本文探討了對大型磨臺鑄鋼件的數值模擬與工藝優化相關研究。

　　磨臺是河南焦礦集團為日本三菱公司生產的鑄件，其三維結構和二維剖面示意圖如圖l所示，最大直徑2700mm，高1325mm、質量13t，屬于單件小批量生產。磨臺的質量要求高，工作表面和鑄件內部不得有縮孔和縮松。鑄件在粗加工前后都要用磁粉探傷進行缺陷檢查。在生產中為確保鑄件質量采用保守的生產工藝.將磨臺圓筒壁四周凹陷處全部由機械加工獲得。從而導致生產周期較長，生產成本高等問題。有關技術人員也曾做過工藝改進嘗試。但由于此鑄件屬于單件小批量生產，且質量較大，因此對新提出的鑄造工藝直接作生產驗證成本太高。本文運用ViewCast模擬軟件對磨臺凝固過程進行了模擬計算分析。確定了缺陷的位置.并進一步根據模擬結果設計了磨臺的補縮系統，縮短了試制周期，降低了生產成本。

圖1 磨臺三維模型和二維剖面示意圖

　　1 模型的網格剖分及參數設定

　　對磨臺進行實體造型后導入ViewCast中進行實體網格剖分。鑄鋼的牌號為ZG270.500，其澆注溫度為1580℃，液相臨界溫度為1511.3℃，固相臨界溫度為1453.9℃。收縮率為5%，熱導率為35W/(m·K)，比熱容為489.9J/(kg-K)，澆注時間為60s，砂型選用樹脂砂，砂型初始溫度為25℃。

　　2 模擬結果與分析

　　凝固過程各階段凝固時間分布如圖2所示。其中深色顯示的部位表示鋼液仍處于液態或半固態，沒有完全凝固，淺灰色表示已經完全凝固。由于鑄件各部分結構尺寸相差很大.在凝固時間為4000S時，磨臺中、底部首先凝固，見圖2(b);在8000S時，磨臺中部完全凝固，見圖2(d)，在11500S時。磨臺上部圓臺結構和磨臺筒壁下部的凝固出現了孤立的液相區，見圖2(e)，由于金屬液在凝固過程中的體收縮特性。這些區域在凝固后期必然要產生縮孔縮松等鑄造缺陷。

　　3 工藝設計及優化

　　3.1 磨臺的初步工藝設計

圖2 凝固過程的數值模擬結果

　　根據圖2的模擬結果并結合傳統鑄造工藝設計方法刪。在磨臺的上部、中部、下部分別設置了冒口、補貼、冷鐵以消除鑄造缺陷。其三維實體結構模型如圖3所示。將三維模型導人ViewCast軟件后，對其進行網格剖分和參數設置，對鑄件的凝固過程進行數值模擬(見圖4)。可以看出，t=1800s時，放冷鐵部位首先凝固，然后由磨臺中部向兩端區域依次凝固，由中間向兩端的凝固順序符合我們的設計思路，t=5300s時，上、下冒口開始對鑄件補縮，t=6000s時，磨臺下冒I=I頸處先于冒口凝固，下冒口的補縮通道斷開，導致補縮受阻。鑄件與下冒l=I頸連接處仍出現了孤立的液相區.由于金屬液在凝固過程中的體收縮特性.這些區域在凝固后期必然要產生縮孔縮松等鑄造缺陷。

圖3 冒口、補貼、冷鐵的三維實體模型圖

圖4 原工藝凝固過程的數值模擬結果

　　3.2 工藝方案優化

　　根據初步工藝模擬結果分析.決定在下端冒口頸處放置補貼并且增加冒口高度。其他結構不變，優化后方案如圖5所示。將三維模型導人ViewCast軟件后。對其進行網格剖分和參數設置，再次對鑄件的凝固過程進行數值模擬，結果見圖6。可以看出。t=7500s時，磨臺下端處早于冒口頸處凝固.原來在鑄件與下冒口頸連接處出現的孤立的液相區已經轉移至冒口頸中，見圖6(d)、(e);t=17500s時，磨臺上部圓臺結構出現的孤立的液相區已經轉移至上冒口的下部。即鑄件上可能出現的縮孔、縮松等缺陷已經消失，滿足了生產要求。因此優化后的補縮系統工藝方案即是本次設計的最終方案。

圖5 優化方案三維造型示意圖

圖6 優化工藝凝固過程數值模擬結果

　　3.3 生產驗證

　　將優化后的補縮系統工藝方案運用于生產后，最終獲得了合格的鑄件。

　　4 結論

　　(1)用ViewCast軟件對磨臺鑄鋼件的凝固過程進行了數值模擬，獲得了凝固過程中各階段的凝固時間。可預測出在鑄件上可能產生缺陷的位置。

　　(2)根據數值模擬結果并結合理論分析計算。在磨臺各部位設置冒口、補貼和冷鐵，極大地減少磨臺上部和底部的縮孔縮松。

　　(3)在冒口頸處添加補貼和加高冒口高度，可有效消除磨臺下端法蘭盤處的縮孔縮松缺陷，并將其位置移向冒口頸處。