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加工中心滑枕鑄造工藝數(shù)值模擬與優(yōu)化
閱讀：64 發(fā)布時(shí)間：2020-8-11伯特利數(shù)控 加工中心 鉆攻中心
前言：
滑枕是大型加工中心上的_個(gè)重要部件，對(duì)加工中心整體精度、性能起到了決定性的作用。對(duì)于大型CNC加工中心滑枕的材質(zhì)一般使用球墨鑄鐵。由于球墨鑄鐵共晶凝固時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，易造成外売相對(duì)薄弱，在二次膨脹過程中，容易造成滑枕出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷[11。研究中針對(duì)滑枕實(shí)際鑄造中出現(xiàn)的缺陷，通過ProCAST進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，得到加工中心滑枕的鑄造工藝，為同類大型球墨鑄鐵件的鑄造加工提供參考借鑒。
1.1滑枕材料
本研究中滑枕鑄件的材料為QT600-3，滑枕材料具體成分如表1。
| 表1滑枕材料成分W (%) Tab.l The composition of slippery pillow
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1.2滑枕結(jié)構(gòu)
加工中心滑枕整體為箱體式結(jié)構(gòu)，外部輪廓尺寸為3 942 mmx545 mmx492 mm，平均壁厚 92 mm，中間具有多道筋板，厚度不一，且外壁有多個(gè)窗口結(jié)構(gòu)，整個(gè)鑄件形體龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜'鑄件結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1。
2.1鑄件缺陷分析
滑枕結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于復(fù)雜大型球墨鑄鐵件。原鑄造工藝設(shè)計(jì)為雙排內(nèi)澆道立澆底注澆注方式，并設(shè)計(jì)楔形明冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，冒口頸尺寸設(shè)計(jì)較小，并放置數(shù)量較多冷鐵提高冒口頸凝固速度，達(dá)到通過石墨化膨脹補(bǔ)縮的目的，澆注系統(tǒng)采用先開放后封閉形式，內(nèi)、橫、直澆道面積比為1.3:15.7:1，內(nèi)澆道設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，尺寸為23mmx50mm。鑄造工藝方案設(shè)計(jì)如圖2。
2.2鑄件缺陷分析
在實(shí)際生產(chǎn)中，此加工中心滑枕經(jīng)過磨削加工后，在鑄件表面有較多孔洞缺陷出現(xiàn)，整個(gè)孔洞外形并不規(guī)則，內(nèi)部成灰色，顯然這種孔洞并非氣孔。根據(jù)孔洞內(nèi)部的化學(xué)成分分析，其內(nèi)部氧、硅含量較高，球化過程中有些上浮不及時(shí)的夾雜物將直接影響后石墨形成。同時(shí)，夾雜物也會(huì)阻礙鐵液流動(dòng)與補(bǔ)縮效果，致使縮松、縮孔缺陷出現(xiàn)。因此，現(xiàn)有鑄造工藝存在問題，需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。
針對(duì)鑄造工藝方案，通過建立有限元模型后，使用數(shù)值模擬軟件ProCAST對(duì)鑄造工藝進(jìn)行模擬w，通過ProCAST軟件對(duì)初始工藝生產(chǎn)鑄件的縮松縮孔模擬結(jié)果如圖3。
從模擬結(jié)果（圖3)分析，該工藝設(shè)計(jì)中鑄件壁與筋板的交接處出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的縮松缺陷，模擬結(jié)果也驗(yàn)證了實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題。根據(jù)分析，球墨鑄鐵件依靠自身石墨化膨脹抵消液態(tài)與凝固收縮效果甚微。當(dāng)鑄件龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，澆注溫度受到鑄件長(zhǎng)度的影響會(huì)出現(xiàn)較大的梯度，同時(shí)凝固無法實(shí)現(xiàn)，由此內(nèi)澆道與冒口的補(bǔ)縮作用尤為重要。
4.1工藝優(yōu)化
(1) 冒口優(yōu)化原設(shè)計(jì)中冒口采用明鴨嘴冷冒口的設(shè)計(jì)形式，為提高冒口頸的冷卻效果，冒口頸鑄件下部放置了大量冷鐵，從實(shí)際效果看，這種方式雖阻止了冒口的先行凝固，但也使冒口失去了補(bǔ)縮作用。由此優(yōu)化設(shè)計(jì)中還是首先考慮冒口的補(bǔ)縮作用，將冒口改為圓形暗冒口，頂部設(shè)計(jì)為半球形，并增大冒口模數(shù)，加大冒口高度與冒口頸尺寸，保證冒口頸晚于鑄件凝固，形成從下至上的補(bǔ)縮梯度，提高冒口補(bǔ)縮效果，改進(jìn)后效果如圖4所示。
針對(duì)優(yōu)化后的方案使用ProCAST軟件安裝同樣參數(shù)設(shè)置進(jìn)行縮松縮孔缺陷模擬，由模擬結(jié)果分析，縮松缺陷依然存在，改進(jìn)效果不夠理想。進(jìn)—步分析，其原因?yàn)槊翱陬i下部冷鐵數(shù)量較多，過早切斷補(bǔ)縮通道所致，因此對(duì)冷鐵布置做進(jìn)一步優(yōu)化。
(2)冷鐵布置優(yōu)化原設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，將冷鐵主要布置在厚重位置，在冒口頸、內(nèi)澆道上部冷鐵數(shù)量較多，根據(jù)分析，冒口頸位置的冷鐵導(dǎo)致冒口頸快速凝固致使補(bǔ)縮通道被過早阻斷，導(dǎo)致了鑄件補(bǔ)縮效果不佳。因此采用了適當(dāng)減少原設(shè)計(jì)中冒口頸部位冷鐵的數(shù)目，并將冷鐵位置適當(dāng)向下調(diào)整的方式進(jìn)行優(yōu)化，冷鐵優(yōu)化方式如圖5所示。