基于砂型鑄造工藝的齒輪箱箱體鑄造缺陷分析

基于砂型鑄造工藝的齒輪箱箱體鑄造缺陷分析

齒輪箱廣泛應用于風場裝置。為了滿足發(fā)電的需要，常用了增加風輪的旋轉次數(shù)。齒輪箱的箱體在齒輪箱中起著固定及支撐作用,要求齒輪箱的箱體必須有一定強度,使其能夠承受載荷,減少齒輪箱振動帶來的不利影響隨著計算機行業(yè)的高速發(fā)展,利用數(shù)值模擬技術可以大大節(jié)約人力、物力,同時提高工作效率,已廣泛應用到鑄造生產(chǎn)中,具有很好的應用前景1箱實際鑄造材料的確定Al-Si系合金具有優(yōu)良的鑄造性能,如流動性好,氣密性好,收縮率小和熱裂傾向小,而且具有較好的力學性能,因此采用ZL101作為齒輪箱箱體的鑄造材料,其化學成分見表1。作為一種可進行熱處理強化的鋁硅鎂系鑄造鋁合金,ZL101能夠滿足實際生產(chǎn)中產(chǎn)品性能的要求樹脂砂可以提高鑄件表面精度,勞動強度低,成本低,因此選擇樹脂砂作為齒輪箱箱體砂型的造型材料。根據(jù)鑄件技術要求,鑄造工藝參數(shù)選擇如下:鑄件尺寸公差等級為CT11,鑄件重量公差等級為MT11,機械加工余量為H,鑄件收縮率為1%。齒輪箱箱體的澆注系統(tǒng)選擇開放式底注式澆注,使金屬液充型平穩(wěn)2初始鑄造工藝方案模擬應用Pro/E軟件進行三維實體造型,將所有裝配件轉為STL格式文件,使用ViewCast軟件進行鑄造工藝數(shù)值模擬,對鑄件的充型和凝固過程進行模擬,然后對鑄件產(chǎn)生缺陷的位置進行預測。進行數(shù)值模擬之前,需要進行參數(shù)設定,將鑄件網(wǎng)格設置為200萬,在保證計算精度的前提下,使得計算時間縮短,提高計算效率初始方案的充型及凝固模擬中,充型時間t=3.29s時,金屬液通過直澆道進入橫澆道,在該階段金屬液的充型較為平穩(wěn)(圖3a);當充型時間t=5.33s時,金屬液開始進入鑄件型腔內(圖3b);當充型時間為t=6.59s和t=10.03s時,金屬液繼續(xù)以比較平穩(wěn)的速度在充型(圖3c、d);從圖3e可以看出,當t=14.52s時,金屬液充型速度仍然比較平穩(wěn),并未發(fā)生卷氣等現(xiàn)象。當t=20.78s時,充型結束。由圖3還可以看出,初始方案的底注式澆注工藝充型比較平穩(wěn),并不會產(chǎn)生卷氣的現(xiàn)象,因此初始鑄造工藝方案中的充型方案是合理的。經(jīng)凝固模擬可以知道,在t=150s時開始凝固,t=1947s時完全凝固完畢。從圖4中可以看出,當t=157s時,直澆道開始凝固;t=407s時,由于澆道尺寸設計不合理,直澆道與橫澆道先于鑄件凝固;t=507s時,靠近鑄件的地方開始凝固;t=607s時,鑄件的直澆道、橫澆道與內澆道基本上已經(jīng)凝固結束,但是鑄件還沒有開始凝固,澆注系統(tǒng)不能對鑄件進行補縮。由于鑄件的粗大部位特別厚,冒口并沒起到明顯的補縮作用。t=1057s時,鑄件凝固過程進行到了最后階段,凝固基本完成,但還有厚大部位尚未凝固,見圖4f。為了能準確地反映缺陷是否存在以及缺陷出現(xiàn)的位置和大小等,對其進行了缺陷預測,結果如圖5所示,可見鑄件在中間的厚大部位處出現(xiàn)了縮孔和縮松缺陷。在實際生產(chǎn)中采用初始鑄造工藝方案進行齒輪箱箱體的生產(chǎn),實際生產(chǎn)的產(chǎn)品如圖6所示。對產(chǎn)品進行XRD探傷分析。XRD探傷結果顯示,利用初始方案生產(chǎn)的齒輪箱箱體有大量鑄造缺陷,如縮孔、縮松、夾砂、偏析等,不能滿足實際生產(chǎn)要求,需要對初始鑄造工藝方案進行改進優(yōu)化。3優(yōu)化方案及其數(shù)值模擬結果雖然底注式澆注系統(tǒng)在充型時均勻平穩(wěn),但是鑄件下部的溫度會比較高,對鑄件的補縮產(chǎn)生不利影響。該齒輪箱箱體屬中型鑄件,充型時間較長,金屬液表面易發(fā)生氧化,因此選擇階梯式澆注系統(tǒng)替代底注式澆注系統(tǒng)。階梯式澆注系統(tǒng)同時有著底注式以及頂注式澆注系統(tǒng)的優(yōu)點采用發(fā)熱保溫冒口對鑄件厚大部位進行補縮,將冒口與冷鐵配合使用增加補縮效果。直澆道、橫澆道、內澆道截面積比仍然為1∶2∶4,但直澆道截面尺寸R=30mm,橫澆道截面尺寸為40mm×70mm,內澆道截面尺寸R=20mm,澆注溫度為750℃。圖7為優(yōu)化方案的三維實體圖。將優(yōu)化方案的三維圖導入ViewCast軟件中進行充型和凝固過程模擬計算,網(wǎng)格劃分為200萬,澆注溫度設置為750℃,鑄型和冷鐵初始溫度均為25℃。圖8為優(yōu)化方案鑄件的充型過程模擬結果。圖9為優(yōu)化方案鑄件的凝固過程模擬結果。分析優(yōu)化方案的充型過程,金屬液歷時13.6s充滿鑄件型腔,金屬液的溫度變化范圍在613~750℃之間。圖8中可見,金屬液開始充型進入型腔,充型過程平穩(wěn),未出現(xiàn)卷氣等不良現(xiàn)象。當t=13.6s時,型腔內金屬液已經(jīng)充滿,充型結束,如圖8f所示。由充型過程的模擬結果可知,優(yōu)化方案的澆注系統(tǒng)設計合理。分析優(yōu)化方案的凝固過程可以知道,在t=63s開始凝固,在t=2697s時完全凝固完畢。從圖9中可以看出,當t=163s時,在加入冷鐵的部位,由于冷鐵的激冷作用,所以優(yōu)先凝固,如圖9a所示;隨著凝固過程的繼續(xù)進行,鑄件整體開始凝固,如圖9b、c所示;當t=763s和t=1163s時,發(fā)現(xiàn)鑄件的厚大部位相繼凝固,冒口起到了補縮的作用,如圖9d、e所示;當t=2063s時,鑄件的凝固已經(jīng)趨于結束,但冒口未凝固,可以起到補縮的作用。圖10為優(yōu)化方案的鑄件缺陷預測圖?？梢钥闯?縮孔和縮松都集中在冒口和澆道處,但由于齒輪箱箱體體積大、質量大,在實際生產(chǎn)中產(chǎn)生一些小的缺陷是不可避免的?？傊?通過鑄造工藝改進,使?jié)沧⑾到y(tǒng)設計合理,澆注位置選取恰當,可以減少熱節(jié)的范圍和數(shù)量。4力學性能測試采用優(yōu)化后的鑄造工藝,進行了實際澆注生產(chǎn)。鑄件經(jīng)XRD探傷檢測,幾乎不存在缺陷,完全滿足了實際生產(chǎn)需要。將隨爐澆注的試棒經(jīng)過T6處理,再按GB/T1173—2013標準進行加工,然后進行力學性能測試,結果如表2所示?？梢?齒輪箱箱體的力學性能完全滿足鑄件技術要求。5生產(chǎn)數(shù)值模擬根據(jù)ZL101