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摘要：后桥壳是安装主减速器、差速器、半轴、轮毂和悬架的基础件，在工作过程中需要承受较大的弯曲应力、震动、冲击及摩擦磨损，必须具有良好的综合力学性能。对于后桥壳这种需要承受较高载荷的零件，不允许有铸造缺陷，特别是关键的受力部位不允许出现缩孔缩松和夹杂等缺陷，因此需要设计出合理的铸造工艺。通过计算机模拟软件，可以对铸件充型及凝固过程中产生的缺陷进行预测，分析缺陷产生的内在原因，从而改进工艺设计，达到对工艺的优化，消除缺陷。
关键词：桥壳；铸造工艺；数值模拟
引言：对树脂砂型铸造球墨铸铁叉车后桥壳的铸造工艺进行了设计，并采用华铸CAE软件对其充型和凝固过程进行了模拟，分析了铸件产生缩孔的原因。根据缺陷产生的模拟分析结果，对工艺方案进行了改进和调整。通过放置冷铁和出气孔，使铸件实现顺序凝固，从而消除缩孔缺陷，获得健全无缺陷的后桥壳铸件。
一、叉车后桥壳的结构分析
叉车后桥壳铸件的三维结构左右两端为两个对称的旋转半轴体，上部为桥壳后盖，后盖上有一个凸台，下部是桥壳端盖，端盖壁较厚，端盖上方位置有一个凸台，内部是由不同形状的截面构成的空心型腔。铸件重42kg，全长1034mm，高度为203.5mm。不同位置壁厚悬殊，最薄处为8mm，最厚处可达45mm。
二、铸态QT450-10桥壳的生产过程的控制
（一）化学成分的设计选择
选择适当的化学成分是保证铸铁能获得良好的组织状态和性能的基本条件，碳当量适当的提高可改善石墨形状、增加石墨球数，提高塑性和韧性，但碳当量过高，容易出现石墨漂浮，从而导致性能下降。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆碳当量的选择还要根据铸件的具体结构和壁厚条件，所要生产的桥壳属于中等壁厚铸件，因此将碳含量控制在3.8-3.9%。硅对增加基体的铁素体量有利，且硅可固溶于铁素体，使其强度得到提高，但硅量过高会使铸铁的韧性-脆性转变温度升高、韧性降低，由于铁素体球墨铸铁对韧性要求较高，故将终硅量控制在2.6-2.8%。锰是阻碍石墨化的元素，在球铁中易产生偏析，增加珠光体的含量，降低球铁的塑性和韧性，在生产铸态铁素体球铁时，锰的含量越低越好，故将锰含量控制在0.15-0.2%。
（二）熔炼处理工艺的控制
为了获得低硫、高温铁液，采用冲天炉和感应电炉双联熔炼，中间配合有效的脱硫措施，选择炉外气动连续脱硫的工艺方法。在熔炼过程中要尽量避免铁液的过度氧化，以保证良好的球化效果。适当提高出铁温度对铸件的质量、力学性能是有利的，由于球铁经过球化处理后，铁液降温明显，为了保证浇注温度，铁液应有较高的出铁温度，至少应控制在1450-1470℃以上。
（三）球化处理及孕育处理
球化处理是铸态铁素体球墨铸铁生产中的一个重要环节，它能阻止铁液结晶时片状石墨的析出，促进球状石墨的生成，根据球墨铸铁件的材质和性能要求，选用低稀土镁硅铁—QRMg8RE3作为球化剂，球化剂的加入量为1.2％-1.6％。球化反应控制的关键问题是镁的吸收率，球化温度高时，反应比较激烈，镁的烧损多，球化效果就会差；球化温度低，反应较平稳，镁的吸收率高，球化效果会好一些。所以在保证足够的浇注温度的前提下，要尽可能降低球化处理的温度，控制在1450-1500℃。采用冲入法进行球化处理工艺：将球化剂放在铁液包的堤坝内，在球化剂的上面覆盖孕育剂和铁屑、稻草灰，避免球化剂的上浮，并使它们缓慢的作用。先在处理包内冲入铁液包容量的2/3左右的铁水，使铁液与球化剂充分的反应，再把余下的1/3包铁水冲入包内。
三、QT450-10后桥壳的铸造工艺方案及数值模拟
（一）桥壳的初始铸造工艺方案设计
采用半封闭式的对称性浇注系统，两侧同时浇注，增快浇注速度，为了更好的减少金属液对型壁的冲击与防止夹杂进入型腔，在横浇道处设计搭接，搭接尺寸为12mm。浇注系统各组元的截面比为F横∶F直∶F内=1.5∶1.2∶1，由水力学公式计算阻流截面积F内=7.5cm2，F横=11.4cm2。在铸件次厚壁处设置内浇道，铸件厚壁处热节圆直径为45mm，在此处采用暗冒口补缩，并设计成浇道通过冒口进入铸件的浇冒口系统，以利于补缩，采用2个冒口补缩1个铸件的方式。冒口高度为110mm，直径为80mm，冒口颈选用薄而宽的矩形，尺寸为50mm×20mm。
（二）后桥壳充型及凝固过程的数值模拟
采用Pro/E三维造型软件对原始铸造工艺方案进行实体建模，然后在同一坐标系下将其转化成STL文件导入华铸CAE模拟软件中，利用计算处理模块对工艺方案进行凝固计算、充型和传热的耦合计算。在后置处理模块可以观察铸件充型及凝固过程的模拟结果，预测可能出现的缺陷的大小和位置。下部端盖整个圆周壁较厚，而且在端盖附近有凸台，所以此处凝固较晚，可能会出现缩孔、缩松缺陷。当铸件凝固到78.50s时，铸件后盖凸台部位出现一个缩孔，体积为0.03cm3，当铸件凝固到139.72s时，铸件下部端盖厚壁部分开始出现孤立液相区，如果在后期凝固过程中这部分金属液产生的石墨化膨胀小于凝固收缩，这一区域将得不到补缩，有可能出现缩孔缺陷。当凝固时间持续到634.48s时，整个铸件、浇冒口系统凝固结束，在端盖厚壁部分和后盖凸台部位都有缩孔存在，缩孔总体积为0.05cm3。
四、后桥壳铸造工艺方案的改进及其模拟
从以上后桥壳的凝固过程模拟结果分析可知，当铸件凝固到139.72s时，铸件下部端盖厚壁部位的补缩通道被金属液体先凝固部分断开，形成补缩瓶颈，造成缩孔缺陷。为了消除铸件缩孔缺陷，尝试在后桥壳铸件下部厚壁处放置2块冷铁，以增大厚壁处的凝固速度，使此处由以前的后凝固转向与其相连部位同时凝固，使同时凝固和顺序凝固相结合。铸件顶部左侧凸台厚壁部位温度高，在凝固过程中薄壁低温部位先凝固，铸件顶部出现孤立液相区，同时由于处于铸件的最高处，灼热的金属液较长时间烘烤顶部型壁，砂型产生的气体侵入金属液，由于铸件顶部较薄，凝固较快，侵入的气体不能及时排除，可以在铸件顶部设置出气孔，出气片，消除缩孔、气孔。当铸件凝固到139.313s时，端盖部位已完全凝固。铸件在改进工艺下缩孔缺陷分布时，最终凝固结束后铸件中没有出现缩孔缺陷，缩孔全部集中在浇冒口系统中[2]。
结论：
文章主要对叉车后桥壳铸件的结构特点进行分析，设计初步的铸造工艺，利用华铸CAE对其充型及凝固过程进行数值模拟，分析了铸件中产生缺陷的大小和位置，针对初始工艺中桥壳铸件下部厚壁端盖处凝固过程中易出现较大范围的孤立液相区，形成缩孔的问题，采用在厚壁部位安放冷铁的方法进行改进；针对铸件顶部温度较高部位凝固过程中出现缩孔、气孔的问题，采用在铸件顶部设置出气孔、出气片的方式进行改进。对改进后的工艺方案进行数值模拟，模拟结果表明，新的工艺方案成功的消除了铸件中的缩孔、气孔缺陷[3]。
参考文献：
［1］孙玉，罗键，米国发，等.球墨铸铁后桥壳的铸造缺陷分析和工艺优化［J］.热加工工艺，2018，37(17):41-44.
［2］龙文元，蔡启舟，魏伯康，等.数值模拟在消除球墨铸铁轮毂缩孔中的应用[J].特种铸造及有色合金，2013(5):20-21.
［3］崔红保，王锦永，米国发.铸钢车轮铸造工艺设计及模拟优化[J].热加工工艺，2010，39(9):51-57.
论文作者:王小帅,李显洲,杨浩
论文发表刊物:《防护工程》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/17
标签：铸件论文; 缩孔论文; 后桥论文; 工艺论文; 缺陷论文; 冒口论文; 气孔论文; 《防护工程》2018年第23期论文;