加工中心滑枕铸造工艺数值模拟与优化_CNC加工中心

前言：

滑枕是大型加工中心上的_个重要部件，对加工中心整体精度、性能起到了决定性的作用。对于大型CNC加工中心滑枕的材质一般使用球墨铸铁。由于球墨铸铁共晶凝固时间相对较长，易造成外売相对薄弱，在二次膨胀过程中，容易造成滑枕出现缩孔、缩松缺陷^[11。研究中针对滑枕实际铸造中出现的缺陷，通过ProCAST进行数值模拟，并对工艺设计进行优化，得到加工中心滑枕的最佳铸造工艺，为同类大型球墨铸铁件的铸造加工提供参考借鉴。

1滑枕材料与结构

1.1滑枕材料

本研究中滑枕铸件的材料为QT600-3，滑枕材料具体成分如表1。

表1滑枕材料成分W (%)

Tab.l The composition of slippery pillow

c	Si	Mn P	S	RE	Mg	Fe
3.4 ?3.6	2.6 ?2.8	0.4?0.7 <0.07	<0.03	0.03-0.05	0.03-0.06	余量

1.2滑枕结构

加工中心滑枕整体为箱体式结构，外部轮廓尺寸为3 942 mmx545 mmx492 mm，平均壁厚 92 mm，中间具有多道筋板，厚度不一，且外壁有多个窗口结构，整个铸件形体庞大、结构复杂'铸件结构剖面图如图1。

2原铸造工艺设计

2.1铸件缺陷分析

滑枕结构复杂，属于复杂大型球墨铸铁件。原铸造工艺设计为双排内浇道立浇底注浇注方式，并设计楔形明冒口进行补缩，冒口颈尺寸设计较小，并放置数量较多冷铁提高冒口颈凝固速度，达到通过石墨化膨胀补缩的目的，浇注系统采用先开放后封闭形式，内、横、直浇道面积比为1.3:15.7:1，内浇道设计为长方形，尺寸为23mmx50mm。铸造工艺方案设计如图2。

2.2铸件缺陷分析

在实际生产中，此加工中心滑枕经过磨削加工后，在铸件表面有较多孔洞缺陷出现，整个孔洞外形并不规则，内部成灰色，显然这种孔洞并非气孔。根据孔洞内部的化学成分分析，其内部氧、硅含量较高，球化过程中有些上浮不及时的夹杂物将直接影响最后石墨形成。同时，夹杂物也会阻碍铁液流动与补缩效果，致使缩松、缩孔缺陷出现。因此，现有铸造工艺存在问题，需对其进行优化。

3铸造工艺数值模拟

针对铸造工艺方案，通过建立有限元模型后，使用数值模拟软件ProCAST对铸造工艺进行模拟^w，通过ProCAST软件对初始工艺生产铸件的缩松缩孔模拟结果如图3。

从模拟结果（图3)分析，该工艺设计中铸件壁与筋板的交接处出现了比较严重的缩松缺陷，模拟结果也验证了实际生产中出现的问题。根据分析，球墨铸铁件依靠自身石墨化膨胀抵消液态与凝固收缩效果甚微。当铸件庞大、结构复杂时，浇注温度受到铸件长度的影响会出现较大的梯度，同时凝固无法实现，由此内浇道与冒口的补缩作用尤为重要。

4工艺优化方案及结果

4.1工艺优化

(1) 冒口优化原设计中冒口采用明鸭嘴冷冒口的设计形式，为提高冒口颈的冷却效果，冒口颈铸件下部放置了大量冷铁，从实际效果看，这种方式虽阻止了冒口的先行凝固，但也使冒口失去了补缩作用。由此优化设计中还是首先考虑冒口的补缩作用，将冒口改为圆形暗冒口，顶部设计为半球形，并增大冒口模数，加大冒口高度与冒口颈尺寸，保证冒口颈晚于铸件凝固，形成从下至上的补缩梯度，提高冒口补缩效果，改进后效果如图4所示。

针对优化后的方案使用ProCAST软件安装同样参数设置进行缩松缩孔缺陷模拟，由模拟结果分析，缩松缺陷依然存在，改进效果不够理想。进—步分析，其原因为冒口颈下部冷铁数量较多，过早切断补缩通道所致，因此对冷铁布置做进一步优化。

(2)冷铁布置优化原设计中根据实际生产经验，将冷铁主要布置在厚重位置，在冒口颈、内浇道上部冷铁数量较多，根据分析，冒口颈位置的冷铁导致冒口颈快速凝固致使补缩通道被过早阻断，导致了铸件补缩效果不佳。因此采用了适当减少原设计中冒口颈部位冷铁的数目，并将冷铁位置适当向下调整的方式进行优化，冷铁优化方式如图5所示。

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结束语：

针对大型滑枕的铸造结构较为复杂，铸造难度大的问题，以滑枕为研究对象，研究其铸造工艺，并根据实际生产中缩松、缩孔缺陷比例较多的问题，通过ProCAST模拟软件对铸造工艺中可能出现的缺陷进行分析，并提出了优化措施，经过数值模拟及生产验证，方案优化后很好的解决了大型球墨铸

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加工中心滑枕铸造工艺数值模拟与优化

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