提升箱体铸造工艺设计及铸造过程数值模拟.pdf
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1、第 59 卷1零件结构分析提升箱体主要用于石油钻采设备中,材质为ZG25CrNiMo,外形尺寸 1040 mm776 mm933mm,净重 1058 kg,属于易损件。提升箱体三维图如图 1 所示,主要形状特征为回转体,大部分箱壁厚度为 45 mm,局部最厚处 165 mm(不包括外壁凸台),最薄处 30 mm。该零件结构壁厚不均匀,局部位置存在较大热节,在钢液凝固时势必产生缩孔疏松缺陷。因此设计铸造工艺时,在这些厚大热节部位必须设置冒口进行补缩。2工艺方案制定2.1方案一:水平造型、立浇工艺此方案将模型分为上下两半,如图 2 所示,模型制作相对简单,也便于造型和下芯操作。水平造型、下芯后,将
2、铸型竖立起来进行浇注。如前分析,该件结构薄厚不均,厚大部位存在较大热节,必须通过设置冒口进行补缩。为保证铸件组织致密,冒口必须放置在铸件左端或右端,进行补缩,在相应的另一端进行浇注,如图 3 所示。采用这种方案造型时,不管冒口和浇道设置收稿日期:2023-07-24;修订日期:2023-08-19基金项目:甘肃省教育科技创新项目(2022A-141);甘肃省教育厅创新基金项目(2022A-139)作者简介:刘致远(1971),男,博士,副教授,主要从事耐热钢、高温合金、激光熔覆及 3D 打印增材制造研发及铸造工艺设计与模拟工作。E-mail:提升箱体铸造工艺设计及铸造过程数值模拟刘致远,张亮亮
3、(兰州城市学院 培黎机械工程学院,甘肃兰州 730070)摘要:提升箱体材质为 ZG25CrNiMo,主要形状特征为回转体,壁厚不均匀。选择“提环轴孔所在大面朝下,吊耳及厚大侧壁小端面朝上”的工艺方案,上、中、下三开箱造型,分别设置冒口、模型主体、芯头及浇道。冒口采用模数法设计,配合HZCAE11.0 软件分别进行纯温场和充型传热耦合条件下的凝固模拟,确定出 1 个腰形明冒口和 2 个圆柱形明冒口在厚壁端面进行补缩。经多次模拟结果显示,厚大热节部位的缩孔基本消除,铸件中部两壁交接处、底部提环轴孔与内侧壁的交接处仍存在疏松,但已不能通过冒口补缩进行消除。为消除上述缺陷,在底部设置了外冷铁,以实现
4、更好的顺序凝固和补缩。关键词:提升箱体;ZG25CrNiMo;HZCAE;数值模拟;补缩中图分类号:TG242文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1006-9658.2024.01.015文章编号:1006-9658(2024)01-0074-06第 59 卷 第 1 期Vol.59 No.1CHINA FOUNDRY MACHINERY&TECHNOLOGY2024 年 1 月Jan.2024图 1提升箱体三维图图 2提升箱体水平分型74-第 1 期在哪一端,冒口的摆放都特别困难,也很难实现精确定位,不便于工人操作,因此不宜采用。2.2方案二:立坐立浇立坐立浇有两种方案,如图
5、 4 所示,即大面朝上(图左)和大面朝下(图右)。从金属凝固原理可知,铸件从最容易散热的薄壁处开始凝固,厚大热节处最后凝固。2.2.1方案二 A:立坐立浇大面朝上这种方案需要“上、中、下”三开箱造型,如图5 所示。为保证冒口对铸件整体进行有效补缩,尤其是厚大热节部位,初步确定冒口尺寸规格为覬300 mm500 mm,数量为 4 个,均匀分布于上端面,如图 5 所示。选用华中科技大学研发的HZCAE11.0 软件进行铸造过程数值模拟,通过钢液瞬间充型、不考虑流动的纯温场进行凝固模拟,结果如图 6 所示。图 3水平造型、立浇工艺示意图冒口浇道浇道冒口图 4立坐立浇工艺(图左:大面朝上;图右:大面朝
6、下)浇道冒口浇道冒口图 5立坐立浇、大面朝上分型图浇道冒口上中中下刘致远,等:提升箱体铸造工艺设计及铸造过程数值模拟75-第 59 卷通过上图模拟结果发现,当钢液凝固到 572 s时,提升箱体铸件的中下部存在两处明显的孤立区,冒口对此两处起不到显著的补缩作用。当凝固到 3552.41 s 时,提升箱体的上半部分已完全凝固,冒口中的钢液仍较充裕,但在下部热节处形成了显著的集中缩孔,这样势必影响提升箱体的疲劳强度和使用寿命。因此,这种方案不宜采用。2.2.2方案二 B:立坐立浇大面朝下这种工艺方案厚大热节的部位放置在最上面(如图 7 所示),这样铸件下部薄壁部位最先凝固,上部热节可通过冒口实现补缩
7、,实现了顺序凝固,最终得到致密的组织。通过上述对比分析,最终确定大面朝下、小面朝上的立坐立浇工艺方案。3模型及砂芯设计3.1外模外模如图 8,对应的砂型分“上、中、下”三部分,上部为冒口箱,中箱为模型主体,下箱为芯子定位和浇道入口。模型从中间断开,分别向上、向下从中箱中取出。外模有三处需要单独处理。一处是模型顶部端面和凸台上表面之间需要做一个活动垫板,如图 9 所示。造中箱时,垫板和外模合在一起。造上箱时,将垫板去掉,型造好后此处的型砂连在上箱上。固相液相临界固相温度:1481 益凝固经历时间:572.00 s固相液相临界固相温度:1481 益凝固经历时间:3552.41 s图 6立坐立浇、大
8、面朝上的纯温场模拟结果浇道冒口中下上中图 7立坐立浇、大面朝下分型图上中3#3#芯头与外模在此处断开3#2#2#1#中下图 8模型外模图 9铸件上端面与凸台上表面之间的活动垫板垫板76-第 1 期“260 mm210 mm”凸台模型做活块,如图10 所示。主体模型向下取出后,活块从型腔中向里取出。另两处是带方法兰的凸起部分。外模向下取模时此两处必须做成“燕尾槽”活块,并且“燕尾”朝上,斜度 5,活块最薄处厚度取 20 mm,如图11 所示。外模取出后,这两个活块沿径向朝里取出,并保留方孔内型砂。此处方孔型砂与主体 1#芯子方孔型砂对齐,形成凸台方孔完整形状。3.2砂芯3.2.1主体芯子主体芯子
9、如图 12 所示,芯头高 80 mm,斜度5。由于芯子外侧有凸台位置要求,因此此芯头有一个台阶定位,玄高 40 mm,厚 40 mm。凸台内孔在芯子上做出,下芯后与砂型外壁相接。尤其注意凸台方法兰芯头与活块形成的砂型要对齐。3.2.2提环轴孔芯子提环轴孔芯子如图 13 所示。此芯子一件两个,只做一个芯盒。芯头高 40 mm,斜度 5。3.2.3吊耳芯子吊耳芯子如图 14 所示。此芯子一件两个,只做一个芯盒,砂芯各侧壁最薄处厚度 30 mm。外模在此芯与箱体锥面交界处断开,如图 8 所示,便于起模。此凸台模型做活块,向里取出图 10“260 mm210 mm”凸台模型做活块活块沿径向取出凸台方法
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