楊根蓮，谷常偉

(1.馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，安徽 馬鞍山 243031；2.安徽昱工耐磨材料科技有限公司，安徽 馬鞍山 243003)

立磨是一種大型粉磨設(shè)備，廣泛應(yīng)用于水泥等行業(yè)。立磨工作時，物料經(jīng)下料溜子落入磨盤中央，在磨盤離心力作用下被甩向邊緣，同時，磨輥垂直向下運動被擠壓在磨盤上，把物料咬入磨盤和磨輥間進行研磨[1]。目前，使用較多的一種立磨的磨輥是由輥體與多塊輥皮組裝而成的。由于在研磨過程中磨輥承受較大的壓力和振動，物料直接接觸輥皮，會使輥皮表面磨損嚴重。當(dāng)輥皮磨損量達到一定值或發(fā)生斷裂時須停機對其進行更換，而頻繁的停機會導(dǎo)致磨機效率低下。為延長輥皮使用壽命并提高磨機經(jīng)濟效益，輥皮材料通常選用耐磨的高鉻鑄鐵。然而高鉻鑄鐵在凝固時收縮較大，再加上輥皮零件厚大，會導(dǎo)致輥皮鑄造易產(chǎn)生縮孔等缺陷，嚴重影響鑄件的質(zhì)量。因此，制定合理的鑄造工藝，防止鑄造缺陷的產(chǎn)生，是獲得合格輥皮鑄件的關(guān)鍵。

在鑄造工藝設(shè)計階段，利用計算機數(shù)值模擬技術(shù)對鑄造過程可能產(chǎn)生的缺陷進行預(yù)測，進而優(yōu)化鑄造工藝，可有效提高產(chǎn)品研發(fā)效率、降低鑄件生產(chǎn)成本[2]。姚柳[3]、王海嘯[4]、尹起[5]和孫義等[6]分別利用AnyCasting鑄造模擬軟件對軸承座、車輛鞍座、機床滑塊、減速器箱體的充型和凝固過程進行模擬，發(fā)現(xiàn)了金屬液飛濺、縮孔、縮松等問題，并針對問題進行了工藝優(yōu)化，均取得較好的效果。綜合以上研究，本文運用AnyCasting軟件對磨輥輥皮鑄造過程進行模擬，對鑄造缺陷進行預(yù)測，并根據(jù)缺陷的類型和位置提出改進措施，以獲得較優(yōu)的鑄造工藝方案。

1 鑄件概況

1.1 鑄件結(jié)構(gòu)

某型號立磨的磨輥輥皮結(jié)構(gòu)及主要尺寸(僅標注總體尺寸)如圖1所示。

由圖1可知，該磨輥輥皮結(jié)構(gòu)簡單，但厚度較大，圓心角為30°，柱面內(nèi)徑為Φ2 030 mm，厚度為185 mm，寬度為800 mm 。

1.2 鑄件材料

高鉻鑄鐵是一種優(yōu)良的耐磨材料，組織中的M7C3型碳化物硬度高達1 200～1 800 HV。高鉻鑄鐵適用于沖擊能量小、以研磨為主的工況，具有很高的耐磨性[7]。為保證輥皮達到足夠的硬度以滿足耐磨性的要求，同時為使輥皮具備一定的沖擊韌性并獲得相對較優(yōu)的鑄造、熱處理工藝性能，本研究選用高鉻鑄鐵作為磨輥輥皮鑄造材料，其化學(xué)成分見表1。

表1 磨輥輥皮鑄造材料的化學(xué)成分及質(zhì)量分數(shù)

2 鑄造工藝設(shè)計

2.1 初始鑄造工藝

單個磨輥輥皮鑄件重約680 kg。結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)條件，輥皮鑄造采用“一型兩鑄”的方式，2個鑄件共用澆注系統(tǒng)，使用漏包進行澆注，這樣既能提高效率又能節(jié)約成本。造型采用樹脂砂和木制模樣，兩箱造型。磨輥輥皮工作表面為外圓柱面，因質(zhì)量要求較高，在造型時模樣置于下砂箱中，將輥皮鑄件工作面朝下，內(nèi)圓柱面朝上作為分型面。初始鑄造工藝系統(tǒng)三維模型如圖2所示。

由圖2可知，澆注系統(tǒng)布置在2個鑄件中間，為防止底部工作面晶粒粗大，內(nèi)澆口設(shè)置在鑄件側(cè)面，且為使?jié)沧⑦^程充型平穩(wěn)，減少紊流發(fā)生，采用開放式澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)各組元截面積比設(shè)為ΣF直：ΣF橫：ΣF內(nèi)=1.0：1.2：1.4。

1)內(nèi)澆道:每邊2個內(nèi)澆道,ΣF內(nèi)=7 200 mm2,采用90 mm×20 mm扁彎陶管;

2)直澆道：ΣF直=5 024 mm2，采用Φ80 mm陶管；

3)橫澆道:ΣF橫=6 050 mm2,采用(50/60) mm×55 mm梯形實樣;

此外，因高鉻鑄鐵在凝固時收縮量較大，為使補縮充分，在每個鑄型上方的中間設(shè)置高鉻鑄鐵專用發(fā)熱冒口。經(jīng)計算，選擇S350型冒口，冒口頸口尺寸為Φ210 mm，高度為450 mm。

2.2 基于AnyCasting的初始工藝鑄造模擬

2.2.1 前處理設(shè)置

在CAD軟件中對磨輥輥皮鑄造工藝系統(tǒng)各部件進行三維建模與裝配，再以STL格式導(dǎo)入AnyCasting軟件，在anyPRE環(huán)境下進行前處理，即進行網(wǎng)格劃分和相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

1)網(wǎng)格劃分

選用AnyCasting模擬軟件網(wǎng)格劃分規(guī)則中的非均勻網(wǎng)格功能將鑄件和鑄造工藝系統(tǒng)劃分為5 528 736(162×158×216)個網(wǎng)格。

2)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

初始條件和求解域邊界條件:澆注方式選重力連續(xù)澆注;鑄型、型腔初始溫度設(shè)為25 ℃;金屬液與鑄型界面的熱傳導(dǎo)系數(shù)為4 187 W/(m2·K),其余各界面參數(shù)按實際情況設(shè)定。高鉻鑄鐵厚大件澆注溫度一般在1 350～1 400 ℃,為防止收縮過大和黏砂,采用低限澆注溫度1 350 ℃;根據(jù)鑄件重量和型腔液位上升速度的要求,確定澆注時間約為30 s;高鉻鑄鐵線收縮率為2%;采用連續(xù)表面張力模型。

2.2.2 充型過程

充型初始階段，金屬液經(jīng)澆注系統(tǒng)流入鑄型型腔。整個充型過程的溫度場變化情況如圖3所示。

由圖3(a)～(c)可知,當(dāng)澆注時間為2.0 s時,金屬液充滿澆注系統(tǒng),即將由鑄型側(cè)面的內(nèi)澆口分別向2個鑄型型腔內(nèi)流動;當(dāng)澆注時間為19.1 s時,金屬液充滿整個鑄型型腔;當(dāng)澆注時間為30.2 s時，金屬液充滿冒口。在整個充型過程中，金屬液由內(nèi)澆口平穩(wěn)流入型腔，從型腔底部平穩(wěn)上升，無飛濺，對型腔壁無沖刷，充型過程無澆不足等現(xiàn)象發(fā)生。

2.2.3 凝固過程

整個凝固過程如圖4所示。

由圖4(a)可知,型腔壁處溫度降低最快,此處最先凝固;由圖4(b)可知,隨著時間推移,金屬液由四周向中心凝固,冒口從頂部向下進行補縮,當(dāng)凝固時間為2 091.1 s時，鑄件凝固了約30%，型腔內(nèi)未凝固的金屬液溫度低于冒口處，要先于冒口凝固，鑄件上方接近冒口頸部與冒口上方凝固時間相當(dāng)，冒口下方頸部最后凝固；由圖4(c)可知,當(dāng)凝固時間為10 417.1 s時，型腔、冒口和澆注系統(tǒng)內(nèi)金屬液完全凝固。

從圖4鑄件凝固順序可知，最后凝固部位在冒口下端冒口頸處，因高鉻鑄鐵具有較大的收縮率，故預(yù)測在冒口頸處會出現(xiàn)縮孔。利用AnyCasting軟件對初工件缺陷進行預(yù)測分析，預(yù)測結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知,在冒口頸中剖面距離約33 mm處存在縮孔,縮孔距鑄件上表面較近,遠低于理論安全距離46 mm(鑄件厚度185 mm×補縮效率0.25)。在實際生產(chǎn)中，因受鐵水熔煉、澆注溫度和冷卻速度等多種因素影響，縮孔出現(xiàn)在鑄件上表面的風(fēng)險較大，為此，需對初始工藝進行優(yōu)化，防止縮孔發(fā)生在鑄件上。

3 鑄造工藝優(yōu)化

3.1 工藝優(yōu)化分析

在金屬液充滿鑄型和整個工藝系統(tǒng)后，由于砂型型壁傳熱作用，從鑄件中心部位到鑄件表面的溫度梯度是遞減的。隨著型壁導(dǎo)熱的進行，凝固從與型壁直接接觸的金屬液開始逐步向內(nèi)進行，型腔內(nèi)金屬液的體積相繼發(fā)生了液態(tài)收縮和凝固收縮[8]，而冒口內(nèi)金屬液則向下進行補縮。因高鉻鑄鐵收縮率較大，在最后凝固部位冒口頸或鑄件上表面處將產(chǎn)生縮孔?？s孔使輥皮承載面積減少并產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致輥皮機械性能降低甚至發(fā)生斷裂，從而造成較大的經(jīng)濟損失。

在鑄造生產(chǎn)中，冷鐵有著極其重要的作用。一方面,冷鐵的激冷作用使向著冒口方向的溫度梯度增加,增大了補縮距離。合理利用冷鐵,可有效控制鑄件凝固順序,解決鑄件生產(chǎn)中遇到的縮孔、縮松等缺陷[9]。另一方面,高鉻鑄鐵在凝固過程中易形成粗大晶粒,通過冷鐵設(shè)置,可細化晶粒,提高韌性,且高鉻鑄鐵中的M7C3型碳化物在不同的結(jié)晶方向有不同的硬度。在實際生產(chǎn)時,在磨損面加放冷鐵進行澆注,可以提高高鉻鑄鐵的耐磨性[10]。

綜合以上分析，本文擬采用在鑄型底部以下增設(shè)冷鐵的方式對原工藝進行優(yōu)化。根據(jù)鑄件的大小和厚度，選用8個尺寸為100 mm ×100 mm×100 mm的冷鐵，冷鐵布置效果如圖6所示。

在圖6中，相鄰冷鐵間隔約60～80 mm，且冷鐵安放須避開中間冒口位置，以免冒口下方溫度降低，影響冒口的補縮作用。

3.2 優(yōu)化工藝的鑄造模擬

將優(yōu)化后的磨輥輥皮鑄造工藝系統(tǒng)導(dǎo)入AnyCasting軟件并進行模擬，得到的鑄件概率缺陷預(yù)測分析結(jié)果如圖7所示。

從圖7可知，剖面距離約為82 mm，遠遠大于理論要求的安全缺陷距離46 mm。優(yōu)化后的工藝模擬結(jié)果可有效防止鑄件上出現(xiàn)縮孔。

3.3 優(yōu)化工藝的生產(chǎn)驗證

按優(yōu)化后的鑄造工藝生產(chǎn)輥皮，由于高鉻鑄鐵鑄件開箱溫度過高易造成鑄件開裂，一般需鑄件凝固96 h后、溫度低于200 ℃時才能開箱，再經(jīng)清理、熱處理和機械加工等處理。實際生產(chǎn)鑄件如圖8所示。

由圖8可知，按優(yōu)化工藝所生產(chǎn)的輥皮鑄件表面光潔，無明顯外露缺陷，硬度可達750 HV左右。鑄件經(jīng)磁粉檢測和超聲波檢測，符合相關(guān)標準要求，淺表部位無裂紋，內(nèi)部組織致密，無縮孔、縮松等缺陷顯示，產(chǎn)品合格率高。

4 結(jié)論

1)選擇合適成分的高鉻鑄鐵可滿足輥皮高耐磨性的要求；

2)輥皮鑄造采用開放式澆注系統(tǒng)，充型過程平穩(wěn)，無飛濺，對型腔壁無沖刷，且無澆不足等現(xiàn)象發(fā)生；

3)高發(fā)熱冒口和冷鐵配合使用，經(jīng)生產(chǎn)驗證，可有效防止輥皮鑄件出現(xiàn)縮孔等缺陷，產(chǎn)品合格率高。