于建忠，畢海香，楊恒遠(yuǎn)，李永剛，劉繼波

（濰柴重機(jī)股份有限公司，山東濰坊261108）

基于數(shù)值模擬的大型發(fā)電飛輪鑄造工藝優(yōu)化

于建忠，畢海香，楊恒遠(yuǎn)，李永剛，劉繼波

（濰柴重機(jī)股份有限公司，山東濰坊261108）

利用MAGMA鑄造模擬軟件對發(fā)電飛輪的流場、溫度場以及凝固過程等進(jìn)行了分析。預(yù)測了缺陷分布及其嚴(yán)重程度，根據(jù)模擬結(jié)果提出了工藝優(yōu)化措施，為實際生產(chǎn)提供了參考。

球墨鑄鐵；鑄造工藝優(yōu)化；數(shù)值模擬；MAGMA

飛輪是柴油機(jī)關(guān)鍵零部件之一，對其材料、質(zhì)量等要求較高。尤其與曲軸聯(lián)接的受力部位，要求內(nèi)部組織致密，不能有任何鑄造缺陷，也不允許焊補(bǔ)。加工完成后必須經(jīng)過超聲波和磁粉檢測。本文運用MAGMA鑄造模擬軟件，通過分析砂型鑄造鑄件的流場、溫度場、以及凝固等過程，預(yù)測了鑄件缺陷分布及其嚴(yán)重程度，為實際生產(chǎn)驗證提供了參考。

傳統(tǒng)的鑄造工藝驗證是建立在不斷持續(xù)改進(jìn)的基礎(chǔ)上，驗證周期長，生產(chǎn)成本高，鑄件質(zhì)量難以控制。近年來計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)在鑄造行業(yè)，尤其是在鑄件工藝開發(fā)階段的應(yīng)用，能預(yù)測鑄件缺陷的形成過程，為后續(xù)的實際生產(chǎn)驗證提供了有力的理論依據(jù)，從而可以縮短試制周期。

1　原鑄造工藝及模擬分析

1.1鑄造工藝設(shè)計

圖1　飛輪鑄件簡圖

該飛輪屬于大型厚斷面球墨鑄鐵，而且壁厚相差懸殊，極易在最后凝固的區(qū)域產(chǎn)生縮松。原工藝方案中采用了底部冷鐵+頂部冒口工藝，原工藝見圖2.

根據(jù)相關(guān)公式以及經(jīng)驗修正，最后確定直澆道φ90 mm，高梯形截面的環(huán)形橫澆道，16道扁梯形截面的內(nèi)澆道分散引入。ΣF直：ΣF橫：ΣF內(nèi)：=1：1.6：1.2，采用半封閉式澆注系統(tǒng)保證鐵水平穩(wěn)而快速充型。上型大平面采用6個保溫冒口。下型大平面采用3圈外冷鐵均布。

圖2　原始工藝簡圖

1.2原始鑄造工藝模擬分析

在Pro/E中將鑄件、澆注系統(tǒng)、冒口、砂芯和鑄型等進(jìn)行裝配，并分別以同一坐標(biāo)系導(dǎo)出，以.STL格式導(dǎo)入MAGMA軟件中進(jìn)行實體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為1 000萬。具體參數(shù)如下：鑄件材質(zhì)為QT400-15，堿性樹脂自硬砂造型、制芯，砂型和冷鐵初始溫度為25℃，拔塞式澆注方式，澆注溫度1 340℃，打箱時間為72 h.凝固過程模擬結(jié)果見圖3、圖4.

圖3　原工藝凝固過程截圖

圖4　原工藝熱節(jié)分布情況

從圖3凝固過程截圖可以看出冒口根部成為最后凝固部位，這點和圖4鑄件熱節(jié)圖吻合。球墨鑄鐵糊狀凝固的特點是金屬凝固時晶粒在金屬液內(nèi)部整個容積內(nèi)形核、生長，固相與液相混合存在有如粥糊。大多數(shù)球墨鑄鐵是共晶或過共晶成分，其糊狀凝固方式使鑄件外殼沒有抵抗石墨化膨脹的能力，鑄型產(chǎn)生型壁遷移，增大鑄型體積，極易產(chǎn)生內(nèi)部縮孔縮松缺陷［1］。本工藝方案中補(bǔ)縮通道在凝固過程中提前凝固，冒口頸尺寸不合理，冒口先于鑄件凝固，冒口起不到補(bǔ)縮的作用。所以在鑄件最后凝固區(qū)域產(chǎn)生縮松傾向。

從圖5可以看出冒口根部產(chǎn)生縮松的判據(jù)值大于70%，所以鑄件內(nèi)該處形成縮松的可能性極大。另外冒口頸處于長時間過熱狀態(tài)，冒口根部組織晶粒粗大。厚大鑄鐵件由于模數(shù)大，冷卻時間長，在生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)晶粒粗大、工藝出品率低等缺陷。尤其使用傳統(tǒng)的大冒口補(bǔ)縮鑄件時，冒口根部組織惡化，而且經(jīng)常伴隨著縮松、縮孔等缺陷［2］。

圖5　原工藝縮松判據(jù)

2　工藝方案優(yōu)化及模擬分析

原工藝中設(shè)置冒口的大平面為非加工面，如果冒口頸清理不當(dāng)，將影響鑄件外觀質(zhì)量。所以結(jié)合模擬結(jié)果，對工藝方案進(jìn)行了調(diào)整：鑄件的非加工面位于底部，從而保證其外觀質(zhì)量。取消冒口，上平面均布冷鐵，同時增加溢流出氣棒。新工藝如圖6.利用MAGMA軟件對新工藝方案按照之前的具體參數(shù)進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果見圖7、圖8、圖9、圖10.

圖6　新工藝簡圖

從圖7充型溫度場可以看出充型過程中金屬液溫度下降較小，鑄件不會出現(xiàn)過冷、冷隔現(xiàn)象。圖8的卷氣結(jié)果表明鐵水內(nèi)卷氣情況極少，形成氧化夾雜的可能性很小。

從圖9熱節(jié)分布圖中可以看出鑄件上平面內(nèi)圈冷鐵和中間冷鐵之間的間隙部位成為了鑄件最后凝固的孤立液相區(qū)。圖10縮松判據(jù)圖中顯示判據(jù)值不大，在5%～10%之間，說明該處形成縮松傾向的可能性小。

均衡凝固就是利用收縮和膨脹的動態(tài)疊加，采取工藝措施，使得單位時間的收縮和補(bǔ)縮、收縮與膨脹按比例進(jìn)行的工藝原則［3］。球墨鑄鐵件在凝固過程中析出石墨，產(chǎn)生體積膨脹，抵消一部分凝固收縮。另外厚大鑄鐵件冷卻相對緩慢，收縮分散且相對后移，石墨化膨脹在時間上相對提前。所以調(diào)整工藝后，取消冒口，增加了冷鐵。冷鐵除了激冷作用外，還可以使得鑄件的部分石墨化膨脹提前，所以冷鐵對鑄件有增強(qiáng)自補(bǔ)縮的作用［4］。

圖7　充型溫度場

圖8　充型卷氣情況

圖9　新工藝熱節(jié)分布圖

圖10　新工藝縮松判據(jù)（透視）

3　生產(chǎn)驗證

實際生產(chǎn)驗證過程中，稍微改進(jìn)了冷鐵布局，減小冷鐵間隙，從而減少熱節(jié)，降低冷卻速度。同時限制冷鐵使用次數(shù)。造型填砂時進(jìn)行震實，如果砂型緊實度不高，鑄型在澆注壓力和石墨析出膨脹力的作用下擴(kuò)大，金屬液不夠補(bǔ)縮導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生縮松縮孔［5］。目前為止，生產(chǎn)6件發(fā)電飛輪，加工完成后經(jīng)超聲波、磁粉探傷檢測，符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足了裝機(jī)要求，加工后合格飛輪見圖11.

圖11　加工后合格飛輪

4　結(jié)論

根據(jù)均衡凝固理論，對于厚大球鐵件，采取冷鐵工藝結(jié)合合理的澆注系統(tǒng)，取消冒口工藝是可行的。數(shù)值模擬技術(shù)在鑄造工藝優(yōu)化方面具有指導(dǎo)性意義。

［1］張文和，丁俊，聶富榮.球鐵鑄件縮孔縮松的成因與防止［G］//.中國鑄造活動周論文集.無錫：中國機(jī)械工程學(xué)會.2008.

［2］任金喜，徐衛(wèi)平，周正偉，等.均衡凝固理論在厚大鑄件上的應(yīng)用［J］.機(jī)械工人，1997（6）11-12.

［3］魏兵，袁森，張衛(wèi)華.鑄件均衡凝固理論技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［4］中國機(jī)械工程鑄造分會.鑄造手冊：鑄造工藝［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：381.

［5］徐建林，蘇義祥，路陰，王智平.球墨鑄鐵件常見缺陷的分析與決策［J］.鑄造.2001，50（4）：225-228.

［6］楊恒遠(yuǎn)，畢海香，劉繼波，王潘興，于建忠.厚大斷面球墨鑄鐵飛輪無冒口鑄造［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2015（2）：24-25.

Casting Process Optimization of Large Flywheel for Power Generation Equipment Based on Numerical Simulation Analysis

YU Jian-zhong，BI Hai-xiang，YANG Heng-yuan，LI Yong-gang，LIU Ji-bo
（Weichai Heavy Machinery CO.，LTD.，Weifang Shandong 261001，China）

Making use of the MAGMA casting simulation software，the flow field，temperature field and the solidification process of the flywheel for Power Generating Equipment are analyzed in this paper.The location and the cause of the defects，as well as degree of the defects were forecasted.Process optimization measures were suggested according to the simulating results，which provided reference for practical production.

nodular cast iron，casting process optimization，numerical simulation，MAGMA

TG255，TP319

A

1674-6694（2016）04-0013-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.04.005

2016-04-29

于建忠（1982-），男，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事鑄鐵件鑄造工藝開發(fā)。