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[摘 要]运用传统的铸造工艺设计法，设计车轮的初始工艺，通过ViewCast 模拟软件对车轮初始铸造工艺的凝固过程进行数值模拟，分析了缺陷形成的原因。 并通过ViewCast 软件调整冒口尺寸、增加冷铁，进行工艺优化，對用优化工艺进行的充型和凝固过程进行了模拟。 结果表明，经过优化的工艺，冒口、冷铁、浇注系统的尺寸和位置是合理的，实现了铸件的顺序凝固，消除了缩孔、缩松缺陷。
[关键词]铸钢车轮 铸造工艺设计 模拟优化
中图分类号：TM715 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）15-0162-02
引言
随着我国铁路现代化进程的加快，铁路货物运输的提速重载将是主要的发展方向。提高轴重是世界各国重载运输一致采用的一项重要举措，长期的运行考核证明这项措施既提高了运输收入，又降低了维修成本。作为车辆关键部件的车轮在列车运行中起着承载和制动的作用，直接关系到铁路运输的安全。因此，提速重载的不断实施对车轮产品的制造质量和使用性能的要求也会更高。
1.铸造工艺设计
1.1 铸造工艺方案的确定
ZG310-570 材料化学成分（质量分数，% ）为0.50C，0.60Si，0.90Mn，该材料体收缩较大。法兰部分厚 50mm，与下部筒体交接处形成热节，易形成缩孔、缩松。因此必须采用顺序凝固原则进行铸造生产，并结合适当的冒口来消除缩孔、缩松。造型材料为水玻璃砂，浇注温度 1520～1550℃。初始工艺方案模型如图 1 所示。
1.2 冒口的设计
冒口应设在铸件浇注位置时的最高部位，为确保铸件凝固时有足够的金属液对其补缩，需在铸件的上部设置冒口。根据模数法计算出铸件模数：M件=V/A，铸件体积V=6.012×10 6 mm 3，传热表面积A=3.347×10 5 mm 3，M件=1.80cm。 冒口模数M冒=1.2M 件，M冒=1.2×1.80=2.16 cm。根据铸件结构和热节位置决定采用2个冒口对铸件进行补缩。 在法兰上端设置2柱形冒口，查得冒口尺寸为准130mm×130 mm，冒口充满钢液质量13kg。 冒口结构模型见图 1 。
2.优化工艺模拟结果及分析
2.1 优化工艺简介
根据模拟结果可知， 初始工艺中铸件实现了自下而上的顺序凝固，两柱形冒口也起到了补缩作用。只是由于冒口的补缩能力不足， 导致铸件中部产生微量孤立液相区。在最后凝固阶段，冒口根部和铸件同时凝固，铸件不能得到很好的补缩，形成缩孔、缩松缺陷。 该车轮铸造工艺改进的要点是使凝固过程中铸件内出现的孤立液相区延伸到冒口中， 通过增大冒口模数、添加冷铁，使工艺系统能按照顺序凝固方式，将缺陷留在冒口内。为保证获得致密铸件， 对初始工艺进行如下改进： ① 将冒口尺寸改为 准140mm×150mm ； ② 在两冒口对称的铸件中部增设两块适当尺寸的冷铁。 优化工艺模型如图 2所示。
2.2 优化工艺的充型过程及分析
充型过程对铸件的最终质量具有重要影响，浇不足、冷隔、气孔、夹砂等缺陷都与铸造的充型过程密切相关。优化工艺的充型过程见图3。可以看出，浇注系统内的钢液在流动过程中始终处于充满状态， 防止了气体和夹杂物的卷入。 钢液从铸件底部侧向引入型腔，由铸件底部旋转平稳地逐渐上升，没有出现飞溅、喷射现象，见图 3（a） 、 （b） ；随着浇注过程的进行，液面不断均匀稳定地上升，液面延伸到冒口底部，见图3（c） ；冒口为最后填充部位，见图 3（d） 。 可以看出，整个充型过程中，钢液在型腔中的液面比较平稳，表明此浇注系统设计的比较合理。
3.3 优化工艺的凝固过程及分析
将优化工艺三维模型转化为 STL 格式文件，导入 ViewCast 软件， 对其进行网格剖分和参数设置，对铸件的凝固过程再次进行模拟，结果见图4 。 可以看出，当凝固进行到 t=426s 时，铸件底部、浇注系统、以及增设冷铁处，最先凝固；当 t=465s 时，铸件内出现补缩瓶颈，即将产生孤立液相区；当 t=470s时，由于冷铁的激冷作用，初始工艺中铸件中部出现的微量孤立液相区已经消失， 铸件内出现两部分孤立液相区，由两冒口分别进行补缩，孤立液相区不断向冒口延伸；当 t=938s 时，铸件已经结束凝固，孤立液相区出现在冒口根部区域。优化工艺模拟的缺陷预测如图 5所示， 铸件内部没有发现缩孔、缩松缺陷，这些缺陷已经成功转移到了冒口中。铸件凝固过程中，冒口内钢液的温度始终处于铸件的最高状态，补缩通道畅通，冒口是最后凝固部位，实现了从铸件到冒口的顺序凝固，保证了铸件质量。
3.结束语
优化工艺将冒口尺寸适当增大， 并添加相应尺寸的冷铁，模拟结果显示成功转移了热节位置。铸件内无缺陷，缩孔、缩松转移到冒口中，凝固顺序符合设计要求，保证了铸件质量。
参考文献
[1] 米国發，何斌锋.计算机模拟在铸钢后桥工艺优化中的应用[J].航天制造技术，2008，（2）：44-48.
[2] 孙立斌，张光跃，柳百成，等.凝固模拟技术在铸钢件上的应用[J].热加工工艺，2000，（3）：52-54.
[3] 米国发，赵大为，刘翔宇.大型磨台铸钢件的数值模拟与工艺优化[J].热加工工艺，2008，37（11）：31-33.
[关键词]铸钢车轮 铸造工艺设计 模拟优化
中图分类号：TM715 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）15-0162-02
引言
随着我国铁路现代化进程的加快，铁路货物运输的提速重载将是主要的发展方向。提高轴重是世界各国重载运输一致采用的一项重要举措，长期的运行考核证明这项措施既提高了运输收入，又降低了维修成本。作为车辆关键部件的车轮在列车运行中起着承载和制动的作用，直接关系到铁路运输的安全。因此，提速重载的不断实施对车轮产品的制造质量和使用性能的要求也会更高。
1.铸造工艺设计
1.1 铸造工艺方案的确定
ZG310-570 材料化学成分（质量分数，% ）为0.50C，0.60Si，0.90Mn，该材料体收缩较大。法兰部分厚 50mm，与下部筒体交接处形成热节，易形成缩孔、缩松。因此必须采用顺序凝固原则进行铸造生产，并结合适当的冒口来消除缩孔、缩松。造型材料为水玻璃砂，浇注温度 1520～1550℃。初始工艺方案模型如图 1 所示。
1.2 冒口的设计
冒口应设在铸件浇注位置时的最高部位，为确保铸件凝固时有足够的金属液对其补缩，需在铸件的上部设置冒口。根据模数法计算出铸件模数：M件=V/A，铸件体积V=6.012×10 6 mm 3，传热表面积A=3.347×10 5 mm 3，M件=1.80cm。 冒口模数M冒=1.2M 件，M冒=1.2×1.80=2.16 cm。根据铸件结构和热节位置决定采用2个冒口对铸件进行补缩。 在法兰上端设置2柱形冒口，查得冒口尺寸为准130mm×130 mm，冒口充满钢液质量13kg。 冒口结构模型见图 1 。
2.优化工艺模拟结果及分析
2.1 优化工艺简介
根据模拟结果可知， 初始工艺中铸件实现了自下而上的顺序凝固，两柱形冒口也起到了补缩作用。只是由于冒口的补缩能力不足， 导致铸件中部产生微量孤立液相区。在最后凝固阶段，冒口根部和铸件同时凝固，铸件不能得到很好的补缩，形成缩孔、缩松缺陷。 该车轮铸造工艺改进的要点是使凝固过程中铸件内出现的孤立液相区延伸到冒口中， 通过增大冒口模数、添加冷铁，使工艺系统能按照顺序凝固方式，将缺陷留在冒口内。为保证获得致密铸件， 对初始工艺进行如下改进： ① 将冒口尺寸改为 准140mm×150mm ； ② 在两冒口对称的铸件中部增设两块适当尺寸的冷铁。 优化工艺模型如图 2所示。
2.2 优化工艺的充型过程及分析
充型过程对铸件的最终质量具有重要影响，浇不足、冷隔、气孔、夹砂等缺陷都与铸造的充型过程密切相关。优化工艺的充型过程见图3。可以看出，浇注系统内的钢液在流动过程中始终处于充满状态， 防止了气体和夹杂物的卷入。 钢液从铸件底部侧向引入型腔，由铸件底部旋转平稳地逐渐上升，没有出现飞溅、喷射现象，见图 3（a） 、 （b） ；随着浇注过程的进行，液面不断均匀稳定地上升，液面延伸到冒口底部，见图3（c） ；冒口为最后填充部位，见图 3（d） 。 可以看出，整个充型过程中，钢液在型腔中的液面比较平稳，表明此浇注系统设计的比较合理。
3.3 优化工艺的凝固过程及分析
将优化工艺三维模型转化为 STL 格式文件，导入 ViewCast 软件， 对其进行网格剖分和参数设置，对铸件的凝固过程再次进行模拟，结果见图4 。 可以看出，当凝固进行到 t=426s 时，铸件底部、浇注系统、以及增设冷铁处，最先凝固；当 t=465s 时，铸件内出现补缩瓶颈，即将产生孤立液相区；当 t=470s时，由于冷铁的激冷作用，初始工艺中铸件中部出现的微量孤立液相区已经消失， 铸件内出现两部分孤立液相区，由两冒口分别进行补缩，孤立液相区不断向冒口延伸；当 t=938s 时，铸件已经结束凝固，孤立液相区出现在冒口根部区域。优化工艺模拟的缺陷预测如图 5所示， 铸件内部没有发现缩孔、缩松缺陷，这些缺陷已经成功转移到了冒口中。铸件凝固过程中，冒口内钢液的温度始终处于铸件的最高状态，补缩通道畅通，冒口是最后凝固部位，实现了从铸件到冒口的顺序凝固，保证了铸件质量。
3.结束语
优化工艺将冒口尺寸适当增大， 并添加相应尺寸的冷铁，模拟结果显示成功转移了热节位置。铸件内无缺陷，缩孔、缩松转移到冒口中，凝固顺序符合设计要求，保证了铸件质量。
参考文献
[1] 米国發，何斌锋.计算机模拟在铸钢后桥工艺优化中的应用[J].航天制造技术，2008，（2）：44-48.
[2] 孙立斌，张光跃，柳百成，等.凝固模拟技术在铸钢件上的应用[J].热加工工艺，2000，（3）：52-54.
[3] 米国发，赵大为，刘翔宇.大型磨台铸钢件的数值模拟与工艺优化[J].热加工工艺，2008，37（11）：31-33.