磨臺是河南焦礦集團(tuán)為日本三菱公司生產(chǎn)的鑄件，其三維結(jié)構(gòu)和二維剖面示意圖如圖l所示，zui大直徑2700mm，高1325mm、質(zhì)量13t，屬于單件小批量生產(chǎn)。磨臺的質(zhì)量要求高，工作表面和鑄件內(nèi)部不得有縮孔和縮松。鑄件在粗加工前后都要用磁粉探傷進(jìn)行缺陷檢查。在生產(chǎn)中為確保鑄件質(zhì)量采用保守的生產(chǎn)工藝.將磨臺圓筒壁四周凹陷處全部由機(jī)械加工獲得。從而導(dǎo)致生產(chǎn)周期較長，生產(chǎn)成本高等問題。有關(guān)技術(shù)人員也曾做過工藝改進(jìn)嘗試。但由于此鑄件屬于單件小批量生產(chǎn)，且質(zhì)量較大，因此對新提出的鑄造工藝直接作生產(chǎn)驗證成本太高。本文運(yùn)用viewcast模擬軟件對磨臺凝固過程進(jìn)行了模擬計算分析。確定了缺陷的位置.并進(jìn)一步根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)計了磨臺的補(bǔ)縮系統(tǒng)，縮短了試制周期，降低了生產(chǎn)成本。
圖1 磨臺三維模型和二維剖面示意圖
1 模型的網(wǎng)格剖分及參數(shù)設(shè)定
對磨臺進(jìn)行實體造型后導(dǎo)入viewcast中進(jìn)行實體網(wǎng)格剖分。鑄鋼的牌號為zg270.500，其澆注溫度為1580℃，液相臨界溫度為1511.3℃，固相臨界溫度為1453.9℃。收縮率為5%，熱導(dǎo)率為35w/（m·k），比熱容為489.9j/（kg-k），澆注時間為60s，砂型選用樹脂砂，砂型初始溫度為25℃。
2 模擬結(jié)果與分析
凝固過程各階段凝固時間分布如圖2所示。其中深色顯示的部位表示鋼液仍處于液態(tài)或半固態(tài)，沒有*凝固，淺灰色表示已經(jīng)*凝固。由于鑄件各部分結(jié)構(gòu)尺寸相差很大.在凝固時間為4000s時，磨臺中、底部首先凝固，見圖2（b）；在8000s時，磨臺中部*凝固，見圖2（d），在11500s時。磨臺上部圓臺結(jié)構(gòu)和磨臺筒壁下部的凝固出現(xiàn)了孤立的液相區(qū)，見圖2（e），由于金屬液在凝固過程中的體收縮特性。這些區(qū)域在凝固后期必然要產(chǎn)生縮孔縮松等鑄造缺陷。
3 工藝設(shè)計及優(yōu)化
3.1磨臺的初步工藝設(shè)計
圖2 凝固過程的數(shù)值模擬結(jié)果
根據(jù)圖2的模擬結(jié)果并結(jié)合傳統(tǒng)鑄造工藝設(shè)計方法刪。在磨臺的上部、中部、下部分別設(shè)置了冒口、補(bǔ)貼、冷鐵以消除鑄造缺陷。其三維實體結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。將三維模型導(dǎo)人viewcast軟件后，對其進(jìn)行網(wǎng)格剖分和參數(shù)設(shè)置，對鑄件的凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬（見圖4）?？梢钥闯?，t=1800s時，放冷鐵部位首先凝固，然后由磨臺中部向兩端區(qū)域依次凝固，由中間向兩端的凝固順序符合我們的設(shè)計思路，t=5300s時，上、下冒口開始對鑄件補(bǔ)縮，t=6000s時，磨臺下冒i=i頸處先于冒口凝固，下冒口的補(bǔ)縮通道斷開，導(dǎo)致補(bǔ)縮受阻。鑄件與下冒l(fā)=i頸連接處仍出現(xiàn)了孤立的液相區(qū).由于金屬液在凝固過程中的體收縮特性.這些區(qū)域在凝固后期必然要產(chǎn)生縮孔縮松等鑄造缺陷。
圖3 冒口、補(bǔ)貼、冷鐵的三維實體模型圖
圖4 原工藝凝固過程的數(shù)值模擬結(jié)果
3.2工藝方案優(yōu)化
根據(jù)初步工藝模擬結(jié)果分析.決定在下端冒口頸處放置補(bǔ)貼并且增加冒口高度。其他結(jié)構(gòu)不變，優(yōu)化后方案如圖5所示。將三維模型導(dǎo)人viewcast軟件后。對其進(jìn)行網(wǎng)格剖分和參數(shù)設(shè)置，再次對鑄件的凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果見圖6?？梢钥闯?。t=7500s時，磨臺下端處早于冒口頸處凝固.原來在鑄件與下冒口頸連接處出現(xiàn)的孤立的液相區(qū)已經(jīng)轉(zhuǎn)移至冒口頸中，見圖6（d）、（e）；t=17500s時，磨臺上部圓臺結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的孤立的液相區(qū)已經(jīng)轉(zhuǎn)移至上冒口的下部。即鑄件上可能出現(xiàn)的縮孔、縮松等缺陷已經(jīng)消失，滿足了生產(chǎn)要求。因此優(yōu)化后的補(bǔ)縮系統(tǒng)工藝方案即是本次設(shè)計的zui終方案。
圖5 優(yōu)化方案三維造型示意圖
圖6 優(yōu)化工藝凝固過程數(shù)值模擬結(jié)果
3.3生產(chǎn)驗證
將優(yōu)化后的補(bǔ)縮系統(tǒng)工藝方案運(yùn)用于生產(chǎn)后，zui終獲得了合格的鑄件。
4 結(jié)論
（1）用viewcast軟件對磨臺鑄鋼件的凝固過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了凝固過程中各階段的凝固時間?？深A(yù)測出在鑄件上可能產(chǎn)生缺陷的位置。
（2）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果并結(jié)合理論分析計算。在磨臺各部位設(shè)置冒口、補(bǔ)貼和冷鐵，極大地減少磨臺上部和底部的縮孔縮松。
（3）在冒口頸處添加補(bǔ)貼和加高冒口高度，可有效消除磨臺下端法蘭盤處的縮孔縮松缺陷，并將其位置移向冒口頸處。