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      大型行星架鑄鋼件澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      2021-04-30 05:13:12李嘉倩季德生龍秀慧
      大型鑄鍛件 2021年3期
      關(guān)鍵詞:充型法蘭盤鋼液

      李嘉倩 季德生 徐 超 龍秀慧

      (濱州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,山東256600)

      澆注系統(tǒng)是砂型中引導(dǎo)鋼液流入型腔的通道。在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常因?yàn)闈沧⑾到y(tǒng)設(shè)計(jì)不合理,從而造成一系列的鑄造缺陷,嚴(yán)重的會致使鑄件直接報(bào)廢,因此澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與鑄件質(zhì)量有著緊密的關(guān)聯(lián)。

      1 零件結(jié)構(gòu)介紹

      行星架選用ZG35CrMo材料,基本輪廓大小為1260 mm×1260 mm×647 mm。其結(jié)構(gòu)整體對稱,壁厚較為均勻,壁厚最厚處為91 mm,壁厚最薄處為44 mm,體積為0.619 m3,零件重量為1330.491 kg,零件模型采用CATIA建立,零件模型如圖1所示。

      圖1 行星架三維模型Figure 1 3D model of planetary frame

      選擇鑄件澆注位置,應(yīng)結(jié)合鑄件的凝固方式,并確保鑄件完全充型。設(shè)計(jì)時,將鑄件下法蘭盤置于底部,保證鋼液在型內(nèi)上升平穩(wěn),避免上法蘭盤表面及內(nèi)部產(chǎn)生鑄造缺陷。將鑄件正放,法蘭盤朝下,選用底注式方案,6個內(nèi)澆口設(shè)置在下法蘭盤,此外設(shè)置1個橫澆道和1個直澆道。

      2 澆注系統(tǒng)各組元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      ZG35CrMo材料鑄造性能較差,凝固收縮率大,易產(chǎn)生縮孔等缺陷[1]。大型鑄鋼件澆注溫度高,鋼液流動性較差,不利于鑄件充型,所以需對模具、砂箱進(jìn)行預(yù)熱;鋼水易氧化,需加大澆注速度。澆包采用塞桿包,擋渣能力較強(qiáng),在此方案中,不主要考慮擋渣問題[2],選用底注式、開放式澆注系統(tǒng),單包單孔澆注的方案,其注孔選擇直徑為60 mm。

      ∑Ah∶∑As∶∑Aru∶∑Ag

      =1∶(1.8~2.0)∶(1.8~2.0)∶(2.0~2.2)

      式中,Ah=28.3 cm2,∑Ah=28.3 cm2,查表1得,q=90 kg/s。

      表1 不同漏孔直徑流量q平均值Table 1 Average flow q of different leakage diameter

      2.1 澆注時間

      t=GL/Nq

      式中,q是平均澆注流量;GL是型內(nèi)鋼液重量,1897.431 kg;N是鋼包內(nèi)漏孔數(shù)量;t是澆注時間。

      經(jīng)計(jì)算得到t=21.08 s,并且在充型能力充足的情況下,經(jīng)大量試驗(yàn)證明,本體澆注時間控制在30 s以內(nèi),鑄件出現(xiàn)砂眼、氣孔缺陷的幾率非常小,大多數(shù)情況下不會出現(xiàn)砂眼、氣孔缺陷[3]。故選擇澆注時間t=21 s。

      2.2 鋼水上升速度校核

      v=C/t

      式中,v是鋼液液面在型內(nèi)上升速度;C是鑄件在型腔內(nèi)的高度,545 mm;t是澆注時間。

      表2 鋼液在型內(nèi)允許的最小上升速度Table 2 The minimum allowable rise rateof molten steel in the mold

      圖2 橫澆道Figure 2 Runner圖3 內(nèi)澆道Figure 3 Ingate

      圖4 方案一充型速度場與充型時間Figure 4 Filling velocity field and filling time for scheme 1

      圖5 方案二充型速度場與充型時間Figure 5 Filling velocity field and filling time for scheme 2

      經(jīng)計(jì)算得到v=25.95 mm/s,查表2得,最小上升速度v≥25 mm/s,故符合要求。

      2.3 剩余壓頭校核

      HM≥Ltanα(取α=7°,L=630 mm)

      式中,HM是最小剩余壓頭;L是液態(tài)合金的流程;α是壓力角。

      經(jīng)校核,剩余壓頭充足。

      2.4 澆注系統(tǒng)各組元橫截面積的確定

      直澆道:?95 mm;As=71 cm2,ΣAs=71 cm2。

      橫澆道:截面形狀尺寸見圖2,Aru=70 cm2,ΣAru=70 cm2。

      內(nèi)澆道:截面形狀尺寸見圖3,Ag=12 cm2,ΣAg=12×6=72 cm2。

      最終各組元截面比為:

      ∑Ah∶∑As∶∑Aru∶∑Ag=1∶2.51∶2.47∶2.54

      2.5 直澆道窩的設(shè)計(jì)

      澆口窩直徑是直澆道下端直徑的1.4~2倍,高度為其2倍。本方案直澆道窩直徑為1.4D=133 mm,高度為2D=190 mm。

      綜上所述,選擇澆注時間t=21 s,直澆道橫截面積∑As=71 cm2,橫澆道橫截面積∑Aru=70 cm2,內(nèi)澆道橫截面積∑Ag=72 cm2。

      3 澆注系統(tǒng)各方案充型速度場分析

      3.1 方案一

      澆注系統(tǒng)方案一兩側(cè)對稱澆注,從圖4(e)的仿真結(jié)果得到,整個充型過程大概需要19.6 s,這與計(jì)算結(jié)果基本符合。從4(a)中看出靠近直澆道的內(nèi)澆道出現(xiàn)過渡區(qū)不足的情況,且4(b)、(c)、(d)呈現(xiàn)出該處鋼液流速較大,對砂芯的沖擊較大,可能會引起夾砂等缺陷。

      3.2 方案二

      方案二,從圖5(e)的仿真結(jié)果得到,整個充型過程需要19.7 s,這與計(jì)算結(jié)果基本符合。改變?yōu)閱蝹?cè)澆注后,相較于方案一充型過程更為平穩(wěn)。由于內(nèi)澆口正對砂芯以及內(nèi)澆道布置離直澆道較近,仍可能出現(xiàn)方案一的缺陷。

      3.3 方案三

      從圖6(e)的充型時間仿真結(jié)果得到,整個充型時間大概為21.1 s,這與計(jì)算結(jié)果基本符合。圖中顏色相同部分的填充時間相同,鑄件整體同種顏色呈現(xiàn)帶狀分布,說明采用底注式澆注系統(tǒng),鋼液在型腔內(nèi)充型平穩(wěn)且逐層充型[4]。從圖中可以看出,在鑄件充型過程中,鋼液的流速約為0.426~0.850 m/s,金屬液相遇,沒有發(fā)生飛濺、

      圖6 方案三充型速度場與充型時間Figure 6 Filling velocity field and filling time for scheme 3

      圖7 澆注系統(tǒng)布置Figure 7 Gating system layout

      卷氣等現(xiàn)象[5],整體充型效果較好。

      綜合三種澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,最終選擇方案三,橫澆道單側(cè)布置,內(nèi)澆道單側(cè)切向布置。其三維模型如圖7所示。

      4 結(jié)語

      對澆注系統(tǒng)各組元結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)定,并用Procast仿真模擬分析了三種澆注方案,經(jīng)過對比最終確定選用橫澆道單側(cè)布置,內(nèi)澆道單側(cè)切向布置,鋼液在型腔內(nèi)充型平穩(wěn)且逐層充型,金屬液相遇,沒有發(fā)生飛濺、卷氣等現(xiàn)象,整體充型效果較好。

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