本文探討了鐵路貨車轉(zhuǎn)向架用搖枕的鑄造凝固過(guò)程模擬和工藝優(yōu)化內(nèi)容。

　　鑄造凝固模擬軟件作為一種有效的鑄造工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化工具在全球的鑄造行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文利用Pr oCAST軟件對(duì)鐵路貨車轉(zhuǎn)向架用搖枕的凝固過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)搖枕原有鑄造工藝提出了進(jìn)一步的改進(jìn)措施，使鑄件的補(bǔ)縮和凝固更加合理。

　　一、概述

　　鑄件凝固過(guò)程的模擬仿真是科學(xué)發(fā)展的前沿，是改造傳統(tǒng)鑄造業(yè)的必由之路。經(jīng)過(guò)數(shù)年的發(fā)展，鑄件凝固過(guò)程的模擬仿真已發(fā)展到工程實(shí)用化階段，相關(guān)的應(yīng)用軟件已經(jīng)研發(fā)成功，如MAGMA、ProCAST 、華鑄及中華之星等，并得到了廣泛應(yīng)用( 如ProCAST 在北京二七車輛廠、青島四方鑄鋼廠和齊齊哈爾車輛廠得到應(yīng)用) 。ProCAST是一種基于有限元理論的通用數(shù)值模擬軟件，用于輔助鑄造工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化，通過(guò)數(shù)值模擬和物理模擬相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)模擬生產(chǎn)，動(dòng)態(tài)顯示工藝歷程，預(yù)測(cè)缺陷，輔助工藝改進(jìn)，最終能夠達(dá)到控制鑄件質(zhì)量的目的。

　　搖枕是鐵路貨車轉(zhuǎn)向架上重要鑄鋼件之一，在滿足強(qiáng)度的條件下，通過(guò)改變搖枕結(jié)構(gòu)，減少其重量是實(shí)現(xiàn)貨車輕量化并提高運(yùn)載能力的有效方法。搖枕結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要采用鑄造工藝方法生產(chǎn)，且鑄造工藝較為復(fù)雜，當(dāng)鑄件結(jié)構(gòu)改變時(shí)，鑄造工藝必然要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。目前工廠大多采用建立在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上的試錯(cuò)法來(lái)確定搖枕的鑄造工藝，生產(chǎn)成本高且生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。本文利用ProCAST軟件對(duì)結(jié)構(gòu)改變后搖枕的凝固過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果預(yù)測(cè)缺陷，指導(dǎo)工藝改進(jìn)。在模擬結(jié)果的指導(dǎo)下，工廠以較短的時(shí)間和較低的成本生產(chǎn)出了質(zhì)量合格的搖枕鑄件。

　　二、搖枕的模擬建模

　　1. 搖枕的CAD 建模和網(wǎng)格劃分

　　模擬計(jì)算中三維圖形的建立采用通用建模軟件Pro/engineer，搖枕的三維鑄件如圖1 所示。首先在Pro/engineer中建模和劃分面網(wǎng)格，然后利用Pro/engineer與ProCAST 之間的通用接口，將劃分好的有限元面網(wǎng)格導(dǎo)入ProCAST中進(jìn)行體網(wǎng)格的劃分。在進(jìn)行剖分時(shí)，由于鑄件的體積大，需選擇合適的剖分參數(shù)，既要保證計(jì)算的精度，又不能使網(wǎng)格數(shù)量太多，以節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，便于調(diào)試。模擬計(jì)算中，鑄件面網(wǎng)格尺寸取18mm，冷鐵取22mm，砂型取100mm，最終整個(gè)模型共劃分為49437個(gè)節(jié)點(diǎn)和538422個(gè)單元。

　　2. 熱物參數(shù)的選擇

　　搖枕自1999年開(kāi)始采用AAR的B級(jí)鋼，其成分要求在TB/T2942 —1999中規(guī)定為：wC<0. 32% 、wMn< 0.90%、wP <0.04% 、wS <0.04% 、wSi<1.50 %。鑒于目前B 級(jí)鋼的參數(shù)不齊全，在本模擬中采用Pro-CAST 軟件據(jù)庫(kù)中與B 級(jí)鋼極為相近的鋼種AISI5132 ，采用該鋼種的原因如下：

　　( 1) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，模擬計(jì)算的精度主要取決于碳和錳的含量，其他化學(xué)成分的影響較小。

　　( 2) AISI5132 鋼種的各項(xiàng)熱物參數(shù)齊全，有利于保證模擬精度。模擬所需的參數(shù)一般包括導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱、固相分?jǐn)?shù)、固相線溫度、液相線溫度、結(jié)晶潛熱和粘度，該鋼種的熱物參數(shù)見(jiàn)表1。造型用砂為石英砂，其熱物參數(shù)見(jiàn)表2。

　　3. 邊界條件

　　考慮到模型的對(duì)稱性，搖枕計(jì)算模型的邊界條件包括兩個(gè)面對(duì)稱邊界條件，即取搖枕的1/4建模，澆注溫度1357℃。充型速度的計(jì)算如下：

　　充型速度由下式確定：

　　v = m/ A·ρ·t

　　式中 m———鑄件的重量，kg;

　　A———澆道橫截面面積，mm2;

　　v ———充型速度，m/s;

　　ρ———鋼液的密度，kg/dm 3

　　t ———充型時(shí)間，s 。

　　一個(gè)搖枕鑄件及澆冒口的重量為780kg。澆道橫截面面積：

　　Ay = π·R2 = 3.14 ×0. 032 = 0.002826m 2

　　A= 2Ay = 2×0.002826 = 0.005652m 2

　　搖枕實(shí)際充型時(shí)間是35～45s;鋼液的密度取7.74×103kg/m3。由以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算出搖枕的充型速度：vmax = 0.75m/s; v min = 0.44m/ s

　　三、原工藝新結(jié)構(gòu)的搖枕模擬結(jié)果

　　首先采用舊工藝對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的搖枕進(jìn)行凝固模擬計(jì)算，模擬計(jì)算的澆注時(shí)間為32s，與實(shí)際澆注時(shí)間35～45s基本相符。圖2是兩個(gè)不同凝固時(shí)刻的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，用等固相線法所預(yù)測(cè)的缺陷分布模擬計(jì)算結(jié)果如圖3所示。圖2表明冒口下部的凝固順序不盡合理，可能形成縮孔、縮松缺陷; 圖3表明搖枕上部的冒口補(bǔ)縮能力不足，鑄件內(nèi)有較嚴(yán)重的縮松缺陷，為此需對(duì)工藝加以改進(jìn)。

　　為分析搖枕局部位置的凝固順序是否合理，在圖4a和圖4b中選擇11個(gè)點(diǎn)，記錄其冷卻曲線。圖4a中各點(diǎn)的冷卻曲線如圖5所示。由圖5可知，凝固順序?yàn)椋?→11→10，即9點(diǎn)最先凝固，保證了彎曲處( 主要的受力部位) 鑄件材料的致密性。在圖4b中各點(diǎn)的冷卻曲線如圖6、圖7所示。由圖6可知凝固順序?yàn)椋?→2→3→4→8 。由圖7可知凝固順序?yàn)椋?→6→8→7 ，此凝固順序表明，搖枕中間與心盤(pán)接觸的臺(tái)面不能得到充分的補(bǔ)縮。

　　四、工藝改進(jìn)方案

　　加大后冒口尺寸，將側(cè)壁三角筋尺寸加大，垂直方向尺寸由75mm改為110mm，筋的水平方向尺寸及厚度不變，仍分別為75mm、14mm。圖8是側(cè)筋尺寸改變后的不同時(shí)刻溫度場(chǎng)分布，與只加大冒口尺寸時(shí)的溫度場(chǎng)比較可以看出，t = 445s的溫度場(chǎng)有較明顯的改進(jìn)。等固相線法模擬預(yù)測(cè)缺陷分布如圖9所示，從中可以看出，最后凝固區(qū)完全轉(zhuǎn)移至冒口中，凝固順序變得更為合理。

　　為分析局部區(qū)域凝固順序的情況，在搖枕上取如圖4所示的11個(gè)點(diǎn)。圖4a中各點(diǎn)的溫度曲線如圖10所示。

　　由圖10可知，凝固順序?yàn)? →10 (11) ，9點(diǎn)優(yōu)先凝固，保證了彎曲處鑄件組織的致密性。圖4b中各點(diǎn)的溫度曲線如圖11 、圖12所示。

　　由圖11可知，凝固順序?yàn)?→2→3→4→8 。此局部區(qū)域凝固順序合理，補(bǔ)縮冒口的作用得到充分發(fā)揮。

　　由圖12可知，凝固順序?yàn)? →6→7→8 ，此凝固順序表明，搖枕中間與心盤(pán)接觸的臺(tái)面能得到有效補(bǔ)縮。

　　五、結(jié)語(yǔ)

　　( 1) 鑄件凝固溫度場(chǎng)計(jì)算機(jī)模擬可以很好地預(yù)測(cè)鑄件生產(chǎn)中收縮引起的孔洞類缺陷，為改進(jìn)鑄造工藝和結(jié)構(gòu)提供重要的技術(shù)支持。利用ProCAST 軟件模擬計(jì)算了搖枕側(cè)架的原結(jié)構(gòu)和鑄造工藝條件下的凝固溫度場(chǎng)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了缺陷位置，驗(yàn)證了模擬技術(shù)的可靠性。

　　( 2) 凝固模擬的計(jì)算結(jié)果表明，采用新工藝鑄造的結(jié)構(gòu)改進(jìn)后搖枕比舊工藝生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的搖枕具有更高的質(zhì)量。新工藝生產(chǎn)的搖枕內(nèi)部無(wú)明顯的縮松、縮孔缺陷，生產(chǎn)實(shí)踐中經(jīng)對(duì)鑄件的探傷和關(guān)鍵部位的解剖也證實(shí)了這一結(jié)論。

　　( 3) 加大搖枕冒口尺寸，再將側(cè)壁三角筋尺寸加大，可獲得更好的補(bǔ)縮效果，保證缺陷轉(zhuǎn)移到冒口內(nèi)，進(jìn)一步改善了凝固順序，避免了缺陷的產(chǎn)生。