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摘要：加强数值模拟技术在铁球桥壳铸造工艺中的应用的研究是十分必要的。本文作者结合多年来的工作经验，对数值模拟技术在铁球桥壳铸造工艺中的应用进行了研究，具有重要的参考意义。
关键词：桥壳 凝固 铸件
Abstract: to strengthen the application of numerical simulation technology in the process of iron casting bridge shell is very necessary. Combined with the author's many years of experience, the numerical simulation techniques are studied in the application process in the iron bridge shell casting, has the important reference significance.
Keywords: bridge shell casting solidification
中图分类号： U463.218+.5 文献标识码： A 文章编号：
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。
1 叉车后桥壳的结构分析
叉车后桥壳铸件的三维结构如图1。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（f处），下部是桥壳端盖，端盖壁较厚，端盖上方位置有一个凸台（e处），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203.5 mm。 不同位置壁厚悬殊，最薄处为8 mm，最厚处（a、b位置）可达45 mm。
2 QT450-10后桥壳的铸造工艺方案及数值模拟
2.1 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=7.5 cm2，F横=11.4 cm2。 在铸件次厚壁处（图1中c、d位置）设置内浇道，铸件厚壁处（图1中a、b位置）热节圆直径为45 mm，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80 mm，冒口颈选用薄而宽的矩形，尺寸为50 mm×20 mm。
2.2 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。
图2是铸件的凝固次序和定量缩孔的分布图，从图2(a)可以看出桥壳后盖顶部薄壁部分先凝固，左侧凸台厚壁部位后凝固， 凝固过程中可能会出现孤立液相区。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。 由图2(b)、(c)、(d)缩孔分布图可以看出当铸件凝固到78.50 s时， 鑄件后盖凸台部位出现一个缩孔，体积为0.03 cm3，当铸件凝固到139.72 s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634.48 s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0.05 cm3。
3 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139.72 s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。
改进后的工艺方案及模拟结果如图3。图3(b)、(c)分别是铸件凝固到80.778 s、139.313 s时的固液相分布图，当铸件凝固到80.778 s时，只有一个液相区， 铸件各部分连通良好， 由于冷铁的作用，铸件从端盖厚壁处向两边凝固，冒口部位最后凝固，这样可以充分发挥冒口的补缩作用。当铸件凝固到139.313 s时，端盖部位已完全凝固。 图3(d)为铸件在改进工艺下的缩孔缺陷分布， 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。
4 结语
通过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。
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，2008，37(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，2003(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.
［4］ 钱怡君，程和法，程兆虎，等. CAE技术在改善球墨铸铁轮毂缩孔中的应用[J]. 铸造技术，2011，32(11):1 505-1 508.
关键词：桥壳 凝固 铸件
Abstract: to strengthen the application of numerical simulation technology in the process of iron casting bridge shell is very necessary. Combined with the author's many years of experience, the numerical simulation techniques are studied in the application process in the iron bridge shell casting, has the important reference significance.
Keywords: bridge shell casting solidification
中图分类号： U463.218+.5 文献标识码： A 文章编号：
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。
1 叉车后桥壳的结构分析
叉车后桥壳铸件的三维结构如图1。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（f处），下部是桥壳端盖，端盖壁较厚，端盖上方位置有一个凸台（e处），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203.5 mm。 不同位置壁厚悬殊，最薄处为8 mm，最厚处（a、b位置）可达45 mm。
2 QT450-10后桥壳的铸造工艺方案及数值模拟
2.1 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=7.5 cm2，F横=11.4 cm2。 在铸件次厚壁处（图1中c、d位置）设置内浇道，铸件厚壁处（图1中a、b位置）热节圆直径为45 mm，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80 mm，冒口颈选用薄而宽的矩形，尺寸为50 mm×20 mm。
2.2 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。
图2是铸件的凝固次序和定量缩孔的分布图，从图2(a)可以看出桥壳后盖顶部薄壁部分先凝固，左侧凸台厚壁部位后凝固， 凝固过程中可能会出现孤立液相区。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。 由图2(b)、(c)、(d)缩孔分布图可以看出当铸件凝固到78.50 s时， 鑄件后盖凸台部位出现一个缩孔，体积为0.03 cm3，当铸件凝固到139.72 s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634.48 s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0.05 cm3。
3 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139.72 s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。
改进后的工艺方案及模拟结果如图3。图3(b)、(c)分别是铸件凝固到80.778 s、139.313 s时的固液相分布图，当铸件凝固到80.778 s时，只有一个液相区， 铸件各部分连通良好， 由于冷铁的作用，铸件从端盖厚壁处向两边凝固，冒口部位最后凝固，这样可以充分发挥冒口的补缩作用。当铸件凝固到139.313 s时，端盖部位已完全凝固。 图3(d)为铸件在改进工艺下的缩孔缺陷分布， 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。
4 结语
通过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。
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，2008，37(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，2003(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.
［4］ 钱怡君，程和法，程兆虎，等. CAE技术在改善球墨铸铁轮毂缩孔中的应用[J]. 铸造技术，2011，32(11):1 505-1 508.