蔡坤山，王修強(qiáng)，范曉明

（1.湖北三環(huán)鑄造股份有限公司，湖北隨州 441300；2.武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070）

消失模鑄造被稱為是“代表21世紀(jì)的鑄造新技術(shù)”[1，2]。采用傳統(tǒng)的試錯(cuò)法不斷改進(jìn)工藝進(jìn)行鑄造生產(chǎn)，不僅生產(chǎn)周期長(zhǎng)，而且耗費(fèi)大量的人力、物力，不能保證鑄件的最終質(zhì)量。利用計(jì)算機(jī)模擬消失模工藝鑄造過程，可以揭示充型過程的流動(dòng)規(guī)律，為鑄造工藝改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高鑄件質(zhì)量提供一種可靠、快捷的分析手段[3-5]。

減速器殼體鑄件為汽車減速器的基礎(chǔ)組成部分，也是汽車底盤的重要保安零件。它屬于復(fù)雜箱體類零件，多面多孔、高精度、性能要求高，空間尺寸多，且機(jī)械加工難度較高[6]。在采用傳統(tǒng)砂型鑄造生產(chǎn)時(shí)所需砂芯較多，工序復(fù)雜，且所生產(chǎn)出的產(chǎn)品飛邊毛刺難清理，進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)還經(jīng)常發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，而采用消失模鑄造工藝則可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)步驟，得到表面光潔，尺寸精度高，組織致密的鑄件。采用ProCAST對(duì)消失模工藝制備減速器殼體鑄件的兩種不同工藝方案進(jìn)行了充型凝固過程的模擬，分析對(duì)比了兩種方案中充型過程金屬液的流場(chǎng)和凝固階段的固相率分布，并結(jié)合縮松縮孔的產(chǎn)生機(jī)理及預(yù)測(cè)判據(jù)，確定鑄件缺陷部位，優(yōu)化工藝，為生產(chǎn)實(shí)際提供重要的參考依據(jù)。

1 減速器殼體鑄件的技術(shù)要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

技術(shù)要求：材質(zhì)為QT450-10球墨鑄鐵；機(jī)械性能要求為拉伸試棒的抗拉強(qiáng)度R m≥450 MPa，延伸率A≥10%，布氏硬度為160 HBW～210 HBW；機(jī)加工后鑄件表面不允許有縮松、縮孔、氣孔、夾渣和冷隔等缺陷，鑄件尺寸合格，各部位不得有開裂或裂紋缺陷，不得有任何補(bǔ)焊或填補(bǔ)。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：如圖1所示，該汽車減速器殼大體上可分為兩個(gè)部分，上部類似于椎臺(tái)殼體，底部有四個(gè)支柱。其中殼體部分內(nèi)外壁共附有5根加強(qiáng)筋，頂部有一圈環(huán)繞的球形凸臺(tái)；殼體內(nèi)部有較大的空腔，并且壁厚均勻，最小壁厚為7 mm，屬于薄壁類鑄件；下部的4個(gè)支柱是2個(gè)零件之間重要的連接部位，后期需要進(jìn)行機(jī)加工，是鑄件質(zhì)量檢測(cè)的重要部位。

圖1 減速器殼體的實(shí)體模型

2 消失模鑄造模擬的前處理

由于減速器殼體的特點(diǎn)是質(zhì)量較小、薄壁、形狀復(fù)雜，因此，在消失模鑄造中采用一箱兩件的生產(chǎn)方式，并確定了頂注式和側(cè)注式兩種工藝方案，通過分析比較，選擇較優(yōu)工藝。

2.1.模型的建立及網(wǎng)格劃分

首先，使用Pro/E對(duì)減速器殼體以及對(duì)應(yīng)的澆注系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的三維實(shí)體建模，將建好的模型直接在Mechanical模塊中進(jìn)行面網(wǎng)格的劃分，輸出結(jié)果直接導(dǎo)入到ProCAST的MeshCAST模塊中進(jìn)行體網(wǎng)格的劃分，生成有限元網(wǎng)格。表1為減速器殼體鑄件頂注式和側(cè)注式的兩種工藝方案的網(wǎng)格工藝參數(shù)，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

表1 減速器殼體鑄件兩種方案的網(wǎng)格工藝參數(shù)

圖2 網(wǎng)格剖分結(jié)果

2.2.材料的熱物性參數(shù)

減速器殼體材質(zhì)為QT450-10.通過對(duì)該球鐵件的消失模鑄造過程進(jìn)行模擬分析，得出其合理的工藝參數(shù)為：澆注溫度1 480℃，真空度-0.06 MPa，涂料厚度為1.5 mm，透氣性為5×10-7cm2/kPa·min.型砂采用的是干石英砂，透氣性好，可直接從熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取[7]。

泡沫材料選用EPS（聚苯乙烯），其密度為25 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W/（m·K），比熱容為3.7 kJ/（kg·K），潛熱為100 kJ/kg，溶熔溫度為350℃，玻璃化溫度為330℃.

邊界條件主要設(shè)置熱交換系數(shù)（h），包括泡沫和砂型間的換熱系數(shù)為100 W/（m2·k）；鑄件和砂型的換熱系數(shù)為500 W/（m2·k）；砂型與外界環(huán)境界面的換熱系數(shù)為500 W/（m2·k）。

3 模擬結(jié)果及工藝改進(jìn)

3.1 模擬結(jié)果分析

圖3和圖4分別為頂注式和側(cè)注式的充型過程模擬圖。從圖3a）、圖4a）中可以看出：由于直澆道選用的空心陶瓷管，并沒有填充泡沫模樣，所以充型開始階段的充型速度較快，同時(shí)可以有效防止反噴現(xiàn)象。當(dāng)金屬液與泡沫模樣接觸后，前沿的金屬液溫度會(huì)降低，充型速度逐漸放緩至平穩(wěn)狀態(tài)。由圖 3b）～c）和圖 4b）～c）可以看出：頂注式充型完成所需時(shí)間為5.8 s，而側(cè)注式充型完成所需時(shí)間為6.2 s.相對(duì)于側(cè)注式澆注，頂注式的充型更快，但側(cè)注式充型過程更加平穩(wěn)。

圖3 頂注式充型過程

圖4 側(cè)注式充型過程

圖5和圖6分別為頂注式和側(cè)注式的臨界固相率變化圖。圖中的顏色條0表示全液相，1表示全固相。由圖5a）和圖6a）可以發(fā)現(xiàn)：鑄件最開始的凝固部位是凸起的殼體部分，因?yàn)闅んw是整個(gè)鑄件的最薄壁處。隨著時(shí)間的推移，凝固部位從殼體向四周擴(kuò)散。圖5b）、圖6b）顯示了頂注式和側(cè)注式澆注的鑄件，在殼體與下端支柱的連接處存在部分孤立的高溫液相區(qū)域，該孤立液相區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)縮松縮孔缺陷。

圖5 頂注式凝固過程

圖7a）、b）分別為頂注式和側(cè)注式的減速器殼體縮松縮孔分布圖。它們產(chǎn)生的區(qū)域范圍包括，冒口中心、鑄件上部的6個(gè)球形凸臺(tái)以及4個(gè)支柱與殼體的連接部位。球形凸臺(tái)處屬于熱節(jié)部位，所以容易產(chǎn)生缺陷；而后者是由于形成孤立液相區(qū)，冒口無(wú)法通過內(nèi)澆道進(jìn)行補(bǔ)縮，從而可能導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生。

圖7中的縮松縮孔分布圖顯示了兩種工藝方案都有可能產(chǎn)生一些鑄造缺陷，且缺陷的分布區(qū)域大致相同。比較圖7a）、b）中縮松縮孔缺陷，可以發(fā)現(xiàn)在圖7b）中出現(xiàn)的縮松縮孔明顯要比圖7a）中相同位置的缺陷尺寸要小。并且圖7a）中的殼體與支柱連接位置有可能會(huì)出現(xiàn)較大的縮孔，同時(shí)在殼體外部的加強(qiáng)筋底部也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的缺陷。而在圖7b）中，加強(qiáng)筋的底部并無(wú)任何缺陷，說明圖7b）中缺陷傾向要比圖7a）中小。因此，采用側(cè)注式澆注進(jìn)行消失模工藝減速器殼體的試生產(chǎn)。

圖6 側(cè)注式凝固過程

圖7 縮松縮孔分布圖

3.2 工藝改進(jìn)及生產(chǎn)驗(yàn)證

根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)試生產(chǎn)工藝進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)。主要措施為在減速器殼體的4個(gè)支柱內(nèi)側(cè)增設(shè)冷鐵，其尺寸要比凹槽小，利用冷鐵的激冷作用消除支柱與殼體連接處的潛在縮松縮孔缺陷。

采用側(cè)注式澆注方案，按照澆注溫度1 400℃、真空度-0.06 MPa、涂料厚度1.5 mm和涂料透氣性5×10-7cm2/kPa·min的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)際試生產(chǎn)，并對(duì)產(chǎn)品的外觀進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，實(shí)際生產(chǎn)鑄件見圖8。鑄件無(wú)明顯的表面粘砂、皺皮等表面缺陷；將鑄件剖分，模擬結(jié)果中可能出現(xiàn)縮松縮孔的區(qū)域也并未產(chǎn)生任何缺陷，采用該工藝生產(chǎn)的減速器殼體質(zhì)量合格。

另外，從Y形單鑄試塊中取樣，按照GB/T 1348-2009標(biāo)準(zhǔn)加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒，進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)。所得結(jié)果如下：抗拉強(qiáng)度R m≥450MPa，伸長(zhǎng)率A≥10%。硬度平均值為188.3 HBW.測(cè)試結(jié)果表明QT450-10減速器殼體在材質(zhì)方面也滿足技術(shù)要求。

圖8 減速器殼體消失模鑄件

4 結(jié) 論

利用ProCAST模擬軟件對(duì)消失模工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，直觀地觀察到兩種不同工藝方案下減速器殼體鑄件的充型和凝固過程以及溫度分布變化情況，并且預(yù)測(cè)出縮孔、縮松的大小和位置，通過工藝改進(jìn)，有效地減少了鑄造缺陷的產(chǎn)生，生產(chǎn)了合格鑄件。因此，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程具有一定的指導(dǎo)作用。

［1］肖澤輝，羅吉榮.消失模鑄造在中國(guó)的應(yīng)用及其發(fā)展［J］.鑄造技術(shù)，2003（3）：168-169.

［2］黃天佑，黃乃瑜，呂志剛.消失模鑄造技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

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