加工中心滑枕铸造工艺数值模拟与优化


伯特利数控 加工中心  钻攻中心  

 前言:

 滑枕是大型加工中心上的_个重要部件,对加工中心整体精度、性能起到了决定性的作用。对于大型CNC加工中心滑枕的材质一般使用球墨铸铁。由于球墨铸铁共晶凝固时间相对较长,易造成外売相对薄弱,在二次膨胀过程中,容易造成滑枕出现缩孔、缩松缺陷[11。研究中针对滑枕实际铸造中出现的缺陷,通过ProCAST进行数值模拟,并对工艺设计进行优化,得到加工中心滑枕的最佳铸造工艺,为同类大型球墨铸铁件的铸造加工提供参考借鉴。

1滑枕材料与结构

1.1滑枕材料

本研究中滑枕铸件的材料为QT600-3,滑枕材料具体成分如表1。

1滑枕材料成分W (%)

Tab.l The composition of slippery pillow

c

Si

Mn P

S

RE

Mg

Fe

3.4 ?3.6

2.6 ?2.8

0.4?0.7 <0.07

<0.03

0.03-0.05

0.03-0.06

余量

 

1.2滑枕结构

加工中心滑枕整体为箱体式结构,外部轮廓尺寸为3 942 mmx545 mmx492 mm,平均壁厚 92 mm,中间具有多道筋板,厚度不一,且外壁有多个窗口结构,整个铸件形体庞大、结构复杂'铸件结构剖面图如图1。

2原铸造工艺设计

2.1铸件缺陷分析

滑枕结构复杂,属于复杂大型球墨铸铁件。原铸造工艺设计为双排内浇道立浇底注浇注方式,并设计楔形明冒口进行补缩,冒口颈尺寸设计较小,并放置数量较多冷铁提高冒口颈凝固速度,达到通过石墨化膨胀补缩的目的,浇注系统采用先开放后封闭形式,内、横、直浇道面积比为1.3:15.7:1,内浇道设计为长方形,尺寸为23mmx50mm铸造工艺方案设计如图2。

2.2铸件缺陷分析

在实际生产中,此加工中心滑枕经过磨削加工后,在铸件表面有较多孔洞缺陷出现,整个孔洞外形并不规则,内部成灰色,显然这种孔洞并非气孔。根据孔洞内部的化学成分分析,其内部氧、硅含量较高,球化过程中有些上浮不及时的夹杂物将直接影响最后石墨形成。同时,夹杂物也会阻碍铁液流动与补缩效果,致使缩松、缩孔缺陷出现。因此,现有铸造工艺存在问题,需对其进行优化。

 

3铸造工艺数值模拟

针对铸造工艺方案,通过建立有限元模型后,使用数值模拟软件ProCAST对铸造工艺进行模拟w,通过ProCAST软件对初始工艺生产铸件的缩松缩孔模拟结果如图3

 

从模拟结果(图3)分析,该工艺设计中铸件壁与筋板的交接处出现了比较严重的缩松缺陷,模拟结果也验证了实际生产中出现的问题。根据分析,球墨铸铁件依靠自身石墨化膨胀抵消液态与凝固收缩效果甚微。当铸件庞大、结构复杂时,浇注温度受到铸件长度的影响会出现较大的梯度,同时凝固无法实现,由此内浇道与冒口的补缩作用尤为重要。

4工艺优化方案及结果

4.1工艺优化

(1)     冒口优化原设计中冒口采用明鸭嘴冷冒口的设计形式,为提高冒口颈的冷却效果,冒口颈铸件下部放置了大量冷铁,从实际效果看,这种方式虽阻止了冒口的先行凝固,但也使冒口失去了补缩作用。由此优化设计中还是首先考虑冒口的补缩作用,将冒口改为圆形暗冒口,顶部设计为半球形,并增大冒口模数,加大冒口高度与冒口颈尺寸,保证冒口颈晚于铸件凝固,形成从下至上的补缩梯度,提高冒口补缩效果,改进后效果如图4所示。

针对优化后的方案使用ProCAST软件安装同样参数设置进行缩松缩孔缺陷模拟,由模拟结果分析,缩松缺陷依然存在,改进效果不够理想。进步分析,其原因为冒口颈下部冷铁数量较多,过早切断补缩通道所致,因此对冷铁布置做进一步优化。

 

(2)冷铁布置优化原设计中根据实际生产经验,将冷铁主要布置在厚重位置,在冒口颈、内浇道上部冷铁数量较多,根据分析,冒口颈位置的冷铁导致冒口颈快速凝固致使补缩通道被过早阻断,导致了铸件补缩效果不佳。因此采用了适当减少原设计中冒口颈部位冷铁的数目,并将冷铁位置适当向下调整的方式进行优化,冷铁优化方式如图5所示。

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结束语:

 针对大型滑枕的铸造结构较为复杂,铸造难度大的问题,以滑枕为研究对象,研究其铸造工艺,并根据实际生产中缩松、缩孔缺陷比例较多的问题,通过ProCAST模拟软件对铸造工艺中可能出现的缺陷进行分析,并提出了优化措施,经过数值模拟及生产验证,方案优化后很好的解决了大型球墨铸

 

 

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