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挂舵臂铸造成形过程的计算机模拟
摘 要
介绍了铸造过程数值模拟技术的一些基本的原理和应用。采用华铸cAE软件对大型铸钢件挂舵臂的铸造成形过程温度场进行模拟。选用了Solidworks三维造型软件生成铸件以及冒口、浇注系统、冒口套、冷铁等工艺参数的三维实体模型，并导出STL格式文件作为接口文件，然后用华铸软件进行模拟计算处理。模拟结果作为改良挂舵臂铸造工艺的依据，在挂舵臂肋板热节处设置冷铁来提高凝固速度，在冒口上加设保温冒口套来提高冒口的金属液补缩能力。通过对凝固过程温度场的模拟分析，优化了原始工艺。利用计算机模拟技术，判断铸造工艺的合理性，辅助完成工艺优化的方法，能够彻底克服传统工艺设计方法的缺点，提高设计质量，缩短试制周期，降低生产成本。
将模拟优化后的工艺用于中信重机公司铸锻厂的实际生产中，结果表明：通过合理设置冒口、冷铁的位置和大小，合理选择浇注系统及分型面，可以控制冶炼和热处理工艺，保证铸件符合顺序凝固的原则，生产出组织致密、性能优良、各项指标达到用户要求的优质挂舵臂铸件。
关键字：挂舵臂，华铸cAE，缩孔，工艺优化
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分型面在挂舵臂舵轴孔下540mm处。
3. 浇注系统的选择
侧立状态的挂舵臂高度较大（5639mm）、曲面型侧面壁厚较小（最小处100mm）而且曲面型侧面围成的“筒形”中还有两个大肋板。采用顶注式，充型不平稳，易造成冲砂缺陷。采用底注式，充型后金属的温度分布不利于顺序凝固和冒口补缩，高大薄壁铸件易形成浇不到、冷隔。中间注入式适用于高度不大、中等壁厚的铸件。而结构正确的阶梯式浇注系统，金属液首先由底层内浇道充型，液面自下而上地、顺序地流经各层内浇道，充型平稳，型腔内气体排出顺利[4]。充型后，上部金属温度高于下部，有利于顺序凝固和冒口补缩，铸件组织致密。利用多内浇道，还可减轻内浇道附近的局部过热现象。故经过分析各浇注系统优缺点及分型面的选择位置，采用三层阶梯浇道。如图1-4所示，其具体尺寸如下：采用4道φ140mm直浇口，分别布置在大、小端头的两端；横浇口采用φ120~φ140mm过渡，长向上将直浇口接通，横向上仅需将底层直浇口接通，内浇口三层，每侧均布6道φ100mm，上层在分型面下300mm处，下层平行于底部轮廓高出约100mm。
图1-4 浇注系统（绿色）
4. 冒口的设置
挂舵臂铸件热节部位主要在两个加工轴孔及筒体与侧向伸出部分交接处（脊梁处），具体的预测过程将在下章进行说明。热节圆能反映出铸件冷却快慢，热节圆愈大，冷却愈慢，热节圆愈小，冷却愈快。根据热节大小及补缩距离计算设置冒口，如图1-5所示，具体尺寸如下：在大头舵轴孔上处设置1－φ900mm明冒口，浇高为1600mm；在小头轴孔处设置1－φ900mm的明冒口，浇高为1920mm；脊
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梁处冒口，沿筒体长度方向，以大头舵轴内表面为基准，设置四排暗冒口，其间距分别为：940mm、1250mm、1100mm、1910mm，大小分别为2－φ400mm、2－φ400mm、2－φ500mm、2－φ500mm，φ400mm和φ500mm的浇高分别为：310mm和440mm。φ900mm的明冒口用厚度为110mm的保温冒口套，φ400mm和φ500mm的暗冒口保温套厚度分别为65mm和70mm。
图1-5 挂舵臂冒口设置
5. 挂舵臂工艺模型
由于挂舵臂铸件结构复杂、形状特殊，几乎所有面均为曲面，且每个断面尺寸均不相同，传统的手工绘制或着简单的二维造型不能满足要求。利用三维造型软件Solidworks将初始工艺图转化为三维图，形成工艺模型如图1-6所示。
图1-6 工艺模型
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第二章 挂舵臂缩孔、缩松等缺陷的研究
挂舵臂的成形过程是将液态金属在重力或外力作用下充填到型腔中，待其凝固冷却后，获得所需形状和尺寸的零件的方法，即金属液态成型（铸造）。液态金属浇入铸型后，铸型的吸热，金属温度下降，空穴数量减小，原子间距缩短，液态金属的体积减小产生液态收缩[5]。温度继续下降，液态金属凝固，发生由液态到固态的状态变化，原子间距进一步缩短，进行凝固收缩。金属凝固完毕之后，在固态继续冷却时，原子间距还要缩短，产生固态收缩。而在凝固过程中所产生的收缩是铸件中许多缺陷如缩孔、缩松、应力、变形和裂纹等产生的基本原因。所以挂舵臂的生产过程中很可能会产生缩孔、缩松、裂纹、应力和变形缺陷。本章重点研究缩孔和缩松缺陷的产生与防止。
§2.1 缩孔、缩松产生的原因和过程
在铸件最后凝固的部位，液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足，则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。集中在铸件上部或最后凝固部位、容积较大的孔洞称为缩孔，缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗糙[6]。分散在铸件某些区域内的细小缩孔称为缩松。
缩孔的形成主要出现在恒温或温度范围很窄的结晶金属，铸件壁呈逐层凝固方式的条件下。缩孔容积较大，多集中在铸件上部和最后凝固的部位。如图2-1为圆柱体铸件缩孔形成过程。
图2-1 缩孔形成过程
缩松形成的基本原因和缩松一样，是由于合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。但是形成缩松的基本条件的结晶温度范围较宽。结晶温度范围较宽，液
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态金属的过冷度小，容易发展成为树枝发达的等轴晶，倾向于糊状凝固方式[7]。在糊状凝固方式的合金中或断面较大的、以糊状凝固的铸件壁中，枝晶长到一定程度使熔融金属被分离成彼此孤立的状态，它们继续凝固时也将产生收缩，这时铸件中心虽有液体存在，但由于树枝晶的阻碍使之无法补缩。所以在凝固后形成许多微小的孔洞，缩松形成过程如图2-2所示。缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方。
图2-2 缩松形成过程
§2.2 挂舵臂生产中缩孔、缩松等缺陷的产生
挂舵臂用于大型远洋船舶使得挂舵臂铸钢件内若存在微量的缩松、缩孔、裂纹、夹杂等缺陷都可能对船舶的运行带来巨大的危险，所以挂舵臂铸件不但重量大，内部质量要求还很高。下文就对挂舵臂生产过程中所形成的缩孔、缩松缺陷进行分析。
铸件在凝固过程中，除纯金属和共晶成分合金外，断面上一般存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区（如图2-3）。铸件的质量与凝固区域有密切关系。碳钢结晶过程有一定结晶间隔，所以结晶过程不可避免存在固相和液相同时并存区域，这一区域称为“凝固区域”。凝固区域范围越大，就愈易形成等轴晶，未凝固液体被隔离开来，补缩就愈不易。这种情况下，铸件容易形成缩松（分散性缩孔）。相反，这个区域越小，愈易形成柱状晶，铸件容易形成缩孔，此时铸件易补缩，质地致密。
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孔位置则集中在最后凝固处。在生产实践中，近似地求集中缩孔位置的常用方法是用“结晶等温线法”和“内切圆法”（如图2-4）。
“结晶等温线法”一般用于形状较为简单的铸钢件。在铸件断面上自冷却表面开始，相应于结晶温度的状况画出与铸件传热方向相垂直的等温线。在同一等温线上各点同时达到碳钢的固相线温度，划分到在最狭小的断面上相接触为止[8]。此时，等温线不相毗连的地方就会有缩孔出现。
图2-4 缩孔位置的确定
近似地求集中缩孔位置的另一种方法是“内切圆法”。所谓“内切圆”，即在铸件上“热节”处所能画出的最大内切球体，通常称为“热节圆”。计算热节圆有两种方法。第一种方法需先在图纸上用1∶1比例画出铸件热节处的形状，然后再画出的内切圆即是热节圆。此法应用较普遍。第二种方法是公式法，用于计算形状规则的热节处，例如铸件中的“T”字形筋，“+”字形筋的热节圆。内切圆直径大于铸件壁厚的部位凝固较晚，叫做铸件的“热节点”。“热节点”由于较厚大，冷却速度小于相邻的铸件壁。“热节点”凝固时如果得不到钢液的补缩，就会在该处形成缩孔。
接下来，结合“内切圆法”的原理和挂舵臂铸件的结构来确定挂舵臂的热节，进而预测缩孔缺陷。由挂舵臂铸件结构可知，大舵轴孔（图2-5 a)）、小舵轴孔（图2-5 b)）与脊梁处（图2-5 c)）存在较大热节。流线型侧曲面的厚度均匀，无厚大热节，可顺序凝固，不易产生缩孔、缩松缺陷。而筋板的根部（图2-5 d)）相对于厚度均匀的侧曲面为热节部位，不易进行顺序凝固，热节处不能得到补缩而形成缩松，影响挂舵臂质量[9]。在生产实际中，挂舵臂的热节确实出现在厚大的壁、厚大的壁和舵轴孔的联接处和筋板的根部。
