轴承钢环坯铸造工艺数值模拟与优化设计

作者简介 ：赵磊（ ９４ ） 男 ， １ ８ 一 ， 河南南 阳人 ， 在读硕士研究生 ， 主要研究方 向： 数值模拟与优化设计 。
Leabharlann Baidu
了理论 依 据 。 １ 环 坯铸 造 工艺方 案及 模拟
１ １ 工 艺介 绍 ．
１２ 模 拟 结果及 分析 ．
１２ １ 网格 划分 及模 拟参数 的设 定 ． ． 用 Ｕ Ｇ绘 出铸 件 、 冒 口及 砂 箱 的三 维 模 型 ，转 出
为 ｘ ｔ 件 后导 入 到 Ｐｏａｔ 拟 软 件 Ｍｅｈａｔ — 文 ｒｅｓ模 ｓｃｓ模块
Ｃ
０４ ．４
料一 镦 粗一 冲孔一 热 辗扩成 形 ，然后 进行 热处 理 和机
加 工 ，具有 工艺 流程 冗长 、材料 和 能源浪 费严 重等 缺
％
Ｍｎ
Ｏ． ８ ６
Ｓ ｉ
０． ５ ４
Ｍｏ
Ｏ ２ ． ６
Ｃ ｒ
Ｏ ９ ． ２
Ｎｉ
Ｏ ３ ．
Ｐ
＜０ ０ ５ ． ３
轴承 钢 环 坯 铸 造 工 艺数 值模 拟 与优 化 设 计 米
赵 磊 ，李永堂 ，齐会 萍 ，严 志远 ，张
（ 太原 科技 大学 材料科学与工程学院， 山西 太原
锋
０ ０２ ） ３ ０ ４
摘要 ：利用环形铸坯直接辗扩成形是 一种高效、节能的环件生产工艺 ，环坯的铸造工艺是保证辗扩成形质 量 的关键。利用 Ｐｏａｔ ｒｅｓ 软件对 ４ ＣＭｏ大型轴承环件的砂型铸造工艺进行 了数值模拟 ，分析 了凝 固过程和产 生 ２ｒ 缺陷 的原 因，在此基础上 ，采取 改变浇注 系统 、增大 冒 口尺寸 、增加冷铁及 气孔 等措施 ，优化铸造 工 艺，消
件生产 工艺 是冶 炼一 浇 注钢锭一 钢 锭开 坯和初 锻一 下
ｎ ｑ ｍ，高 ２０ｍ ６ ｍ，间隔 １０ 均匀分布在 ３ ６ｍ ２。 ６ ｍ的 圆周 上 ，同时选其 中一个 冒 口作 为 浇道 口。
表 １ Ｚ ４ＣＭ Ｇ ２ ｒ ｏ冶 炼 后 的 化 学 成 分 （ 量 分 数 ） 质
种 高效 、节 能 、节材 的新 的环形 零件 成形 工艺 ，具 有
巨大 的发 展潜力 和广 阔的推 广应用前 景 。该 工艺 对环
坯铸造工艺和铸件的质量具有较高的要求 ，铸件的性
能好坏 直 接关 系到后 续辗 扩 件成形 的质 量 。因此 ，必
须通过 无损 探 伤 检测 ，不 允许 铸 件 出现 缩 孔 、缩 松 、
０ 引言
Ｚ ４ Ｃ Ｍｏ 炼后 的化 学 成 分 见 表 １ Ｇ ２ｒ 冶 。铸 造 工 艺 示 意 图如 图 １ 所示 ，下 方 为铸钢 环件 ，上 方 为 ３个 相 同 的 冒 口 ，其 顶 部 直 径 为 ２ ０ ｍ ４ ｍ，底 部 直 径 为 １ ５ ８
随 着船舶 、化 工设 备 、大 型 电站 动力 设备 、航 空 航 天和 国 防建 设 的发 展 ，对 于轴 承尤 其是 大 型轴 承的 需 求大 量增 加 ，对 其 质量要 求 也不 断提高 。传 统 的环
Ｓ
＜０ ０ ５ ． ３
点 。利 用环形 铸 坯直 接辗 扩成形 省去 了传 统工 艺 中的
冲孔 工 序 ，可 节 约材 料 ２ ％ 一３ ％ ；省 去 了锻 坯 工 ０ ０ 序 ，减 少 了坯料 加热 次数 ，具 有生 产效 率高 、节 约能
源和人 力 、有利 于节 能减 排及 清洁生 产 等优点 ，是 一
除 了铸件缩孔 、缩松等缺 陷，实现 了内部组 织致 密。优化工 艺的模拟分析 结果 与实验 生产结果相 吻合 ，在保
证铸件质量 的前提 下，节 约 了金属材料 ，降低 了成本 ，缩短 了工期 ，提高 了生产效率。 关键词 ：大型轴承环件 ；数值模拟 ；砂型铸造 ；缺 陷
中 图 分 类 号 ：Ｔ ２ ２ Ｇ４ 文 献 标 识 码 ：Ａ
第 ５期（ 总第 １８期 ） ６ ２１ ０ １年 １ 月 Ｏ
机 械 工 程 与 自 动 化
ＭＥＣ ＨＡ ＣＡＬ ＥＮＧ ＮＥ Ｊ Ｇ ＆ ＡＵＴ ＮＩ Ｉ ＥＲ Ｎ ＯＭＡ Ｉ Ｔ ＯＮ
Ｎｏ ５ ． Ｏｃ． ｔ
文章 编号 ：６ ２６ １ （ ０ １ １．Ｏ ４０ １７ —４３ ２ １ ）０ ＯＯ ．３
进行实体网格划分 ，网格总数共计 ６９２８ ８ ７ 。模拟参
数为 ：Ｚ ４ ＣＭ 的热物性参数采用 Ｐｏａｔ Ｇ ２ｒ ｏ ｒｃｓ 自行计算
的结 果 ，并 稍 加修 正 ；水 玻璃 砂造 型 ，铸件 与 砂箱 间
＊国家 自然 科学基金 资助项 目 （ １７ ２０） ５０ ５ ９ ；山西省科技 攻关项 目 （０ ０ ３ １８ ） ２ １０２ ０ ３ 收稿 日期 ：２ １一４０ ０ １ｏ —６；修 回日期 ：２ １—４ ２ ０ １０ —８
图 １ 铸 造 工 艺 示 意 图
裂纹 、气孔 等缺 陷 。本 文采 用 Ｐｏａｔ 造 模 拟 软 件 ｒｃｓ铸 对材 质为 Ｚ ４ ＣＭｏ Ｇ ２ ｒ ，几 何尺 寸 为 ６２ｍ × １６ ２ ｍ ８ ｍ × ８ ｍ，重约 ４ １ｋ ｍ １６ｍ ０ ｇ的大型轴 承铸 钢环 件进 行 数值 模拟 分析 ，从 而为 铸辗 复合成 形 技术 的实 现提供