某企業生產的四輥破碎機輥子輪廓尺寸為φ916mm x715mm，質量為1820 kg，材料為ZG35CrMnSi，其三維模型如圖1所示。輥子在工作中承受嚴重磨損、擠壓作用，質量要求嚴格，鑄件不得有縮孔、縮松、氣孔、裂紋缺陷。生產中，切除冒口，進行粗加工后，發現大量輥子中存在縮孔、縮松缺陷，說明胃口補縮效果不理想。這些缺陷嚴重影響了鑄件質量，成為制約生產和延誤交貨期的主要問題。其缺陷如圖2所示。
本文運用View Cast模擬軟件對破碎機輥子的原工藝凝固過程進行了模擬分析，預測了缺陷產生的位置及原因，并根據模擬結果進行工藝優化，確定冒口和冷鐵的合適尺寸及位置，消除了輥子上部的縮孔、縮松缺陷，保證了鑄件質量，提高了企業效益。
1、原工藝方案及模擬結果
1.1原工藝簡介
原制作工藝如下：①采用簡易澆注系統。即采用內澆道底返工藝，通過直澆道和橫澆道把鋼水引到鑄件底部，再由內澆道從底部注入型腔。選用漏包澆注．包孔直徑為φ40mm；采用1個直澆道，尺寸為φ60mm;橫澆道1個，尺寸為φ60 mm;內澆道1個，尺寸為(b70 mm。②分型面選擇在輥子底面。③澆注溫度為1580℃。④在輥子頂面邊側對稱設置兩個圓柱形冒口，尺寸為+360mmx360mm，冒口頸尺寸為咖260 mmx50 mm。⑤在輥子底部厚大部位沿筒壁外側設置一圈冷鐵，厚度為100mm。
1.2原始工藝模擬及結果分析
將實體模型轉化為STL格式文件，導入View Cast模擬軟件進行實體網格劃分，網格數2117377。鑄件平均壁厚90 mm，材料為ZG35CrMnSi，液相線1494.3℃，固相線1403.8℃，使用樹脂砂造型，澆注溫度1580℃。界面傳熱系數1100W/(m2.k)，鑄型初始溫度25℃。對原始方案的溫度場進行了模擬，通過凝固計算預測出可能出現缺陷的地方。
圖4是凝固模擬計算的結果，深色表示未凝固或半固態，淺色表示已經完全凝固。可以看出，當凝固時間進行到t=620s時，輥子底部安放冷鐵處和澆注系統開始凝固，見圖4(a)；當t=1260s時，澆注系統即將結束凝固，凝固過程從輥子底部依次向上進行，見圖4(b)；當t=6000s時，冒口不斷對鋼液的凝固收縮進行補足，鑄件內出現了補縮“瓶頸”，鋼液即將分隔為孤立部分，見圖4(c)；當t=6100s時，出現4部分孤立液相區，兩部分體積較大的孤立液相區的凝固收縮繼續由兩冒口補足，中間兩部分微小孤立液相區的補縮通道已斷開，凝固收縮失去了冒口的補足，凝固后期很可能出現縮孔、縮松缺陷，見圖4(d)；當t=7600s時，孤立液相區繼續向上擴展，見圖4 (e)；當t=8400s時，在凝固最后階段，孤立液相區出現在鑄件和胃口頸結合處，由于鋼液的體積收縮，此處會出現縮孔、縮松缺陷，見圖4(f)。原始工藝縮孔、縮松出現的位置如圖5所示。可以看出，縮孔、縮松出現在冒口頸和鑄件的結合處以及兩部分微小孤立液相區殘留的區域，模擬結果比較符合實際生產。
2、優化工藝及模擬結果
2.1工藝優化
根據實際生產情況和模擬結果，認為缺陷是由于樹枝狀晶體形成骨架時，宏觀補縮通道被堵塞，致使樹枝狀晶體分割包圍的液體部分形成微觀縮松嘲，冒口補縮不足和補縮通道不暢共同造成了縮孔、縮松缺陷。該輥子工藝改進的要點是消除凝固過程中出現的孤立液相區，使工藝系統能按照要求采取凝固方式，通過增加冒口或者冷鐵使中間部分最先凝固，然后是兩邊，冒口最后凝固，將缺陷留在冒口之中。
根據鑄件結構和缺陷分布狀況不需要增加冒口數量來進行補縮，只需要適當增大冒口尺寸，將冒口尺寸改為咖410mmx410mm．冒口頸尺寸改為+300mmx80mm。從模擬結果可以看出，澆注系統對應的輥子中間部位有微量孤立液相區存在，可以考慮增設冷鐵，降低此處的鑄件模數，改變溫度梯度，實現從鑄件到冒口的順序凝固。以增大冒口的補縮距離。為此，在輥子中間部位下部設置兩塊對稱的外冷鐵，厚度為60mm，形狀和鑄件輪廓相應，材質和鑄件一致。優化的工藝如圖6所示。
2.2優化工藝模擬及結果分析
將優化工藝的三維模型轉化為STL格式文件，導入ViewCast軟件，對其進行網格剖分和參數設置，對鑄件的凝固過程再次進行數值模擬，結果見圖7。深色表示未凝固或半固態，淺色表示已經完全凝固。可以看出，當凝固時間進行到￡=1200s時．輥子底部安放冷鐵處和澆注系統即將結束凝固，凝同過程依次向上擴展，見圖7(a)、(b)；當t=4420s時。輥子增設冷鐵的中間部位首先凝固，原工藝中出現的兩部分微小孤立液相區已經消失，鑄件中出現兩部位大體積的孤立液相區，分別由兩冒口進行補縮，顯著的增加了冒口的補縮距離，凝固過程開始從輥子中部向兩端進行，符合設計思路，見圖7(c)；當t=9600s時，孤立液相區出現在冒口頸根部和鑄件結合部位并繼續向上延伸，見圖7(e)；當t=9900s時，凝固已經接近結束，鑄件已經全部凝固，孤立液相區出現在冒口中，能夠有效的補縮鑄件，實現了從鑄件到冒口的順序凝同。
優化工藝模擬的缺陷預測如圖8所示，鑄件內部沒有發現縮孔、縮松缺陷，縮孑L、縮松已經轉移到了冒口中。采用優化后的工藝進行了生產，得到了沒有縮松、縮孔缺陷的優質鑄件，有效地解決生產過程中出現的問題。冷鐵使得遠離胃口的部位先凝固，冒口使得整個鑄件形成一個正的溫度梯度，有利于鑄件實現順序凝固。
3、結論
(1)運用View Cast軟件對四輥破碎機輥子初始工藝進行了模擬和分析，準確預測了產生的縮孔、縮松缺陷，初始工藝產生缺陷是由冒口尺寸不夠和補縮通道不暢造成的。
(2)借助ViewCast軟件進行鑄造工藝優化，將兩冒口尺寸適當增大，同時在與澆注系統對應的輥子中部對稱增設兩塊外冷鐵，降低此處模數，實現了鑄件先自下而上，再從中部到兩邊的順序凝固，大大延長了冒口的補縮距離，提高了工藝出品率，獲得了組織致密的鑄件。
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