前轴承座上半铸件铸造工艺方案设计与模拟优化.pdf
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1、第 1 期图 1铸件三维结构示意图前轴承座是汽车前悬架系统的一个重要组成部分,通常被安装在车身底盘上方,用于支撑和固定前车轮转动的轴承。此外在航空领域,飞机的起落架上,也需要使用前轴承座来支撑和固定飞机的轮子1。前轴承座的作用是保持车轮和悬挂系统连接稳定,提供车轮支撑和运动的轴承支持,从而使车辆行驶更加平稳和舒适。前轴承座通常具有足够的强度和刚性,可以承受车辆行驶过程中的各种力和负荷2。灰口铸铁是一种常用的铸造合金材料,具有易于铸造、机械性能良好的特点,适用于承受中小负载和冲击的场合,抗震性能好、可加工性好和成本低等优点,适用于零件和模具制造、汽车零部件和机械结构等领域3。前轴承座主要起到连接
2、的作用,受力情况复杂,为了保证该零件具有良好的综合性能,铸造时应避免缩松缩孔、气孔、夹砂等缺陷的产生4。本文将以 HT-250 灰口铸铁为铸造材料,通过分析铸件的结构特点,对轴承座前半铸件的浇注系统、冒口、冷铁等部位进行设计。利用铸造模拟软件 ProCAST 对浇注过程中的金属液充型、凝固传热以及缩松缩孔缺陷进行模拟分析。综合考虑铸件的结构特性,并对浇注系统进行多次优化。通过分析模拟结果,不断优化冒口、冷铁尺寸和位置,最终达到预防和消除缩孔缩松等铸造缺陷的目的。1零件工艺性分析前轴承座上半支撑轴承,固定轴承外圈的三维结构实体图如图 1 所示。外形尺寸为 1085 mm伊810 mm伊380 m
3、m,最大壁厚为 150 mm,最小壁厚为 20 mm,净重 566 kg。腔体结构复杂,金属液充型较为困难,且部分结构转折处壁厚差较大,容易前轴承座上半铸件铸造工艺方案设计与模拟优化杜孙毅,高金桥,蔡嘉楠,杨弋涛(上海大学 材料科学与工程学院,上海 200444)摘要:前轴承座上半属于壳体类构件,两侧对称,但壁厚不均匀,材质为 HT250。分析铸件结构特点,制定了分别从轴承座底面和顶面浇入的两种底注式浇注方案,分型面皆在轴承座底面。通过数值模拟对两种方案的温度场、速度场、缺陷等进行分析可知,从轴承座顶面浇入的缺陷较大且不利于消除,故选择从轴承座底面浇入的方案,并对此方案进行优化处理。针对铸造过
4、程中产生的缩凹、缩松、缩孔等缺陷,分别增设了冒口、冷铁并进行优化。最终使铸件中的缺陷几乎全部消除,较大的缺陷均集中在浇注系统中,对铸件无影响。关键词:铸造工艺;灰铁件;浇注系统;冒口;数值模拟中图分类号:TG242文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1006-9658.2024.01.009文章编号:1006-9658(2024)01-0035-09第 59 卷 第 1 期Vol.59 No.1CHINA FOUNDRY MACHINERY&TECHNOLOGY2024 年 1 月Jan.2024收稿日期:2023-08-28;修订日期:2023-09-29作者简介:杜孙毅(1
5、999),男,在读硕士,主要进行外场强化锌电解液净化研究以及铸造工艺优化的机理研究。E-mail:35-第 59 卷产生热节。注油孔为细长的弧形空腔,使得砂芯在金属液充型时容易损坏。零件整体结构相对对称,上下大平面均为重要加工面。技术要求铸件不允许有影响使用性能的缩孔、缩松、气孔、夹砂等缺陷。前轴承座上半属于中型铸件,小批量生产,采用手工造型生产方式5。为确保铸件有较高的尺寸精度和表面质量,造型材料选用粘结强度大、耐热性好、发气量较小的呋喃脲醛树脂砂。根据铸造技术要求,铸造工艺的参数选择如下:尺寸公差等级为 CT13,机械加工余量为 G,铸件收缩率为 0.9%,浇冒口的切削余量选为 3 mm,
6、依据铸件的质量和壁厚以及工艺手册,查得铸件冷却时间为 1 h6。2铸造工艺设计及分析2.1浇注位置及分型面选取根据铸件的特点,我们确定了两种浇注位置和分型面,如图 2 所示。通过分析对比以上两种方案可以了解到它们的不同特点:方案一可以很好的保证轴承槽的精度,方便合型,充型平稳,可避免浇不均的现象。缺点是轴承底座在上面,导致表面精度不高,因此需要增加加工余量最后进行加工。且底部有较多厚壁,容易形成热节。方案二将轴承座底面放置在底部,保证轴承座底面的精度,并且可以防止产生砂眼、气孔、夹渣等缺陷。缺点是合型的时候需要翻转上砂箱,容易对砂型造成损坏。考虑到方案一在凝固时的型腔上窄下宽,不利于补缩,容易
7、形成热结和缩松缩孔,且用大量外加冷铁也无法较好地消除这些缺陷,故决定选择方案二的浇注方式。2.2浇注系统设计2.2.1浇注系统类型的选择浇注系统不仅承当金属液充型通道的作用,而且要保证金属液充型时流动平稳,排气通畅,便于挡渣,并有利于调节金属液凝固的温度场,减少铸件的凝固缺陷7。结合浇注系统设计的原则,初步设计的方案如图 3 所示。采用底注式浇注系统,其特点是内浇道基本上在充满状态下工作,充型平稳,可避免金属液发生激溅、氧化及由此而形成铸件缺陷6。浇注系统类型采用半封闭式浇注系统,既有一定的挡渣能力,又能保证适中的金属液流速,适用于各类灰铸铁件。对于中型灰铁件,根据 铸造工艺设计手册8各浇道的
8、截面积比选取为 撞A直:撞A横:撞A内:=1:1.25:0.83。2.2.2阻流截面的计算根据 铸造工艺设计手册8,对于浇注重量在1000 kg 以下的中、大型铸铁件,可按式(1)计算:t=S1啄GL3姨(1)式中:t 为浇注时间,单位 s;啄 为铸件平均壁厚,单位 mm(对于结构复杂的铸件,啄 取主要部分的图 3浇注系统示意图图 2两种浇注位置和分型面分型面分型面(a)方案一(b)方案二36-第 1 期杜孙毅,等:前轴承座上半铸件铸造工艺方案设计与模拟优化壁厚);S1为系数,一般情况下,取 S1=2,当有外、内冷铁而需快浇时,取 S1=1.71.98;GL为铁水重量,单位 kg。最终计算得出
9、浇注时间为 43 s。直浇道要有最低高度,以形成足够的压力,使铸件轮廓清晰,避免浇不到。直浇道高度通常与上型高度相等,可用压力角来检验上型高度是否足够。参考 铸造工艺设计手册8最小剩余压头(上型高度)HM的计算:HM=Ltan琢(2)式中:L 为金属液的流程,即铸件最高最远点至直浇道中心线的水平距离,单位 mm;琢 为压力角,单位(毅);HM为最小剩余压头(上型高度),单位mm。最终计算得出上砂箱到铸件顶面的高度应大于 170 mm,静压头 Hp为 360 mm8。使用阻流截面设计法,根据奥赞公式8计算浇道最小截面积:Ag=G籽t滋2gHp姨(3)式中:Ag为浇注系统最小断面积,单位 cm2;
10、G 为流经阻流截面处的金属液总质量,单位 kg,取700;籽 为金属液密度,单位 g/cm3,取 7.2;t 为充型总时间,单位 s,取 43;滋 为充填全部型腔时,浇注系统阻流截面的流量系数,取 0.58;Hp为充填全部型腔时的平均计算压力头,单位 cm,取 36;g为重力加速度(981 cm/s2)。将参数带入公式可得 Ag为 17 cm2。2.2.3各浇道尺寸设计根据 铸造工艺设计手册8,各浇道的截面比分别为 撞A直:撞A横:撞A内:=1.2:1.5:1,可得直浇道的面积 20.4 cm2,小径取 50 mm,大径取 62 mm,长度约为 600 mm。横浇道的总面积为 25.5 cm2
11、,设有两条梯形横浇道,一条的面积为 12.75 cm2。内浇道的总面积为 17 cm2,设有 4 条梯形内浇道,一条的面积为 4.25 cm2。2.2.4浇口杯设计浇口杯分为漏斗形和池型两大类,本次工艺采用池型浇口杯8,浇口杯二维图如图 4 所示。浇口杯的容量为 125 kg,相应尺寸为:A=450(mm);B=250(mm);I=130(mm);H=185(mm);H1=20(mm);d=60(mm);a=25(mm);R=40(mm);R1=25(mm);H2=65(mm)。3铸造工艺方案的模拟及分析本次工艺采用了 UG 三维建模软件进行了实体绘制,导入 ProCAST 中进行面网格和体网
12、格的划分,在修正无误后,铸件模型 2Delements 数为120164,3Delements 数为 2272604。浇注温度为1350 益,浇注时间为 43 s。3.1模拟结果及分析3.1.1充型过程对原始铸件进行充型过程模拟,充型速度场如图 5 所示。从图 5a 和图 5b 可以看出铁液在1.9 s 左右进入铸件,在 10 s 左右铺满铸件底部,充满整个型腔的时间为 43 s。本次设计浇注方式为双侧底注,但在最开始的时候铸件两边是分开的,在金属液进入后没有产生两边的对流。铁液在中间圆环处产生了对流,如图 5c 所示,但这时的流速相对比较稳定,液面开始平稳上升,所以不会造成很大的影响。图 5
13、d 可以发现,气体全部集中到了铸件顶部,主要由型腔里的空气组成,后期可图 4浇口杯二维图ABald37-第 59 卷以加设冒口或者排气针予以解决9。铸件在充型过程的温度场变化如图 6 所示。图 6a 可以看出铸件在充型过程中顶部薄壁部分温度较低。因为方形孔及底座冷却效果较好,导致中心部分最后冷却,故方形孔与铸件底座的中间部分产生了过热区域。由图 6b 的温度分布可以看出,整个铸件冷却的趋势是从右到左,从下到上。可根据其凝固趋势进行最后优化。3.1.2凝固过程缺陷分析底注式浇注缺陷主要存在于四处地方,如图7 所示第一是顶部右边三块小凸台处,第二是顶部较厚凸台处,第三是铸件侧边孔和底座中间过热处,
14、第四是浇注系统处。计算得到缩孔体积占总体积的 0.48%。铸件顶部较厚,铁液未能及时补缩,存在凹陷现象,且为最后凝固部分,存在热节,如图 8 所示。可通过增设冒口解决收缩问题,同时解决气体排出以及顶部凹陷现象10;底部两侧增设冷铁,加速冷却。3.2第一次优化3.2.1冒口初步设计与计算冒口尺寸计算公式如下:MC=VCAC(4)式中:MC为设置冒口部位的铸件的模数,VC为冒口颈处铸件体积,AC冒口颈处散热面积。dR=(1.482.5)MC(5)式中:dR为冒口颈直径,MC为设置冒口部位的铸件的模数。2.5482.3782.2082.0381.8681.6991.5291.3591.1891.01
15、90.6490.5790.5100.3400.1700.000Fluid Velocity-Magnitudemisec3.72.5482.3782.2082.0381.8681.6991.5291.3591.1891.0190.6490.5790.5100.3400.1700.000Fluid Velocity-Magnitudemisec3.7Stop No/Time Step:710/6.027e-02Simlfated Time:21.2442 secPatcent Filed:51.2Fraction Solid:0.8zxyzxyStop No/Time Step:1110/3.0
16、27e-01Simlfated Time:42.2695 secPatcent Filed:100.0Fraction Solid:1.1ProCASTProCAST2.5482.3782.2082.0381.8681.6991.5291.3591.1891.0190.6490.5790.5100.3400.1700.0002.5482.3782.2082.0381.8681.6991.5291.3591.1891.0190.6490.5790.5100.3400.1700.000Stop No/Time Step:160/1.797e-02Simlfated Time:1.9109 secP
17、atoent Filed:4/5Fraction Solid:0.0Stop No/Time Step:470/3.880e-02Simlfated Time:11.1437 secPatoent Filed:26.9Fraction Solid:0.3ProCASTProCASTzxyzxyFluid Velocity-Magnitudemisec3.7Fluid Velocity-Magnitudemisec3.7(a)2 s(b)25 s(c)51 s(d)100 s图 5铸造充型速度场38-第 1 期按 铸造工艺手册 的灰铁件顶明冒口设计原则,如图 9a所示,通常取 DR=(1.552
18、.0)dR。和 HR=(24)DR作为冒口的尺寸8。如图 9b 所示,在左侧凸台处设置三个冒口,每个冒口 DR约为 60 mm,HR为 182.16 mm。在右侧凸台处设置一个冒口,冒口 DR约为 60 mm,HR为 181 mm。凝固时,物体的体积越大、散热面积越小,模数就越大,凝固时间越长。因此采用 4 个直径为60 mm,高 181 mm 的冒口,如图 9 所示。3.2.2冷铁的位置设计根据初步模拟结果的分析,冷铁设计的位置为铸件两侧方形孔与轴承底座的中心部位,此处图 8底注式浇注缩凹示意图ProCASTProCAST100.0093.3386.6780.0073.3366.6760.0
19、053.3346.6740.0033.3326.6720.0013.336.670.00Stop No/Time Step:10240/1.000e+00Simlfated Time:9165.2842 secPatoent Filed:100.0Fraction Solid:100.0Total Shrinkage Porosity%3.7zxy100.0093.3386.6780.0073.3366.6760.0053.3346.6740.0033.3326.6720.0013.336.670.00Stop No/Time Step:7990/1.000e+00Simlfated Time
20、:6915.2847 secPatoent Filed:100.0Fraction Solid:97.4Cutoff between:0/0.9Total Shrinkage Porosity%3.7zxy100.0093.3386.6780.0073.3366.6760.0053.3346.6740.0033.3326.6720.0013.336.670.00Stop No/Time Step:10000/1.000e+00Simlfated Time:8925.2842 secPatoent Filed:100.0Fraction Solid:99.9Cutoff above:2zxyzx
21、yTotal Shrinkage Porosity%3.7100.0093.3386.6780.0073.3366.6760.0053.3346.6740.0033.3326.6720.0013.336.670.00Total Shrinkage Porosity%3.7Stop No/Time Step:10000/1.000e+00Simlfated Time:8925.2842 secPatoent Filed:100.0Fraction Solid:99.9Cutoff above:2ProCASTProCAST图 7底注式浇注缩松缩孔缺陷示意图1350.01261.31172.710
22、84.0995.3906.7818.0729.3640.7562.0463.3374.7286.0197.3106.720.0Stop No/Time Step:1570/1.000e+00Simlfated Time:495.2845 secPatoent Filed:100.0Fraction Solid:39.4zxyzxyTemperature益3.7ProCASTProCASTTemperature益3.7Tliq 1220.5Tsol 1146.11350.01261.31172.71084.0995.3906.7818.0729.3640.7562.0463.3374.7286.
23、0197.3106.720.0Tliq 1220.5Tsol 1146.1Stop No/Time Step:9300/1.000e+00Simlfated Time:8225.2842 secPatoent Filed:100.0Fraction Solid:89.4(a)495 s(b)8225 s图 6铸造充型温度场杜孙毅,等:前轴承座上半铸件铸造工艺方案设计与模拟优化39-第 59 卷设置冷铁可以改善铸件的凝固顺序,力求铸件产生一个自下而上的顺序凝固,在重力的作用下能够得到上方的金属液补缩,形成致密的组织,保证铸件探伤部位的质量11;其次,在这个部位设置冷铁,使得该处金属液受到激冷作用
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