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【摘要】
铸造是属于一种基础产业，在我国的国民经济中占有着十分重要的地位，铸造的产品在机械类产品中占相当大的比例。本文针对数值模拟方法进行典型铸钢件质量方面进行了深入的研究，并充分利用所掌握的计算机数值模拟技术，对铸件冒口根部可能会存在缩孔缺陷问题进行了相应工艺的改进，从而有效地解决了原始工艺中存在的缩孔问题。
【关键词】 铸造工艺，铸件，工艺改进
【中图分类号】TG24
1 前言
圆锥破碎机主要应用于冶金、筑路、建材、化学与硅酸等工业中，通常应用在具有破碎中等以及中等以上硬度的各种岩石和矿石方面。圆锥破碎机的工作原理这是这样的：在工作时，电动机的旋转是通过皮带轮或者联轴器、圆锥破碎机传动轴以及圆锥破碎机圆锥部在整个偏心套的迫动下绕着定点一周后作出旋摆式的运动。从而使得破碎的圆锥破碎壁起到一会靠近轧臼壁表面又一会离开固装在调整套上的轧臼壁表面，使得矿石在破碎的腔内产生不停地受巨大的冲击，以此通过挤压和弯曲作用来达到使矿石破碎。
2 铸造充型凝固过程数值模拟及分析
2.1 充型凝固过程的数值模拟
在对原铸造工艺进行数值模拟之前，我们对铸件的工艺进行了三维转化以及网格的处理，同时我们还对热物性参数进行了相应的运算。对于浇注的温度、时间以及速度等我们在铸造车间都进行必要现场采集过程。经采集后得知浇注时间约35s，浇注温度为1430℃，砂型的温度为环境温度40℃。为了更好地准确模拟产品的缩松、缩孔情况，我们需要对温度场以及流动过程进行了必要耦合运算。如图1所示，是充型刚开始的速度矢量场，从图中我们可以知道，因为产品的存在较高的高度，我们进行了采用底注式的浇道设计，所以金属液的流动相对来说会平稳一些，液面上升也很均匀。这样有利于杂质的上浮以及气体能够平稳地排出。
图 1 充型刚开始的速度矢量场
2.2 数值模拟结果分析
通过运用直接分析法和臨界固相率法对铸件的原始工艺模拟结果进行了分析，发现铸件内部存在较多的收缩缺陷。图2为直接分析法得到的缩孔的分布图， 我们可以看到冒口的根部都有明显的缩孔和缩松缺陷，而且比较大。为了验证这个现象，我们再使用临界固相率法进行了一次分析。
图 2 直接分析法得到的缩孔 图 3 临界固相率法得到的缩孔的分布图
如图 3 临界固相率法得到的缩孔的分布图，同直接分析法的结果一样，下列位置都存在孤立的液相，液相凝固到固相，由于密度的不同，导致收缩后，这个位置将来会存在缩松、缩孔缺陷。这个分析结果同上面的直接分析法的结果基本一致。
3 充型凝固工艺改进
通过对原始工艺的温度场和流动过程所进行的耦合运算以及通过直接分析法和临界固相率法的分析，我们可以得知该铸件内部存在许多的缩孔和缩松缺陷的现象。在整个凝固过程中，现有的冒口无法进行直接补缩，在铸件进行凝固过程中容易出现断流的现象，存在着孤立的液相，从液相凝固到固相，因为其密度情况的不同，从而产生收缩，造成了一定的缩松或者缩孔的缺陷。找到了真正的原因之后，我们可以按照存在缺陷的位置其及缺陷的大小，再进行了认真的分析。通过分析后认为只能加大冒口尺寸以及改变冒口的类型来解决这种类型的缺陷。因为冒口根部铸件的壁厚仅有60至70mm 之间，而铸件整体的高度就已经将近 1000mm。那怕改变冒口的大小，补缩的效果依然不会得到增加。补缩的距离将会受到结构的限制。这个时候我们可以通过采用发热冒口来取代保温冒口的方案。发热冒口存在发热值较高，保温性能较好，发热现象较为均衡，持续时间也很长的等优点。下面我们对其工艺进行改进：
1．首先购买了成型的发热冒口，直径长为180mm，有效长度为 300mm。冒口的形状如图4所示：
2．其次成型的发热冒口的位置向下放置一点，这样做法的好处就是既可以保证其足够的压力，也可以通过补缩来满足铸件。消除一部分因补缩距离过长而无法充分补缩的问题。
3．最后，通过增加冷铁的使用，这样做既可以相当于缩短补缩距离，又可以细化其晶粒。最终结果如三维示意图5所示：
图 4成型发热冒口照片 图 5 铸件改进的工艺的三维示意图
对于其他方面的一些工艺参数的设置，内浇道尺寸确定为4 个 25×50mm，直浇道尺寸是￠80mm；为了更好地避免浇注的速度产生过快而造成冲砂，浇注系统各组元大都是采用成型陶瓷管做成的。都是采用间接冷铁，冷铁与铸型型腔相隔10-15mm之间，冷铁的厚度等于铸件的主要壁厚，在冷铁边缘倒45℃的斜面，形成长、宽约为100mm左右，两冷铁之间间隔 20mm-40mm之间。共计有12块。见图5三维示意图。
4 充型凝固工艺改进后的数值模拟结果分析
我们对已经改进后的工艺方案进行了模拟分析。浇注时间依然定为35s，浇注温度是1430℃，砂型的温度为环境温度的40℃。对温度场以及流动过程进行相关的耦合运算。图 6是属于充型刚开始的速度矢量场，从图中我们可以看出，金属液的流动是相当平稳的，液面上升也较为均匀。
图 6 充型刚开始的速度矢量场 图 7 直接分析法得到的缩孔的分布图
图 7是属于直接分析法得到的缩孔分布图形，我们可以看到各个冒口的补缩效果都十分的良好。以前存在的缩孔缺陷的位置基本上也已经不存在缺陷了。
结论
通过对已经改进后工艺方案的温度场和流动过程耦合运算以及运用直接分析法和临界固相率法的分析后，得知现在的凝固过程中所有的冒口根部都没有出现断流现象，也不存在孤立的液相。这就充分说明了发热冒口和冷铁的共同作用可以很好地满足铸件的补缩需要。这样就可以较好地解决了原始工艺存在的缩孔问题。
参考文献
[1]耿浩然等，实用铸件重力成形技术[M]，化工工业出版社，2003.9
[2]熊守美，铸造过程模拟仿真技术[M]，机械工业出版社，2004
[3]郭善海，基于模拟的铸钢件工艺分析与优化设计[M]，浙江大学，2006
铸造是属于一种基础产业，在我国的国民经济中占有着十分重要的地位，铸造的产品在机械类产品中占相当大的比例。本文针对数值模拟方法进行典型铸钢件质量方面进行了深入的研究，并充分利用所掌握的计算机数值模拟技术，对铸件冒口根部可能会存在缩孔缺陷问题进行了相应工艺的改进，从而有效地解决了原始工艺中存在的缩孔问题。
【关键词】 铸造工艺，铸件，工艺改进
【中图分类号】TG24
1 前言
圆锥破碎机主要应用于冶金、筑路、建材、化学与硅酸等工业中，通常应用在具有破碎中等以及中等以上硬度的各种岩石和矿石方面。圆锥破碎机的工作原理这是这样的：在工作时，电动机的旋转是通过皮带轮或者联轴器、圆锥破碎机传动轴以及圆锥破碎机圆锥部在整个偏心套的迫动下绕着定点一周后作出旋摆式的运动。从而使得破碎的圆锥破碎壁起到一会靠近轧臼壁表面又一会离开固装在调整套上的轧臼壁表面，使得矿石在破碎的腔内产生不停地受巨大的冲击，以此通过挤压和弯曲作用来达到使矿石破碎。
2 铸造充型凝固过程数值模拟及分析
2.1 充型凝固过程的数值模拟
在对原铸造工艺进行数值模拟之前，我们对铸件的工艺进行了三维转化以及网格的处理，同时我们还对热物性参数进行了相应的运算。对于浇注的温度、时间以及速度等我们在铸造车间都进行必要现场采集过程。经采集后得知浇注时间约35s，浇注温度为1430℃，砂型的温度为环境温度40℃。为了更好地准确模拟产品的缩松、缩孔情况，我们需要对温度场以及流动过程进行了必要耦合运算。如图1所示，是充型刚开始的速度矢量场，从图中我们可以知道，因为产品的存在较高的高度，我们进行了采用底注式的浇道设计，所以金属液的流动相对来说会平稳一些，液面上升也很均匀。这样有利于杂质的上浮以及气体能够平稳地排出。
图 1 充型刚开始的速度矢量场
2.2 数值模拟结果分析
通过运用直接分析法和臨界固相率法对铸件的原始工艺模拟结果进行了分析，发现铸件内部存在较多的收缩缺陷。图2为直接分析法得到的缩孔的分布图， 我们可以看到冒口的根部都有明显的缩孔和缩松缺陷，而且比较大。为了验证这个现象，我们再使用临界固相率法进行了一次分析。
图 2 直接分析法得到的缩孔 图 3 临界固相率法得到的缩孔的分布图
如图 3 临界固相率法得到的缩孔的分布图，同直接分析法的结果一样，下列位置都存在孤立的液相，液相凝固到固相，由于密度的不同，导致收缩后，这个位置将来会存在缩松、缩孔缺陷。这个分析结果同上面的直接分析法的结果基本一致。
3 充型凝固工艺改进
通过对原始工艺的温度场和流动过程所进行的耦合运算以及通过直接分析法和临界固相率法的分析，我们可以得知该铸件内部存在许多的缩孔和缩松缺陷的现象。在整个凝固过程中，现有的冒口无法进行直接补缩，在铸件进行凝固过程中容易出现断流的现象，存在着孤立的液相，从液相凝固到固相，因为其密度情况的不同，从而产生收缩，造成了一定的缩松或者缩孔的缺陷。找到了真正的原因之后，我们可以按照存在缺陷的位置其及缺陷的大小，再进行了认真的分析。通过分析后认为只能加大冒口尺寸以及改变冒口的类型来解决这种类型的缺陷。因为冒口根部铸件的壁厚仅有60至70mm 之间，而铸件整体的高度就已经将近 1000mm。那怕改变冒口的大小，补缩的效果依然不会得到增加。补缩的距离将会受到结构的限制。这个时候我们可以通过采用发热冒口来取代保温冒口的方案。发热冒口存在发热值较高，保温性能较好，发热现象较为均衡，持续时间也很长的等优点。下面我们对其工艺进行改进：
1．首先购买了成型的发热冒口，直径长为180mm，有效长度为 300mm。冒口的形状如图4所示：
2．其次成型的发热冒口的位置向下放置一点，这样做法的好处就是既可以保证其足够的压力，也可以通过补缩来满足铸件。消除一部分因补缩距离过长而无法充分补缩的问题。
3．最后，通过增加冷铁的使用，这样做既可以相当于缩短补缩距离，又可以细化其晶粒。最终结果如三维示意图5所示：
图 4成型发热冒口照片 图 5 铸件改进的工艺的三维示意图
对于其他方面的一些工艺参数的设置，内浇道尺寸确定为4 个 25×50mm，直浇道尺寸是￠80mm；为了更好地避免浇注的速度产生过快而造成冲砂，浇注系统各组元大都是采用成型陶瓷管做成的。都是采用间接冷铁，冷铁与铸型型腔相隔10-15mm之间，冷铁的厚度等于铸件的主要壁厚，在冷铁边缘倒45℃的斜面，形成长、宽约为100mm左右，两冷铁之间间隔 20mm-40mm之间。共计有12块。见图5三维示意图。
4 充型凝固工艺改进后的数值模拟结果分析
我们对已经改进后的工艺方案进行了模拟分析。浇注时间依然定为35s，浇注温度是1430℃，砂型的温度为环境温度的40℃。对温度场以及流动过程进行相关的耦合运算。图 6是属于充型刚开始的速度矢量场，从图中我们可以看出，金属液的流动是相当平稳的，液面上升也较为均匀。
图 6 充型刚开始的速度矢量场 图 7 直接分析法得到的缩孔的分布图
图 7是属于直接分析法得到的缩孔分布图形，我们可以看到各个冒口的补缩效果都十分的良好。以前存在的缩孔缺陷的位置基本上也已经不存在缺陷了。
结论
通过对已经改进后工艺方案的温度场和流动过程耦合运算以及运用直接分析法和临界固相率法的分析后，得知现在的凝固过程中所有的冒口根部都没有出现断流现象，也不存在孤立的液相。这就充分说明了发热冒口和冷铁的共同作用可以很好地满足铸件的补缩需要。这样就可以较好地解决了原始工艺存在的缩孔问题。
参考文献
[1]耿浩然等，实用铸件重力成形技术[M]，化工工业出版社，2003.9
[2]熊守美，铸造过程模拟仿真技术[M]，机械工业出版社，2004
[3]郭善海，基于模拟的铸钢件工艺分析与优化设计[M]，浙江大学，2006