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加工中心滑枕鑄造工藝數值模擬與優化

伯特利數控 加工中心 鉆攻中心

前言：

滑枕是大型加工中心上的_個重要部件，對加工中心整體精度、性能起到了決定性的作用。對于大型CNC加工中心滑枕的材質一般使用球墨鑄鐵。由于球墨鑄鐵共晶凝固時間相對較長，易造成外売相對薄弱，在二次膨脹過程中，容易造成滑枕出現縮孔、縮松缺陷^[11。研究中針對滑枕實際鑄造中出現的缺陷，通過ProCAST進行數值模擬，并對工藝設計進行優化，得到加工中心滑枕的最佳鑄造工藝，為同類大型球墨鑄鐵件的鑄造加工提供參考借鑒。

1滑枕材料與結構

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

c	Si	Mn P	S	RE	Mg	Fe
3.4 ?3.6	2.6 ?2.8	0.4?0.7 <0.07	<0.03	0.03-0.05	0.03-0.06	余量

1.2滑枕結構

加工中心滑枕整體為箱體式結構，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，且外壁有多個窗口結構，整個鑄件形體龐大、結構復雜'鑄件結構剖面圖如圖1。

2原鑄造工藝設計

2.1鑄件缺陷分析

滑枕結構復雜，屬于復雜大型球墨鑄鐵件。原鑄造工藝設計為雙排內澆道立澆底注澆注方式，并設計楔形明冒口進行補縮，冒口頸尺寸設計較小，并放置數量較多冷鐵提高冒口頸凝固速度，達到通過石墨化膨脹補縮的目的，澆注系統采用先開放后封閉形式，內、橫、直澆道面積比為1.3:15.7:1，內澆道設計為長方形，尺寸為23mmx50mm。鑄造工藝方案設計如圖2。

2.2鑄件缺陷分析

在實際生產中，此加工中心滑枕經過磨削加工后，在鑄件表面有較多孔洞缺陷出現，整個孔洞外形并不規則，內部成灰色，顯然這種孔洞并非氣孔。根據孔洞內部的化學成分分析，其內部氧、硅含量較高，球化過程中有些上浮不及時的夾雜物將直接影響最后石墨形成。同時，夾雜物也會阻礙鐵液流動與補縮效果，致使縮松、縮孔缺陷出現。因此，現有鑄造工藝存在問題，需對其進行優化。

3鑄造工藝數值模擬

針對鑄造工藝方案，通過建立有限元模型后，使用數值模擬軟件ProCAST對鑄造工藝進行模擬^w，通過ProCAST軟件對初始工藝生產鑄件的縮松縮孔模擬結果如圖3。

從模擬結果（圖3)分析，該工藝設計中鑄件壁與筋板的交接處出現了比較嚴重的縮松缺陷，模擬結果也驗證了實際生產中出現的問題。根據分析，球墨鑄鐵件依靠自身石墨化膨脹抵消液態與凝固收縮效果甚微。當鑄件龐大、結構復雜時，澆注溫度受到鑄件長度的影響會出現較大的梯度，同時凝固無法實現，由此內澆道與冒口的補縮作用尤為重要。

4工藝優化方案及結果

4.1工藝優化

(1) 冒口優化原設計中冒口采用明鴨嘴冷冒口的設計形式，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縮作用。由此優化設計中還是首先考慮冒口的補縮作用，將冒口改為圓形暗冒口，頂部設計為半球形，并增大冒口模數，加大冒口高度與冒口頸尺寸，保證冒口頸晚于鑄件凝固，形成從下至上的補縮梯度，提高冒口補縮效果，改進后效果如圖4所示。

針對優化后的方案使用ProCAST軟件安裝同樣參數設置進行縮松縮孔缺陷模擬，由模擬結果分析，縮松缺陷依然存在，改進效果不夠理想。進—步分析，其原因為冒口頸下部冷鐵數量較多，過早切斷補縮通道所致，因此對冷鐵布置做進一步優化。

(2)冷鐵布置優化原設計中根據實際生產經驗，將冷鐵主要布置在厚重位置，在冒口頸、內澆道上部冷鐵數量較多，根據分析，冒口頸位置的冷鐵導致冒口頸快速凝固致使補縮通道被過早阻斷，導致了鑄件補縮效果不佳。因此采用了適當減少原設計中冒口頸部位冷鐵的數目，并將冷鐵位置適當向下調整的方式進行優化，冷鐵優化方式如圖5所示。

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結束語：

針對大型滑枕的鑄造結構較為復雜，鑄造難度大的問題，以滑枕為研究對象，研究其鑄造工藝，并根據實際生產中縮松、縮孔缺陷比例較多的問題，通過ProCAST模擬軟件對鑄造工藝中可能出現的缺陷進行分析，并提出了優化措施，經過數值模擬及生產驗證，方案優化后很好的解決了大型球墨鑄

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