轴承座铸造工艺方案研究及模拟.pdf

探讨了两种轴承座铸造工艺方案。采用MAGMA软件对两种方案进行模拟，对比模拟结果，选择较 优方案进行生产，减少生产成本。 关键词：轴承座；铸造；数值模拟 中图分类号：TG24，0242 文献标识码：B Research and Simulation on Casting Process f0r Bearing Chock Liao Qiong，Wang Li，Zhang Yacai Abstract：Two kinds of casting technique program for beating chock are discussed in this paper．Both technologies are simulated by the software MAGMA．Compare the results and choose the better one for production in order to reduce the production cost． Key words：beating chock；casting process；simulation 轴承座是机械制造中的典型部件，我公司铸 造分厂生产该类铸件已有数十年历史，近年轴承 座订货量仍维持较大。为了更好的生产该类铸 件，提高效率，降低成本，对现有工艺以及预改进 工艺进行模拟比较，使其方案达到最佳，以便进行 最有效率的生产。 1工艺方案 轴承座结构如图1所示，材质为ZG35CrMo， 最大轮廓尺寸约为1 560 mm×95 mm×915 mlTl， 重约4 374 kg。其力学性能满足：Rm 2≥510 MPa，R 为(740～880)MPa，A≥12％，20％冲击 功 ≥27 J。铸造技术条件按通用技术条件 DINEN1559．1，内部状况按SN200．2，检验等级 图1轴承座结构示意图 Figure 1 Bearing chock diagrammatic drawing 收稿日期：2011—O5—16 作者简介：廖琼(1985一)，女，助理工程师，主要从事大型铸件铸 造工艺研究及数值模拟研究。 1，质量等级V3，外部状况按DIN EN 1369／DIN EN 1371—1，质量等级S3。 根据我厂厂标《铸钢件工艺设计规范》有关 内容，并结合轴承座的生产经验来设计工艺参 数 ： 铸件孔径向线收缩率：1．7％； 机械加工余量：上面和孔面为16 mm，下面和 侧面为13 mm； 工艺补正量：+5 mm； 浇注温度：1 555～1 565oC。 用CAXA软件对铸件进行建模，并在相应位 置添加冒口与冷铁，分别见两个方案的三维模型 示意图，如图2所示。然后将铸件、冒口、冷铁分 别保存为 ．stl格式文件。 1．1 冒口设计 铸件冒口的设计是保证铸件质量的关键，冒 口的参数应以保证铸件浇注后能使铸件获得充分 的补缩为前提，冒口内钢水的补缩效率越高越好。 对于此轴承座的铸造工艺方案主要考虑铸件冒口 设置的区别。其冒口设置方案主要有以下两种： 1)方案一：平浇，在同一侧的大热节上放置一个 冒口，共放置2个冒口，如图2a)所示；2)方案二： 立浇，将整个铸件所有热节由一个冒口进行补缩， 整个放置1个大冒口，如图2b)所示。对这两种 方案进行模拟计算，比较铸件内部质量及收得率， 选取最优方案。 冒口的设计是按照冒口宽度D与该处最大 热节圆直径d的关系来确定的，其公式为： 19 No．1 January 2012 《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND FORGING (a)方案一 (b)方案二 图2铸造方案示意图 D=(1．3～1．5)d 为了保证冒口的延续度，将冒口长度增加约 一个半径的长度。即总长度为1．5D。其高度日 =(0．7～0．9)D 同时，为了保证冒口对铸件有良好的补缩能 力，在冒口周围撞一层保温材料，在冒口上表面要 覆盖发热剂和保温剂。 在满足冒口最终凝固条件的同时，还应保证 冒口有足够的钢水量对铸件进行补缩。用热节圆 法计算的冒口尺寸只说明冒口晚于铸件凝固、冒 口下没有缩孔，不能说明冒口是否足够补缩整个 铸件，因此需用铸件所需补给量法验算冒口尺寸。 其判断依据为G计算≥G实际；已知铸件的实际毛重 G史际=5 800 kg，冒口可补缩的铸件最大重量计 算值G{|箅按下式计算 ]： G 博=G冒‘ 式中 G ——冒口的重量； ——冒口的补缩效率； s——钢液的凝固收缩值。 其中G冒 =4 200 kg，G冒I】=3 500 kg，叼= 14％，s=5％，经计算G计算 =7 560 kg，G计算b： 6 300 kg。因此满足判据G计算≥G实际，说明冒口足 以补缩整个铸件。 1．2浇注系统设计 浇注系统的设置应以使钢液在较短的时间内 平稳、快速地流入型腔为原则，同时还要采取必要 措施来防止氧化和减少收缩。因而整个浇注系统 按照开放的原则来确定各部分的尺寸和数量。包 孑L直径60 mm，为使钢水流动平稳、畅通、快速，需 保证一定的比例关系，确定的各部数量和尺寸如 下： 直浇道 100 mm、横浇道 100 mm、内浇道 20 40 mlTl×6。 2 MAGMA模拟分析 MAGMA是一套基于有限差分原理编制的用 于模拟铸造充型凝固过程的计算机数值仿真软 件，分为前处理、网格划分、模拟计算、后处理几个 模块。在前处理中，从下拉菜单“File”中选择 “Load SLA”，按照工艺方案导人工艺各组成部分 的 ．stl格式文件。在图中建一个立方体代替砂 箱，对于每个部分选择相应类别(cast、feeder、chill 等)以便以不同颜色区分各部分。根据“重迭原 则”，最后建的体积有最高的优先度可以占据与 它重迭的体积空间。因此，将导入的文件以及砂 箱按照砂箱、冒口、冷铁、铸件的顺序排列。前处 理准备完成，检查无误后保存退出。进入网格划 分模块，根据铸件大小以及模拟经验，选定划分网 格数为20 000 000，生成网格。完成网格划分后 按照重力铸造过程对铸件材料、热传导系数、凝固 以及执行模拟参数进行设置，设置完成后对凝固 过程进行计算。运算结束后进入后处理模块，对 模拟结果进行分析和输出。 根据NIYAMA判据 分析该铸件可能存在 的缩孔疏松等缺陷。 方案一：NIYAMA判据，显示结果如图3所 示。 从图3中可以看出，图3(c)所示为去除冒口 后从浇注方向俯视图，冒口下以及轴承座孔中心 部位铸件表面质量均较好，基本不会产生缺陷。 方案二：NIYAMA判据，显示结果如图4所 示。 从图4中可以看出，在轴承座孔中心底部产 生缺陷的可能性较大，且从图4(d)对应的截面为 孔下部支撑部位，可以看出多处有可能产生缺陷。 No．1 January 2012 《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND FORGING 4结论 对弦管的常规检验和低温冲击性能检验结果 进行分析，满足自升式钻井平台桩腿用A517Q弦 管的订货要求，满足ABS规范要求。同时钢水的 纯净度较高，五害元素和P、S元素含量低，整个 试制工艺是可行的，冶炼工艺、锻造工艺及热处理 工艺制定合理。整个研制过程处于可控状态，工 艺过程有记录可追溯，符合质量保证体系的要求。 A517Q弦管各项性能指标均满足相关标准 和技术协议要求。 该材料主要用于自升式钻井平台桩腿齿条弦 管，以上检测和试验项目均进行了ABS和CCS现 场见证，并取得了ABS工厂认可证书，可替代进 口，为海上自升式钻井平台提供了一种性能优良 的国产材料。 编辑龙礼建 (上接第18页) 细化晶粒、消除内应力及碳偏析引起的网状碳化 物。从实际晶粒度为7．5级分析，正火处理虽然 起到了细化晶粒的作用，但是粗大的网状碳化物 却未消除。这是由于正火加热到奥氏体化后，温 度偏低或保温时间不够，导致碳化物未充分溶解 于奥氏体中，最终保留至室温。显微组织中未发 现沿实际晶界形成的网状碳化物，说明正火冷却 速度较快。 断口分析结果表明，粗大的沿晶断裂特征，是 由网状碳化物引起的，因为其正好对应显微组织 中沿原始奥氏体晶界形成的网状碳化物。碳化物 是硬而脆的相，使晶粒之间的连续性遭到破坏，严 重地降低钢的冲击韧性，致使冲击值只有7 J。此 外，冲击试验时，在断口起裂区靠近V型口中部 存在的显微孔隙会产生一定的应力集中现象，从 而造成冲击值偏低。 能谱分析结果表明，粗大的沿晶断面上碳及 铬、钼等碳化物形成元素相对基体含量较高。虽 然在冲击试验过程中，伴随着断裂的过程，网状碳 化物发生脱落，但是由于碳及铬、钼等元素未充分 扩散到原始晶界上，必然会残留一部分在晶界附 近形成碳化物，显微组织中网状碳化物附近形成 的细小颗粒状碳化物可以说明这一点。此外，能 谱分析沿晶断面时，未出现硅、镍等非碳化物形成 元素的谱峰，也可反向证明碳化物的存在。 3结论及建议 (1)该电铲杠杆在扩散退火冷却过程中，由 于冷却速度太慢，导致碳化物在晶界析出，形成粗 大的网状碳化物。随后的正火加热保温过程中， 未使碳化物充分溶解于奥氏体中，仍保留断续的 原始网状碳化物，使晶粒之间的连续性遭到破坏， 在冲击试验时，导致冲击值严重降低。同时，冲击 试样V型口中部存在的显微孔隙也对冲击值偏 低有一定影响。 (2)建议提高该产品件扩散退火冷却速度， 尤其提高其心部冷却速度，防止碳化物在晶界析 出，或者在正火时，使碳化物充分溶解于奥氏体 中，然后采用较快的速度冷却。 参考文献 [1]崔忠圻．金属学与热处理．北京：机械工业出版社，2000． [2] 大型铸锻件行业协会．大型铸锻件缺陷分析图谱．北京：机 械工业出版社，1990． [3] 束德林．金属力学性能．北京：机械工业出版社，1999．10． 编辑邓玉 (上接第21页) 3结论 通过对轴承座的两种铸造方案进行模拟，可 以看出方案二的工艺方案虽然可以提高冒口的补 缩效率，却使铸件容易产生缺陷，因此该工艺方案 不能应用于实际生产。而方案一的模拟结果较 好，基本不会产生铸造缺陷。因此选用方案一的 铸造工艺方案进行生产。采用此工艺生产的铸件 26 探伤符合图纸要求。 参考文献 [1]黎雅茹，田涛，张亚才．铸造工艺设计规范．2007(6)：32— 40． [2] 郭明伟，周维海，赵林，等．三峡水轮机不锈钢叶片的铸造 [J]．大型铸锻件，2005(2)：1—3． [3] 贾宝仟，柳百成．铸件缩松缩孔判据G／R1／2的理论基础及 应用[J]．铸造，1996(4)：／3—15． 编辑龙礼建