張曉宇

（中鐵山橋集團(tuán)有限公司，秦皇島 066200）

在日益激烈的市場競爭中，鑄造企業(yè)不僅需要保證產(chǎn)品的高品質(zhì)，還需要保證較低的生產(chǎn)成本。在鑄造生產(chǎn)過程中，鑄造缺陷引起的鑄件返修或報廢是引起鑄造企業(yè)成本增加的主要原因。目前，如何減少或消除鑄造缺陷，是大多數(shù)鑄造企業(yè)都面臨的問題。傳統(tǒng)的鑄造工藝設(shè)計(jì)，對設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)依賴較大，但對于新產(chǎn)品、新結(jié)構(gòu)或提高標(biāo)準(zhǔn)需對工藝做出較大變動時，往往需要反復(fù)進(jìn)行工藝試制，不僅試制周期長，更重要的是造成生產(chǎn)成本浪費(fèi)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，鑄造模擬技術(shù)已經(jīng)成為鑄造企業(yè)提升市場競爭力、保證鑄件質(zhì)量的重要手段。鑄造CAE技術(shù)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來改造和提升傳統(tǒng)鑄造技術(shù)，對降低產(chǎn)品成本、提高鑄造企業(yè)競爭力有著不可替代的作用，其應(yīng)用和推廣必將為鑄造行業(yè)帶來很大經(jīng)濟(jì)和社會效益。本文通過介紹鑄造CAE技術(shù)的基本思路以及溫度場和流動場數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，介紹華鑄CAE/InteCaet—R11.0在高錳鋼轍叉生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)例。

1 華鑄CAE技術(shù)的基本思路

華鑄CAE軟件包括前置處理模塊、計(jì)算分析模塊以及后置處理模塊。前置處理模塊包括對鑄件、砂芯、鑄型等的三維造型和網(wǎng)格剖分；計(jì)算分析模塊是對鑄件、鑄型的各物理場進(jìn)行求解；后置處理模塊是把計(jì)算結(jié)果以曲線、圖形、圖像以及動畫等表達(dá)方式直觀有效地表達(dá)出來。最后，根據(jù)模擬分析結(jié)果判斷工藝優(yōu)劣，如果工藝不可行，則改進(jìn)工藝重新進(jìn)行模擬分析直至獲得一個比較滿意的結(jié)果，這樣就實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下優(yōu)化工藝的目的。

2 華鑄CAE技術(shù)在轍叉生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該轍叉外型尺寸為1870mm×268mm×190mm，中部存在螺栓孔，因長度尺寸較大，且存在局部較厚區(qū)域，易發(fā)生縮孔、縮松缺陷，圖2是產(chǎn)品三維模型。

圖2 轍叉鑄件三維模型

2.2 鑄件工藝特點(diǎn)

采用砂型鑄造，分箱造型，采用跟端“T”形截面澆注系統(tǒng)，橫澆道上設(shè)置明冒口，其余為保溫暗冒口，并依據(jù)冒口位置，在熱節(jié)表面放置碳鋼冷鐵，加速鑄件表面凝固。在型腔表面刷涂醇基涂料，以放置粘砂。

2.3 工藝參數(shù)設(shè)定

鑄件所用材質(zhì)為ZGMn13，澆注溫度設(shè)定為1470℃，補(bǔ)澆2次，開啟重力補(bǔ)縮，化學(xué)成分及物理特性等參數(shù)均依據(jù)生產(chǎn)實(shí)際對數(shù)據(jù)庫內(nèi)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，盡可能使模擬環(huán)境與生產(chǎn)現(xiàn)場貼近。

2.4 工藝模擬

網(wǎng)格剖分檢查、判斷無誤后，首先進(jìn)行澆注過程的流場模擬，圖4為充型幾個階段的情況，從圖4中可以看出，鋼水剛進(jìn)入型腔時存在卷起現(xiàn)象，液面不平穩(wěn)，當(dāng)充型50%左右時，液面逐漸趨于平穩(wěn)。

圖4 色溫填充過程

澆注后4489s型腔內(nèi)鋼水形成固態(tài)，如圖5所示，此時鑄件較厚大部位和部分冒口根部出現(xiàn)大片縮松缺陷，端頭出現(xiàn)縮孔，這些縮孔、縮松缺陷面積較大，超出X射線和超聲波探傷一級轍叉的標(biāo)準(zhǔn)，且按此工藝生產(chǎn)的轍叉內(nèi)部質(zhì)量存在很大隱患，對線路行車安全存在潛在威脅。

2.5 工藝改進(jìn)

首先，將澆注系統(tǒng)截面改為全斷面澆注，增大鋼水進(jìn)入型腔流量，使補(bǔ)縮通道更順暢，消除縮孔缺陷，減小氣卷發(fā)生幾率。

其次，將原有暗冒口由保溫冒口改為發(fā)熱冒口，增大冒口補(bǔ)縮能力，消除冒口間縮松。

圖5 鑄件凝固模擬縮孔、縮松分布圖

再次，明冒口在澆注完畢后放發(fā)熱劑，進(jìn)一步增大補(bǔ)縮效果。

最后，針對不同結(jié)構(gòu)、部位放置隨型冷鐵，保證順序凝固。

2.6 改進(jìn)效果

改進(jìn)工藝后，再次進(jìn)行工藝模擬，氣卷現(xiàn)象明顯改觀，各部位冒口均充分發(fā)揮補(bǔ)縮效果，縮孔、縮松缺陷基本消除。經(jīng)過5×5批量生產(chǎn)，產(chǎn)品通過超聲波探傷（一級）和X射線探傷，且表面沒有裂紋、粘砂、冷隔等鑄造缺陷。

3 結(jié)論

通過華鑄CAE軟件的鑄造工藝模擬，可以準(zhǔn)確判斷縮孔、縮松等鑄造缺陷的發(fā)生趨勢，輔助轍叉鑄造工藝設(shè)計(jì)人員編制、改進(jìn)鑄造工藝，從而縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，提高工藝出品率，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品市場競爭力。