。设计加强筋结构不仅可以有效防止铸件出现夹砂、变形、裂纹等缺陷，还可以提升铸件的力学性能、减小铸件重量。泵壳三维结构如图1所示。该高铬铸铁泵壳的化学成分要求见表1。此成分基金项目：江苏省职业教育智能机械加工技艺技能传承创新平台建设项目。通信作者：史东丽，副教授，硕士，主要从事数值模拟研究，共发表10篇中文核心论文，E-mail：。图1泵壳铸件三维结构表1高铬铸铁泵壳化学成分（质量分数）（%）元素CMnSiNiCrMoPSCuV要求值1.902.200.650.850.300.901.001.4024.026.5目标值1.952.150.700.800.450.751.101.30 24.5025.500.150.0350.0350.150.010铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第5期 热加工101在标准ASTM A532 Class Type A 25%Cr的基础之上，对成分进行了调整。其实际要求的成分范围比ASTM A532小，尤其对C含量、Cr含量有了更精确的要求。同时，对P、S等有害元素含量的要求也远低于ASTM A532的要求。泵壳要求按GB/T 94442019铸钢铸铁件 磁粉检测规定进行磁粉检测，检测位置如图2所示，对应各位置缺陷类型的磁粉检测级别要求见表2。为450mm，冒口根部设置补贴。铸造工艺系统如图3所示。由于螺纹位置均设置预置件，碳素钢预制件具有内冷铁的作用，因此底部不放置冷铁。铁液出炉温度控制在14501480，浇注前，在浇包内静置23min，浇注温度控制在14001420，浇注后铸件落砂温度控制在200以内。图2磁粉检测区域示意图3铸造工艺系统表2泵壳磁粉检测验收标准缺陷类型出水口区域上下法兰区域其他区域ASTM E 125 Type 1不允许不允许不允许ASTM E 125 Type 22级2级3级ASTM E 125 Type 32级2级3级2.2 高铬铸铁泵壳铸件初始铸造工艺高铬铸铁泵壳铸件造型使用呋喃树脂砂，采用开放式浇注系统，沿分型面位置用耐火管铺设环形浇道，沿泵壳加强筋位置设置内浇口，各浇道单元截面按F直F横F内1（11.5）（11.5）确定大小。在出水口位置，放置1个300mm明冒口（1号冒口），高度为500mm；在泵壳上部设置5个260mm明冒口（2号冒口），高度3 温度场和应力场的数值模拟3.1 泥泵泵壳凝固过程模拟及结果分析采用直接分析法对铸件本体及各个冒口的补缩情况进行分析5。图4所示为铸件各冒口的凝固分布。由图4a、b可知，1号冒口的根部、也就是冒口与本体交接的位置存在明显缩孔。这说明1号冒口的高度不够，需要加高处理或改为补缩效率更高的发热冒口。由图4c、d可知，2号冒口无法补缩出水口与本体交接的区域（红色线框位置），以致在该区域形成孤立的液相区，补缩通道提前中断，因此需要改进2号冒口的补缩效率。3.2 泥泵泵壳应力应变过程模拟及结果分析应力场模拟时需要设置铸件材料的高温力学参数，软件ProCAST的应力数据库只涵括了部分材料的参数，而在数据库内没有高铬铸铁材料，需要根据材料的成分使用ProCAST自带的参数计算功能来计算应力模拟所需的参数，包括杨氏模量、屈服应力、泊松比及塑性模量等。运用ProCAST 应力模块进行应力、应变模拟计算，首先在Materials/Stress菜单中设置材料的应力属性，然后在边界条件菜单中设定位移约束和面载荷1。图5所示为泵壳铸件凝固时的等效应力分布。分析可知，仍然是在出水口和壳型交接的位置应力最大。同时，利用ProCAST自带的裂纹分析功能进行铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第5期 热加工102分析，也是同样的结果，如图6所示。分析该处存在较大应力以及可能出现裂纹，与凝固模拟过程中该处出现缩松有较大关联，此处组织不致密6。若解决该处应力较大的问题，则需要首先解决此处的组织缩松问题。4 工艺改进及验证通过对凝固过程以及应力应变过程的模拟发现，解决了缩松问题，也就相应解决了出水口和壳体交接位置可能开裂的问题。考虑到2号冒口的根部存在缩松，决定将2号冒口更换为补缩效率更高的发热冒口。对于出水口和壳体交接位置存在的缩松，也打算在冒口大小不变的情况下，将1号冒口更换为发热冒口。对1号、2号冒口与砂型的换热系数进行了调整，将发热冒口与砂型的换热系数修正为50W/m2K，并对改进后的工艺再次进行了模拟。图7所示为铸件各冒口的凝固分布，可以明显观察到冒口根部的缩图5等效应力分布a）1号冒口b）2号冒口 图7铸件各冒口的凝固分布图6裂纹分布位置预测a）1号冒口位置一b）1号冒口位置二d）铸件本体图4冒口凝固分布c）2号冒口铸造与锻造C a s t i n g&F o r g i n g2023年 第5期 热加工103图8泵壳铸件凝固时的等效应力分布图11大型高铬铸铁泵壳实物松得以消除。图8所示为泵壳铸件凝固时的等效应力分布，可以观察此处的高应力也得以消除，这进一步验证了解决此处缩松问题就可以解决此处应力集中的问题的推测，进而减少裂纹产生的可能性。图92号冒口根部实物形貌图10出水口和壳体交接位置的实物形貌5 结束语由于大型高铬铸铁铸件容易开裂，试错成本高昂，因此在对大型高铬铸铁泥泵泵壳铸件试制之前，运用模拟软件ProCAST 对铸造工艺方案进行温度场和应力场的模拟分析，预测在铸造过程中泵壳可能产生的缺陷（缩松、缩孔及裂纹等），优化铸造工艺参数，提升泵壳铸件的铸造质量，具有重要意义。本课题依照优化后的工艺试制的泵壳铸件经各项检测，满足了产品的技术要求。参考文献：1 杨小冬疏浚泥泵泵体砂型铸造数值模拟及工艺优化D武汉：武汉理工大学，2016.2 柳百成铸件充型凝固过程数值模拟国内外研究进展J铸造，1999（8）：40-45.3 薛莉，毛红奎，徐宏铸造充型过程的数值模拟研究现状及发展J热加工工艺，2010，39（3）：80-84.4 廖敦明铸造宏观过程数值模拟技术的研究现状与展望J金属学报，2018，54（2）：161-173.5 谭奇鑫大型机床床身充型凝固及铸造热应力有限元分析D哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.6 史东丽，钱坤才大型高铬铸铁叶轮凝固过程应力场模拟及工艺优化J铸造，2020，69（9）：972-976.20230120 按照优化后的工艺对高铬铸铁大型泵壳进行了样品试制，各项技术指标均满足技术要求。图9所示为2号冒口切除后的实物形貌，可以明显观察到在补贴位置不存在任何缩松缺陷。图10所示为出水口和壳体交接位置的实物形貌，该位置经磁粉检测，未发现任何裂纹缺陷。图11所示为泵壳铸件样品实物。