液壓后蓋鑄造工藝優化及MAGMA模擬分析*

周正壽

(1.江蘇恒立液壓股份有限公司,江蘇 常州 213164;2.江蘇恒立液壓股份有限公司常州鑄造分公司,江蘇 常州 213164)

砂型鑄造是一種環保、工藝簡單且成本低的工藝,廣泛應用在制造行業中。砂型鑄造是鐵水通過澆注系統進入砂型模具中,成型出不同形狀的鑄件的工藝方法[1-3]。

挖掘機是工程機械主力機種之一,大中小型挖掘機廣泛應用于基礎設施建設、農業生產和搶險救災等多個領域[4-5]。其中,挖掘機中的液壓后蓋是提供挖掘機動力的關鍵零部件之一[6]。但是在實際生產液壓后蓋鑄件時,產品經常出現砂眼、縮孔和縮松等缺陷,由此導致產品合格率低。

針對液壓后蓋鑄件生產時存在的上述不足,本文基于鑄造CAE技術[7-10],采用MAGMA模擬軟件,對原工藝方案進行模擬,分析原工藝鑄造缺陷產生的原因,引入全新的優化工藝方案來改善鑄件品質。

1 試驗材料與方法

1.1 產品結構分析

液壓后蓋鑄件結構示意圖見圖1,尺寸為160 mm×130 mm×50 mm,重量約5.3 kg。鑄件整體結構勻稱,為了減輕鑄件重量,實現輕量化,局部進行了省料處理。此鑄件主要有后蓋主體和內部兩個油口組成,需要通過砂芯成型內部結構。該鑄件屬于挖掘機用液壓件,主要承擔挖掘機運動過程中的振動載荷,故該鑄件對強度和內部質量有很高的要求。

根據液壓件技術要求:該鑄件使用KW靜壓全自動造型,公差按照GB/T 6414—2017標準中CT8級執行,鑄件內部不允許出現縮松、縮孔和夾砂等缺陷。

1.2 后蓋成分和性能要求

鑄件采用QT450-10,強度及延展性好,具體成分及性能要求如表1和表2所示。

表1 液壓后蓋鑄件化學成分要求w(%)

表2 液壓后蓋鑄件性能要求

1.3 試驗方法

試驗條件:將一定比例的原材料(生鐵+廢鋼+回爐料)放入電爐中進行熔煉,熔煉溫度1490～1520 ℃。熔煉完成后出爐澆注,澆注溫度1360～1370 ℃,鑄件保溫2～3 h后開箱,鑄件完全冷卻后進行后處理。

在液壓后蓋上截取試塊,用于檢測金相和性能情況。采用顯微鏡檢查鑄件內部石墨形狀;用拉伸機測試抗拉強度。采用硬度機檢測鑄件硬度,測試3個點,取平均值。此外,通過對鑄件進行內部解剖,判定內部質量。

2 液壓后蓋鑄件的原方案分析與討論

2.1 液壓后蓋鑄件原設計方案

圖2為液壓后蓋鑄件原工藝布局圖。分析整體結構,為了保證鑄件加工后有良好的外觀,使加工面(出油口面)在頂面,即使產生浮渣也被加工掉。從圖2可見,采用1箱4件進行排布,1個冒口補縮兩個鑄件。為了保證冒口始終處于熱狀態和最后凝固效果,采用冒口入水的澆注方式。此外,需要通過增加冷鐵來加大冒口的有效補縮范圍。整個澆注系統重量52 kg,澆注時間8 s。

圖2 液壓后蓋鑄件原工藝圖

2.2 液壓后蓋鑄件原設計方案模擬

為了分析原方案是否存在鑄造缺陷的風險,采用MAGMA軟件進行模擬分析,可視化的模擬整個工藝過程。首先將工藝圖中各個零件分別轉為STL格式導入模擬軟件系統;然后進行材料定義,再進行網格劃分;最后進行數據模擬,相關參數如表3所示。

表3 模擬參數設置

由圖3凝固模擬可見,鑄件在最后凝固階段,鑄件與冒口之間出現斷流現象,鑄件得不到足夠的鐵水進行補縮。由圖4縮松模擬可見,鑄件內部在剩余液相部位有縮孔,存在質量問題,實際生產時存在8%的廢品。對原模擬結果進行補充說明,分析可得,原工藝處在臨界狀態,當鐵液配制比較好時,無縮松;當鐵液不好時,可能會出現縮松,工藝保險系數不高。

圖3 原工藝各時間段凝固過程

圖4 鑄造縮松模擬

3 液壓后蓋鑄件的優化設計方案分析與討論

3.1 液壓后蓋鑄件的優化設計方案

針對原工藝方案的不足,結合產品內部不能有縮松、縮孔等缺陷的技術要求,提出了優化工藝思路:1) 調整冒口位置,把冒口放在鑄件熱節正上方,利于鑄件的補縮,增加冒口的補縮效果;2)取消原工藝冷鐵,具體優化工藝見圖5。

圖5 液壓鑄件優化后工藝圖

3.2 液壓后蓋鑄件優化設計方案模擬

采用MAGMA軟件對改進后的工藝進行模擬分析。圖6(a)-(b)為優化工藝的充型過程,可以看出鐵水進入型腔的速度小于1 m/s,說明流速平穩。此外,從圖可以看出,內澆道被鐵水充滿,使得氣體無法進入型腔,保證得到合格的鑄件。圖6(c)-(d)為最后凝固階段,鑄件先凝固完成,冒口最后凝固,達到鑄件完全得到冒口補縮的目的,且沒有出現斷流現象。

圖6 優化工藝充型與凝固過程

圖7為優化后的縮松模擬,從圖可知,鑄件內部并無獨立的液相區,所有液相區均在冒口內部,再次表明鑄件內部無鑄造缺陷。

圖7 優化后補縮系統模擬

3.3 液壓后蓋鑄件優化方案實際生產與品質分析

采用優化方案生產鑄件。如圖8(a)所示,液壓后蓋鑄件解剖后,通過對鑄件進行PT檢驗,在鑄件內部沒有發現鑄造缺陷。此外,對鑄件的性能和材質進行取樣檢驗,均符合該材質性能要求,如表4和圖8(b)所示。通過實施改善后的方案,鑄件質量得到保證,鑄件整體廢品率低于0.8%。

表4 液壓后蓋鑄件性能

圖8 優化后的鑄件和冒口解剖圖

4 結論

采用MAGMA模擬分析軟件分析了側冒口和頂冒口補縮方案,最后采用優化后的頂冒口方案進行批量生產。

采用優化后的方案,鑄件內部無鑄造缺陷,且性能滿足要求,鑄件廢品率從8%降低到0.8%。

(3)采用優化工藝生產的液壓后蓋鑄件,產品實際品質與模擬結果相符。