链轮体铸钢件的铸造工艺优化

据现有沙箱的尺寸，适当降低冒口高度，将明冒口改 为暗冒口；同时采用半环形横浇道，钢液在浇注系统 内的流动时间过长，浪费较多的钢液，故将横浇道改 为 1/4 圆周长度；其他参数不变，方案Ⅱ模型如图 4 所示。
图 2 工艺Ⅰ三维模型 Fig.2 3-D model of schemeⅠ
缩孔、 缩松等缺陷都是在铸件的凝固过程中产 生的。 将方案Ⅰ实体模型转化为 STL 格式文件，导 入 View Cast 模拟软件，进行网格剖分和参数设置， 铸件平均壁 厚 82 mm，铸型初始 温度 25 ℃，网 格 数 2000000，方案Ⅰ缩孔、缩松出现的位置如图 3 所示。 可以看出， 中间柱形冒口以及 6 个腰形冒口起到了 一定的补缩作用，有足够大的补缩能力，但由于冒口 补缩距离不够，造成补缩通道过早的阻断，致使柱形 冒口根部以及铸件圆周与筋板的交接处产生了孤立 液相区，凝固后期，这些区域产生了缩孔、缩松缺陷。 1.2 方案Ⅱ
(a) t=450 s
(b) t=1000 s
(c) t=1200 s
(d) t=1500 s
(e) t=2000 s
图 7 方案Ⅲ凝固过程 Fig.7 The solidification process of scheme Ⅲ
(f) t=5500 s
ห้องสมุดไป่ตู้
分已经凝固， 孤立液相区继续向冒口延伸；t=2000 s 时，孤立液相区延伸到了冒口根部区域，冒口内还有 大 量 液 态 金 属 ， 足 以 实 现 对 铸 件 的 补 缩 ；t=5500 s 时，此时处于凝固的最后阶段，铸件已经完全凝固， 冒口内残留一定高度的金属液体，冒口最后凝固。 2.3 方案Ⅲ模拟结果
本文以链轮体铸钢件为研究对象， 铸件轮廓尺
收 稿 日 期 ：2009-07-16 基 金 项 目 ：河 南 省 杰 出 人 才 创 新 基 金 （0621000700） 作者简介：米国发（1966- ），男，北京人，教授，博士，主要从事凝固理
论 、技 术 与 新 材 料 的 研 究 ；电 话 ：0391-3987503； E-mail: peter@
金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding
2010 年 8 月
链轮体铸钢件的铸造工艺优化
米国发， 王有超， 王锦永， 崔红保 （河南理工大学 材料科学与工程学院，河南 焦作 454003）
摘 要： 运用 V-Cast 软件对链轮体铸钢件铸造工艺凝固过程进行了模拟，分析了缺陷形成的原因。 在此基础上，通
图 5 方案Ⅱ缺陷分布 Fig.5 Distribution of shrinkage of schemeⅡ
2 方案Ⅲ及模拟结果
2.1 方案Ⅲ简介 根据方案Ⅰ、Ⅱ模拟结果，在轮缘凸台与筋交接
处的热节比其他轮缘与筋交接处的热节大，如果通过 增大冒口尺寸，便可以消除缺陷，但这样将造成金属 材料的浪费。 根据铸件热节位置及结构特点，把圆周 6 个腰形冒口改为 3 个腰形冒口， 适当加大冒口尺 寸；在没有凸起的轮缘与筋的 3 个交接处各设置 1 块 冷铁。 其他工艺参数不变，方案Ⅲ模型如图 6 所示。 2.2 方案Ⅲ凝固过程及分析
方案Ⅲ模拟的缺陷预测如图 8 所示。 铸件内部
金属含量 （%） 100 75 50 25 0
图 8 方案Ⅲ缺陷分布 Fig.8 Distribution of shrinkage of scheme Ⅲ
没有大的缩孔、缩松缺陷，缩孔、缩松已经成功转移 到了冒口中。 冒口内金属的温度始终处于铸件的最 高状态，使得整个铸件形成一个正的温度梯度，补缩 通道畅通，冒口是最后凝固部位，实现了从铸件到冒 口的顺序凝固[5]。 只是在筋板连接处 产生了微 小的 孤立液相区，凝固后期形成了微量细小的缩松，由于 这些缩松所处的位置不是铸件的受力部位， 即不影 响铸件的使用性能，也不影响外观。因此可以认为该 方案是最好的。
中 图 分 类 号 ：TG244+.3
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2010)15-0046-04
Optimization of Casting Process for Chain Wheel Body Steel Casting
MI Guofa, WANG Youchao, WANG Jinyong, CUI Hongbao
(b) 铸件底面
图 1 铸件三维实体模型 Fig.1 3-D solid mass model of casting
1 方案Ⅰ、Ⅱ及模拟结果
1.1 方案Ⅰ 方 案Ⅰ制 作 工 艺 为 ：①用 开 放 式 浇 注 系 统 ， 漏 包
浇注，通过直浇道、横浇道把钢水引到铸型中部，再通 过内浇道注入型腔。 铸钢件铸造性能差，流动性差[2]， 钢液分 2 路同时引入型腔，各组元截面面积比例大体 为∑F 包 ∶∑F 直 ∶∑F 橫 ∶ ∑F 內=1 ∶ (1.8～2.0) ∶ (1.8～2.0) ∶ 2.0。 包孔直径 准50 mm，由此计算出∑F 直=70.69cm2、
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Hot Working Technology 2010, Vol.39, No.15
上半月出版
Casting·Forging·Welding 金属铸锻焊技术
∑F 橫=74.61 cm2， ∑F 內=78.54 cm2； ②浇 注 温 度 为 1550~1580 ℃，铸造收缩率取 1.8%；③选用水玻璃自 硬 砂 造 型 ；④浇 注 时 铸 件 水 平 放 置 ，分 型 面 选 择 在 最 大截面处(铸件底面)，铸件大部分位于下箱；⑤铸件 圆 周 匀 布 6 个 150 mm × 225 mm × 188 mm 腰 形 冒 口，中间部位设置 1 个 准440 mm × 660 mm 个圆柱形 冒口。 方案Ⅰ模型如图 2 所示。
寸为 准1700 mm × 244 mm，质量约为 1338 kg，材质为 ZG270-500，铸 件 不 得 有 气 孔 、裂 纹 、砂 眼 、缩 孔 、缩 松等影响强度的缺陷，其三维模型如图 1 所示。对链 轮体的 3 种铸造工艺进行了凝固模拟， 通过对比分 析，确定出了比较理想的工艺方案。
(a) 铸件顶面
根据方案Ⅰ模拟结果， 对方案Ⅰ改进的要点是 消除铸件中部的孤立液相区， 为此在铸件轮毂处增 设适当尺寸的补贴， 以延长中间柱形冒口的补缩距 离。 对图 3 中铸件圆周上 3 部分缩孔部位各增设适 当厚度的冷铁，以通过冷铁的激冷作用，使激冷区首 先凝固，延长圆周腰形冒口的补缩距离；可以看出， 方案Ⅰ中冒口的尺寸较大，有浪费金属的倾向，故根
上半月出版
Casting·Forging·Welding 金属铸锻焊技术
转移到了柱形冒口内， 但铸件圆周局部还分布着少 量缩孔、缩松。
（3） 方案Ⅲ将方案Ⅱ中铸件圆周匀布的 6 个腰 形暗冒口改为 3 个，且尺寸适当增大，冒口之间分布 1 块冷铁，模拟结果显示，凝固顺序符合设计要求， 保证了铸件质量。
2010 年 8 月
出，当凝固过程进行到 t=450 s 时 ，浇注系统和 铸件 圆周区域最先开始凝固；t=1000 s 时，在放置冷铁的 轮缘和筋交接的 3 处已经明显凝固， 从而使冷铁发 挥了很好的激冷作用， 此时， 浇注系统已经完全凝 固 ，失 去 补 缩 作 用 ；t=1200 s 时 ，放 置 冷 铁 的 部 位 已 经凝固，铸件内的金属液体即将分割为 4 部分，每个 部分都可以通过冒口进行有效的补缩；t=1500 s 时， 铸件内部出现 4 部分大的孤立液相区， 铸件的大部
金属含量 （%） 100
75
50
25
0
图 3 方案Ⅰ缺陷分布 Fig.3 Distribution of shrinkage of schemeⅠ
图 4 方案Ⅱ三维模型 Fig.4 3-D model of schemeⅡ
方案Ⅱ模拟的缺陷预测如图 5 所示。可以看出， 加补贴后，柱形冒口起到了圆满补缩的作用，轮毂处 的缩孔、缩松已经成功转移到了冒口中，但是轮缘凸 台与筋板交接处的热节仍没有完全消除， 凝固后期 出现了缩松缺陷。
过 V-Cast 软件不断调整补贴、冒口、浇注系统、冷铁的尺 寸 和 结 构 ，并 进 行 凝 固 模 拟 ，最 终 获 得 了 合 适 的 工 艺 。 结 果 表
明：方案Ⅲ中冒口、浇注系统的尺寸和位置是合适的，实现了顺序凝固，消除了缩孔、缩松缺陷，保证了铸件质量。
关键词： 链轮体； V-Cast 软件； 铸造工艺； 数值模拟
对方案Ⅲ进行凝固模拟，其过程如图 7 所示。其 中深色显示的部位表示钢液仍处于液态或半液态， 没有完全凝固，浅色区域表示已经完全凝固。可以看
《热加工工艺》 2010 年第 39 卷第 15 期
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金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding
图 6 方案Ⅲ三维模型 Fig.6 3-D model of scheme Ⅲ
Key words： chain wheel body; V-Cast software; foundry technique; numerical simulation
铸钢是重要的工程材料， 广泛应用于国民经济 发展的各个工业部门，在各个行业中占有重要地位， 但铸钢收缩率大， 在凝固过程中容易产生缩孔、缩 松、裂纹等缺陷，严重影响铸件的质量。 铸件的凝固 过程是一个复杂的高温、动态、瞬时的变化过程，缩 孔、缩松等铸造缺陷相 继在这个过 程中出现 。 [1-2] 以 往在生产各类铸件时， 主要凭借技术人员的经验进 行铸造工艺设计和铸件质量分析， 铸造水平长期停 留在凭经验生产的阶段。 对于大批量生产的铸件， 一般先试生产 3-5 件，对铸造 工艺进行分 析、改进， 再试制，再分析、改进，确认合适工艺后才进行批量 生产，造成生产成本高，铸件质量不稳定等一系列问 题。 传统铸造工艺设计方法已不能满足现代市场经 济发展的需要， 通过计算机模拟技术可以在生产前 预测缺陷产生的位置、大小，并通过计算机技术进行 优 化 ，缩 短 了 产 品 制 造 周 期 ，提 高 了 企 业 效 益 [3-4]。