支撑座铸钢件的铸造工艺及其优化.pdf

对支撑座铸钢件进行了铸造工艺设计。综合考虑铸造性、经济性及缺陷情况，选择了较合理的铸造方案。通过CATIA软件对该支撑座、浇注系统及冒口、冷铁和保温套进行了三维建模。借助ADSTEFAN数值模拟软件对支撑座充型过程和凝固过程分别进行了模拟。根据模拟结果优化冒口、冷铁和保温套的位置、尺寸和形状，从而改善了支撑座的凝固顺序和铸造质量。关键词：铸钢；支撑座；工艺设计；模拟; 优化中图分类号：TG244       文献标识码：A  文章编号：1673-3320（2016）04-0001-06Casting Process of Support Seats of Cast Steel and Its OptimizationCHEN Shichao, ZHANG Yanjun, ZHU Delong, YANG Yitao (School of Materials Scienceand Engineering, Shanghai University, Shanghai, 20071, China)Abstract: casting process for cast steel support seats was designed.  Reflecting on castability, economy and defects, a more reasonable casting process was selected. The support seat, gating and riser, and chill and insulating sleeve were 3-D modeled by CATIA software. Cavity fill process and solidification process of the support seat were numerically simulated by means of ADSTEFAN software, respectively. Based on the simulated results, location, size and shape of the riser, chill and insulating sleeve were optimized, thus improving the solidification order and casting quality of the support seat.Key words: cast steel; support seat; process design; simulation; optimization     支 撑 座 是 机 械 设 备 的 承 压 件 ， 处 于 设 备 底部 ， 起 支 撑 和 回 转 作 用 的 结 构 件 。 支 撑 座 在 长 期频 繁 的 使 用 中 会 产 生 较 严 重 的 磨 损 ， 特 别 是 在 使用 过 程 中 ， 经 过 多 次 润 滑 、 密 封 和 更 换 部 件 后 ，仍 然 会 出 现 磨 损 的 情 况 。 因 此 ， 要 求 支 撑 座 铸 件不 仅 具 有 较 高 的 刚 度 、 强 度 和 韧 性 ， 而 且 要 求 铸件 内 部 不 能 存 在 缩 松 缩 孔 等 铸 造 缺 陷 。 基 于 企 业对 高 质 量 铸 件 的 需 求 ， 在 铸 造 环 节 中 ， 提 出 了 对于 铸 造 工 艺 方 案 优 化 设 计 的 必 然 要 求 。1  支撑座铸件铸造工艺分析支 撑 座 铸 件 的 结 构 三 维 图 如 图 1 所 示 ，材 料 牌 号 为 Z G 3 1 0 - 5 7 0 。 铸 件 轮 廓 尺 寸 为1 430null1 160null810 mm， 质 量 约 2 600 kg。 铸 件 呈左 轴 对 称 状 ， 底 座 大 平 面 为 主 要 受 力 面 ， 也 是 重要 加 工 面 ， 表 面 不 允 许 存 在 缩 松 、 氧 化 夹 杂 等 缺陷 存 在 。 上 部 圆 筒 状 部 位 壁 厚 较 厚 且 浇 铸 材 料 为铸 钢 ， 容 易 产 生 热 节 和 应 力 集 中 ， 易 形 成 缩 孔 、缩 松 和 裂 纹 等 质 量 缺 陷[1]。图1  支撑座铸件结构三维图2  2016年第4期铸造工程Foundry Engineering2  支撑座零件铸造工艺设计及分析2.1  浇注系统及分型面设计经 过 对 铸 件 结 构 的 分 析 ， 先 考 虑 将 铸 件 正 放（ 将 底 面 大 平 面 置 于 底 面 ） ， 这 样 在 浇 注 时 ， 金属 液 流 动 较 为 平 稳 ， 同 时 也 避 免 了 底 面 大 平 面 的浇 注 缺 陷 ， 设 计 过 程 中 考 虑 了 以 下 三 个 方 案 。方 案 一 ： 铸 件 正 放 浇 注 （ 大 平 面 朝 下 ， 四 个内 浇 道 ， 两 个 侧 冒 口 ， 如 图 2所 示 ） 。图2  方案一浇注系统及分型面设计图方 案 二 ： 铸 件 侧 放 浇 注 （ 大 平 面 树 立 ， 四 个内 浇 道 ， 暗 冒 口 、 明 冒 口 各 两 个 ， 如 图 3 所 示 ） 。考 虑 到 使 中 间 的 型 芯 可 以 通 过 直 接 放 置 于 填 砂 之上 固 定 这 一 优 点 ， 尝 试 铸 件 侧 放 浇 注 。图3  方案二浇注系统及分型面设计图方 案 二 采 用 铸 件 侧 放 浇 注 ， 中 间 圆 柱 型 芯 可不 使 用 芯 头 ， 直 接 放 置 于 填 砂 之 上 即 可 定 位 ， 且加 强 筋 不 需 要 用 型 砂 来 成 型 。 但 该 铸 件 较 厚 的 部位 处 于 中 间 ， 离 两 明 冒 口 较 远 ， 难 以 起 到 补 缩 作用 。 由 于 铸 件 侧 方 上 部 板 厚 固 定 ， 较 薄 ， 即 使 增加 冒 口 尺 寸 也 无 法 使 最 后 凝 固 部 位 在 冒 口 中 。 由于 两 个 暗 冒 口 一 般 不 放 置 在 曲 面 上 ， 放 置 两 边 ，难 以 很 好 地 起 到 补 缩 作 用 。方 案 三 ： 铸 件 倒 放 浇 注 （ 大 平 面 朝 上 ， 两 个内 浇 道 ， 两 个 冒 口 ， 如 图 4所 示 ） 。经 过 前 两 种 方 案 的 模 拟 凝 固 分 析 后 ， 考 虑 到铸 件 底 部 中 心 部 位 较 厚 ， 每 种 方 案 都 会 遇 到 冒 口与 需 要 补 缩 区 域 较 远 而 起 不 到 有 效 补 缩 作 用 ， 于是 尝 试 将 铸 件 进 行 倒 置 浇 注 。图4  方案三浇注系统及分型面设计图方 案 三 采 用 铸 件 倒 放 浇 注 ， 最 后 凝 固 部 位在 铸 件 较 上 部 位 ， 可 以 通 过 对 冒 口 添 加 保 温 套 、型 芯 周 围 加 冷 铁 以 及 改 变 冒 口 尺 寸 等 方 法 使 最 后凝 固 区 域 处 于 冒 口 中 。 中 间 圆 柱 型 芯 可 用 芯 头 固定 ， 加 强 筋 用 型 砂 来 成 型 ,型 砂 可 放 置 于 填 砂 上 固定 。 但 重 要 部 件 （ 底 座 平 板 ） 处 于 顶 部 ， 最 后 凝固 可 能 会 产 生 缩 松 、 气 泡 等 缺 陷 。对 上 述 三 种 方 案 进 行 综 合 分 析 表 明 ： 正 放浇 注 存 在 冒 口 无 补 缩 作 用 和 砂 型 多 且 较 难 固 定问 题 ； 侧 放 浇 注 无 砂 型 难 以 固 定 的 问 题 ， 但 存在 冒 口 补 缩 距 离 较 长 ， 补 缩 比 较 困 难 ； 倒 放 浇注 既 无 砂 型 难 固 定 问 题 ， 又 不 存 在 冒 口 无 法 补缩 问 题 ， 但 需 注 意 确 保 重 要 部 位 （ 大 平 面 底座 ） 凝 固 后 少 缺 陷 或 无 缺 陷 。 因 铸 钢 件 不 具 有自 补 缩 功 能 ， 需 要 完 全 依 靠 冒 口 的 补 缩 ， 铸 件正 放 浇 注 需 将 冒 口 放 置 于 上 部 或 侧 面 ， 上 部 整铸造工程Foundry Engineering3  2016年第4期体 为 曲 面 上 放 置 冒 口 难 度 较 大 ， 侧 面 设 计 冒 口存 在 与 铸 件 干 涉 和 补 缩 距 离 较 远 问 题 ， 但 又 因为 倒 放 浇 注 会 将 大 平 面 放 置 于 上 部 ， 处 于 相 对不 利 位 置 ， 在 此 需 折 中 选 择 相 对 较 好 的 方 案 。为 此 对 三 种 方 案 分 别 进 行 了 计 算 机 凝 固 模 拟 分析 ， 结 果 如 图 5所 示 。（ a） 方 案 一                               （ b） 方 案 二                             （ c） 方 案 三图5  三种浇注方案凝固过程的模拟结果从 图 5模 拟 结 果 可 知 ， 方 案 一 和 方 案 二 的 最 终凝 固 区 域 都 离 顶 部 冒 口 较 远 ， 预 计 难 以 发 挥 铸 件的 有 效 补 缩 作 用 ， 方 案 三 则 较 靠 近 顶 部 的 冒 口 ，可 望 借 助 适 当 改 变 冒 口 尺 寸 或 添 加 保 温 套 及 冷 铁来 优 化 补 缩 系 统 的 工 作 效 率 。 因 此 ， 选 择 方 案 三（ 铸 件 倒 置 浇 注 方 案 ） 为 初 步 方 案 。2.2  浇注系统尺寸确定根 据 《 铸 造 工 艺 设 计 》[2]中 钢 液 在 型 内 的 最 小允 许 上 升 速 度 ： 该 铸 件 质 量 ≤ 5 t， 为 简 单 结 构 ，钢 液 在 型 内 的 最 小 允 许 上 升 速 度 v=15 mm/s。 铸 造时 ， 一 般 钢 液 在 型 内 的 上 升 速 度 为 20～ 30 mm/s，此 处 取 15 mm/s。根 据 书 中 公 式 ： v=C/t                             （ 1）式 中 ： v——钢 液 在 型 内 的 最 小 允 许 上 升 速 度 ， mm/s；C——铸 件 在 型 腔 内 的 高 度 ， mm；t——浇 注 时 间 ， s。C=810 mm， 由 （ 1） 求 得 t=54 s。根 据 书 中 公 式 ： t=GL/(Nnq)                   （ 2）式 中 ： t——浇 注 时 间 ， s；GL——型 内 钢 液 重 量 （ 含 胀 箱 和 冒 口 重 量 ）（ kg） ；N——同 时 浇 注 的 浇 包 数 量 ， 个 ；n——一 个 漏 包 内 的 注 孔 数 量 ， 个 ；q——平 均 浇 注 流 量 速 度 ， kg/s；GL=4 200 kg， N=1， n=1。根 据 《 铸 造 工 艺 设 计 》[2]中 铸 件 胀 箱 增 重 率表 ： 该 铸 件 为 手 工 造 型 ， 简 单 件 ， 铸 件 胀 箱 增 重率 为 5%。 带 入 （ 2） ， 计 算 得 q=77 kg/s。对 照 不 同 注 孔 直 径 浇 注 流 量 速 度 q平 均 值  表[2]： 根 据 q=77 kg/s， 选 定 注 孔 直 径 为 55 mm。按 注 孔 直 径 确 定 各 组 元 的 截 面 直 径 表 ： 根 据注 孔 直 径 为 55 mm， 按 注 孔 直 径 确 定 各 组 元 的 截面 直 径 ， 直 浇 道 最 小 直 径 d1=80 mm， 双 向 横 浇 道直 径 d2=60 mm， 两 个 内 浇 道 直 径 d3=60 mm。直 、 横 、 内 浇 道 截 面 比 ：ΣA直∶ ΣA横∶ ΣA内=1∶ 1.2∶ 1.2， 三 维 状 态 如图 6所 示[2,3]。图6  浇注系统的三维状态2.3  冒口、冷铁和保温套设计 （ 1）  冒 口 设 计 及 优 化该 铸 件 在 工 艺 设 计 过 程 中 ， 首 先 考 虑 到 铸 件两 侧 有 形 似 耳 朵 的 半 圆 部 位 凝 固 时 需 要 补 缩 ， 设计 使 用 两 个 冒 口 ， 后 经 多 次 模 拟 分 析 铸 件 大 平 面上 有 较 多 缩 松 缺 陷 ， 为 保 证 铸 件 大 平 面 的 铸 造 质量 ， 优 化 方 案 用 五 冒 口 分 布 替 代 双 冒 口 分 布 ， 如图 7所 示 。 从 图 7模 拟 分 析 可 见 ， 五 冒 口 补 缩 系 统较 双 冒 口 补 缩 系 统 的 最 终 凝 固 区 域 提 升 较 多 ， 验证 五 冒 口 设 计 方 案 可 行 且 效 果 较 好 ， 进 而 再 通 过改 变 冒 口 尺 寸 进 行 优 化 。支撑座铸钢件的铸造工艺及其优化  陈世超 等4  2016年第4期铸造工程Foundry Engineering（a）双冒口（b）五冒口图7  冒口系统凝固过程模拟分析（ 2）  冷 铁 设 计本 工 艺 通 过 对 铸 件 下 箱 管 状 部 位 添 加 半 圆 形冷 铁 使 下 部 零 件 的 冷 却 速 度 加 快 ， 辅 助 提 升 冒 口的 补 缩 效 果 。（ 3） 保 温 套 设 计 及 优 化本 方 案 使 用 保 温 冒 口 来 保 证 铸 钢 件 的 最 后 凝固 区 域 处 于 冒 口 中 ， 对 有 无 保 温 套 分 别 进 行 模 拟分 析 ， 如 图 8所 示 。 从 图 8模 拟 分 析 可 见 ， 保 温 套对 提 升 最 终 凝 固 区 域 进 入 冒 口 内 部 起 显 著 作 用 。（a）无保温套（b）有保温套图8 添加保温套前后凝固过程模拟对比分析保 温 套 由 耐 火 材 料 、 保 温 材 料 和 粘 结 剂 组成 。 选 用 陶 瓷 棉 保 温 冒 口 套 。 质 量 组 成 ： 硅 砂43%+陶 瓷 棉 38%+膨 胀 珍 珠 岩 19%， 以 上 三 者 为100%。 外 加 酚 醛 树 脂 6%， 乌 洛 托 品 15%（ 占 树 脂用 量 ） 。 冒 口 套 制 成 后 经 过 烘 干 硬 化 。 根 据 《 铸造 工 艺 设 计 》[2]选 择 保 温 冒 口 套 的 厚 度 为 60 mm。分 别 对 五 个 冒 口 添 加 保 温 套 ， 如 图 9所 示 （ 红色 部 位 为 保 温 套 ） 。 对 中 间 冒 口 添 加 保 温 套 ， 减缓 冒 口 中 金 属 液 的 凝 固 速 度 从 而 提 高 补 缩 效 率 ，对 四 周 四 个 冒 口 添 加 保 温 套 可 使 中 间 冒 口 的 体 积缩 小 近 20%， 从 而 提 高 收 得 率 。%100×+=浇冒口质量铸件质量铸件质量工艺出品率铸 件 质 量 ： 2 600 kg， 浇 冒 口 质 量 ： 1 644 kg。%3.61%100g16442600g2600%100 =×+=×+=KK浇冒口质量铸件质量铸件质量工艺出品率%3.61%100g16442600g2600%100 =×+=×+=KK浇冒口质量铸件质量铸件质量工艺出品率 12 600 k2 600 1 644 k图9  铸件、保温套、冷铁完整图3 工艺模拟结果与分析通 过 ADSTEFAN计 算 机 模 拟 软 件 对 铸 件 充 型过 程 （ 包 括 流 动 过 程 填 充 率 、 温 度 分 布 情 况 、 气体 排 出 情 况 和 流 动 结 束 后 温 度 场 分 析 ） 和 铸 件 凝固 过 程 （ 包 括 铸 件 凝 固 过 程 、 填 充 率 分 析 和 缩 孔缩 松 形 状 分 析 ） 进 行 模 拟 ， 为 优 化 铸 造 工 艺 和 分析 铸 造 方 案 合 理 性 提 供 保 证 。3.1  铸件充型过程模拟分析根 据 充 型 过 程 模 拟 图 10(a)和 图 10(b)可 以 看出 ， 直 浇 道 、 横 浇 道 和 内 浇 道 均 能 迅 速 充 满 ， 金 属液 通 过 内 浇 道 ， 从 铸 件 底 部 逐 步 自 下 而 上 充 满 型铸造工程Foundry Engineering5  2016年第4期腔 ， 金 属 液 流 动 平 缓 ， 这 样 可 以 使 充 型 过 程 顺 利 完成 并 且 将 气 体 由 下 往 上 排 ， 最 后 气 体 从 冒 口 排 走 。从 图 10(c)和 图 10(d)可 以 看 出 ， 最 终 只 在 冒 口 里 有很 少 量 的 气 体 ， 预 计 铸 件 内 部 不 会 产 生 气 孔 。 该 模拟结果可说明浇注系统的设计是合理的[4]。（a）填充率40%（b）填充率70%（c）填充率40%（d）填充率70%图10  铸件的流动过程充型和气体排出情况分析3.2  铸件凝固过程模拟分析图 11是 铸 件 的 凝 固 过 程 液 态 分 布 模 拟 图 。 从图 11中 可 以 看 出 ， 中 间 冒 口 所 在 位 置 周 围 凝 固 时间 比 其 他 位 置 晚 ， 这 样 其 他 区 域 先 凝 固 产 生 液 体收 缩 时 ， 冒 口 区 域 金 属 液 会 对 其 进 行 补 缩 。 而 当冒 口 所 在 区 域 凝 固 时 ， 冒 口 内 金 属 液 会 补 充 此 部分 凝 固 收 缩 的 金 属 液 ， 达 到 补 缩 的 效 果 。 而 且 此冒 口 为 保 温 冒 口 ， 效 果 比 普 通 冒 口 好 ， 可 以 减 小冒 口 体 积 ， 节 约 金 属 液[5]。 图 12为 铸 件 与 冒 口 接触 截 面 缩 孔 缩 松 分 析 图 。 从 图 12中 可 以 看 出 ， 凝固 开 始 后 ， 铸 件 中 心 部 位 出 现 较 大 缩 孔 ， 随 着 凝固 时 间 的 推 移 ， 无 论 是 凝 固 过 程 中 液 态 收 缩 还 是固 态 收 缩 ， 由 于 保 温 冒 口 中 金 属 液 凝 固 较 慢 而 都能 够 不 断 补 缩 铸 件 。 最 终 冒 口 与 铸 件 接 触 面 不 存在 缩 松 或 缩 孔 ， 模 拟 证 实 缩 孔 只 存 在 于 冒 口 中 ，可 见 补 缩 系 统 的 设 计 是 合 理 的 。凝固率20%凝固率50%凝固率90%凝固率95%图11  铸件的凝固过程液态分布模拟图支撑座铸钢件的铸造工艺及其优化  陈世超 等6  2016年第4期铸造工程Foundry Engineering图12  铸件与冒口接触截面缩孔缩松分析图4  结语对 支 撑 座 铸 钢 件 进 行 结 构 分 析 后 ， 分 别 设 计出 三 种 不 同 铸 造 工 艺 方 案 ， 综 合 分 析 三 种 方 案 工艺 取 舍 后 ， 选 取 倒 置 浇 注 方 案 。 通 过 CATIA软 件对 该 铸 件 、 浇 注 系 统 及 冒 口 、 冷 铁 和 保 温 套 进 行三 维 建 模 ， 利 用 ADSTEFAN数 值 模 拟 软 件 对 支 撑底 座 铸 钢 件 的 充 型 过 程 和 凝 固 过 程 分 别 进 行 了 模拟 分 析 ， 并 优 化 改 进 ， 寻 求 最 佳 工 艺 方 案 。 调 整浇 注 位 置 以 及 合 理 选 择 截 面 比 后 ， 可 确 保 充 型 过程 平 稳 ， 有 效 避 免 了 冲 砂 、 卷 气 等 缺 陷 。 冒 口 、冷 铁 和 保 温 套 的 配 合 使 用 ， 使 铸 件 具 有 合 理 的 凝固 顺 序 ， 冒 口 为 最 后 凝 固 部 位 ， 确 认 可 充 分 发 挥其 补 缩 作 用 ， 避 免 了 缩 孔 和 缩 松 的 产 生 ， 达 到 铸件 工 艺 方 案 的 优 化 要 求 。参考文献:[1]陆 文 华 .铸 造 合 金 及 其 熔 炼 [M]. 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 , 2012.[2]李 弘 英 ,赵 成 志 .铸 造 工 艺 设 计 [M]. 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 , 2006: 188-300.[3]中 国 机 械 工 程 学 会 铸 造 专 业 学 会 编 . 铸 造 工 艺 手 册 (第 五 版)[M]. 北京: 机械工业 出版社, 1996.166-300.[4]杨 弋 涛 , 邵 光 杰 , 张 恒 华 . 铸 造 过 程 计 算 机 模 拟 技 术 的 应 用[J]. 上海金属, 2005, 27(3):36-38.[5]杨 弋 涛 . 金 属 凝 固 过 程 数 值 模 拟 及 应 用 [M]. 北 京 : 化 学 工业出版社, 2009.[6]林伯年. 特种铸造[M]. 浙江: 浙江大学出版社, 2004.握紧拳头好出击——中国铸造行业媒体联盟成立仪式举行正 值 2016中 国 铸 造 节 活 动 向 纵 深 展 开 之 际 ， 人 们 共 同 见 证 了 null中 国 铸 造 行 业 媒 体 联 盟 null成 立 。为 了 倡 导 政 府 关 于 有 效 组 织 、 整 合 各 类 业 务 资 源 ， 引 导 行 业 健 康 、 科 学 和 有 序 发 展 的 要 求 ， 顺 应铸 造 行 业 各 类 媒 体 携 手 发 展 的 愿 望 ， 中 国 铸 造 协 会 发 起 组 建 了  null中 国 铸 造 行 业 媒 体 联 盟 null，  其 性 质 是由 中 国 铸 造 行 业 网 站 、 杂 志 、 报 纸 和 公 众 微 信 等 各 类 媒 体 自 愿 结 成 的 全 国 性 、 行 业 性 和 非 法 人 的 合 作 组织 。 null联 盟 null致 力 于 满 足 中 国 铸 造 行 业 发 展 多 元 化 的 需 求 ， 充 分 发 挥 行 业 媒 体 的 作 用 ， 助 力 行 业 发 展 ，展 现 null新 媒 体 null的 优 势 ， 扩 大 行 业 影 响 ，  为 广 大 铸 造 从 业 人 员 提 供 更 多 、 更 有 份 量 的 信 息 服 务 。目 前 ， 媒 体 联 盟 得 到 了 《 铸 造 》 杂 志 、 《 铸 造 技 术 》 杂 志 、 《 特 种 铸 造 及 有 色 合 金 》 杂 志 、 《 铸造 工 程 》 杂 志 、 第 一 压 铸 网 、 洲 际 传 媒 、 中 国 压 铸 网 和 百 铸 网 等 20余 家 媒 体 的 支 持 。 今 后 中 国 铸 造 协 会将 利 用 自 身 资 源 及 平 台 ， 联 合 业 内 媒 体 力 量 ， 更 好 地 服 务 于 铸 造 企 业 ， 传 播 先 进 铸 造 技 术 ， 弘 扬 铸 造 文化 ， 为 实 现 null中 国 铸 造 由 大 变 强 null之 梦 而 携 手 共 进 。值 此 null联 盟 null成 立 之 机 ， 中 国 铸 造 协 会 常 务 副 会 长 张 立 波 呼 吁 行 业 各 界 朋 友 大 力 支 持 、 关 注 和 关 心null联 盟 null的 成 长 壮 大 ，  希 望 联 盟 成 员 之 间 共 同 努 力 ， 加 强 资 源 共 享 ， 建 立 联 动 沟 通 机 制 ， 营 造 null百 家 争鸣 null的 氛 围 ， 为 联 盟 发 展 建 设 献 计 、 献 策 ， 充 分 发 挥 null联 盟 null属 性 赋 予 的 桥 梁 纽 带 作 用 。（ 中 国 铸 造 协 会 ）