基于AnyCasting的磨輥輥皮鑄造模擬與工藝優化

楊根蓮，谷常偉

(1.馬鞍山職業技術學院 電氣工程系，安徽 馬鞍山 243031；2.安徽昱工耐磨材料科技有限公司，安徽 馬鞍山 243003)

立磨是一種大型粉磨設備，廣泛應用于水泥等行業。立磨工作時，物料經下料溜子落入磨盤中央，在磨盤離心力作用下被甩向邊緣，同時，磨輥垂直向下運動被擠壓在磨盤上，把物料咬入磨盤和磨輥間進行研磨[1]。目前，使用較多的一種立磨的磨輥是由輥體與多塊輥皮組裝而成的。由于在研磨過程中磨輥承受較大的壓力和振動，物料直接接觸輥皮，會使輥皮表面磨損嚴重。當輥皮磨損量達到一定值或發生斷裂時須停機對其進行更換，而頻繁的停機會導致磨機效率低下。為延長輥皮使用壽命并提高磨機經濟效益，輥皮材料通常選用耐磨的高鉻鑄鐵。然而高鉻鑄鐵在凝固時收縮較大，再加上輥皮零件厚大，會導致輥皮鑄造易產生縮孔等缺陷，嚴重影響鑄件的質量。因此，制定合理的鑄造工藝，防止鑄造缺陷的產生，是獲得合格輥皮鑄件的關鍵。

在鑄造工藝設計階段，利用計算機數值模擬技術對鑄造過程可能產生的缺陷進行預測，進而優化鑄造工藝，可有效提高產品研發效率、降低鑄件生產成本[2]。姚柳[3]、王海嘯[4]、尹起[5]和孫義等[6]分別利用AnyCasting鑄造模擬軟件對軸承座、車輛鞍座、機床滑塊、減速器箱體的充型和凝固過程進行模擬，發現了金屬液飛濺、縮孔、縮松等問題，并針對問題進行了工藝優化，均取得較好的效果。綜合以上研究，本文運用AnyCasting軟件對磨輥輥皮鑄造過程進行模擬，對鑄造缺陷進行預測，并根據缺陷的類型和位置提出改進措施，以獲得較優的鑄造工藝方案。

1 鑄件概況

1.1 鑄件結構

某型號立磨的磨輥輥皮結構及主要尺寸(僅標注總體尺寸)如圖1所示。

由圖1可知，該磨輥輥皮結構簡單，但厚度較大，圓心角為30°，柱面內徑為Φ2 030 mm，厚度為185 mm，寬度為800 mm 。

1.2 鑄件材料

高鉻鑄鐵是一種優良的耐磨材料，組織中的M7C3型碳化物硬度高達1 200～1 800 HV。高鉻鑄鐵適用于沖擊能量小、以研磨為主的工況，具有很高的耐磨性[7]。為保證輥皮達到足夠的硬度以滿足耐磨性的要求，同時為使輥皮具備一定的沖擊韌性并獲得相對較優的鑄造、熱處理工藝性能，本研究選用高鉻鑄鐵作為磨輥輥皮鑄造材料，其化學成分見表1。

表1 磨輥輥皮鑄造材料的化學成分及質量分數

2 鑄造工藝設計

2.1 初始鑄造工藝

單個磨輥輥皮鑄件重約680 kg。結合企業現有生產條件，輥皮鑄造采用“一型兩鑄”的方式，2個鑄件共用澆注系統，使用漏包進行澆注，這樣既能提高效率又能節約成本。造型采用樹脂砂和木制模樣，兩箱造型。磨輥輥皮工作表面為外圓柱面，因質量要求較高，在造型時模樣置于下砂箱中，將輥皮鑄件工作面朝下，內圓柱面朝上作為分型面。初始鑄造工藝系統三維模型如圖2所示。

由圖2可知，澆注系統布置在2個鑄件中間，為防止底部工作面晶粒粗大，內澆口設置在鑄件側面，且為使澆注過程充型平穩，減少紊流發生，采用開放式澆注系統。澆注系統各組元截面積比設為ΣF直：ΣF橫：ΣF內=1.0：1.2：1.4。

1)內澆道:每邊2個內澆道,ΣF內=7 200 mm2,采用90 mm×20 mm扁彎陶管;

2)直澆道：ΣF直=5 024 mm2，采用Φ80 mm陶管；

3)橫澆道:ΣF橫=6 050 mm2,采用(50/60) mm×55 mm梯形實樣;

此外，因高鉻鑄鐵在凝固時收縮量較大，為使補縮充分，在每個鑄型上方的中間設置高鉻鑄鐵專用發熱冒口。經計算，選擇S350型冒口，冒口頸口尺寸為Φ210 mm，高度為450 mm。

2.2 基于AnyCasting的初始工藝鑄造模擬

2.2.1 前處理設置

在CAD軟件中對磨輥輥皮鑄造工藝系統各部件進行三維建模與裝配，再以STL格式導入AnyCasting軟件，在anyPRE環境下進行前處理，即進行網格劃分和相關參數設置。

1)網格劃分

選用AnyCasting模擬軟件網格劃分規則中的非均勻網格功能將鑄件和鑄造工藝系統劃分為5 528 736(162×158×216)個網格。

2)相關參數設置

初始條件和求解域邊界條件:澆注方式選重力連續澆注;鑄型、型腔初始溫度設為25 ℃;金屬液與鑄型界面的熱傳導系數為4 187 W/(m2·K),其余各界面參數按實際情況設定。高鉻鑄鐵厚大件澆注溫度一般在1 350～1 400 ℃,為防止收縮過大和黏砂,采用低限澆注溫度1 350 ℃;根據鑄件重量和型腔液位上升速度的要求,確定澆注時間約為30 s;高鉻鑄鐵線收縮率為2%;采用連續表面張力模型。

2.2.2 充型過程

充型初始階段，金屬液經澆注系統流入鑄型型腔。整個充型過程的溫度場變化情況如圖3所示。

由圖3(a)～(c)可知,當澆注時間為2.0 s時,金屬液充滿澆注系統,即將由鑄型側面的內澆口分別向2個鑄型型腔內流動;當澆注時間為19.1 s時,金屬液充滿整個鑄型型腔;當澆注時間為30.2 s時，金屬液充滿冒口。在整個充型過程中，金屬液由內澆口平穩流入型腔，從型腔底部平穩上升，無飛濺，對型腔壁無沖刷，充型過程無澆不足等現象發生。

2.2.3 凝固過程

整個凝固過程如圖4所示。

由圖4(a)可知,型腔壁處溫度降低最快,此處最先凝固;由圖4(b)可知,隨著時間推移,金屬液由四周向中心凝固,冒口從頂部向下進行補縮,當凝固時間為2 091.1 s時，鑄件凝固了約30%，型腔內未凝固的金屬液溫度低于冒口處，要先于冒口凝固，鑄件上方接近冒口頸部與冒口上方凝固時間相當，冒口下方頸部最后凝固；由圖4(c)可知,當凝固時間為10 417.1 s時，型腔、冒口和澆注系統內金屬液完全凝固。

從圖4鑄件凝固順序可知，最后凝固部位在冒口下端冒口頸處，因高鉻鑄鐵具有較大的收縮率，故預測在冒口頸處會出現縮孔。利用AnyCasting軟件對初工件缺陷進行預測分析，預測結果如圖5所示。

由圖5可知,在冒口頸中剖面距離約33 mm處存在縮孔,縮孔距鑄件上表面較近,遠低于理論安全距離46 mm(鑄件厚度185 mm×補縮效率0.25)。在實際生產中，因受鐵水熔煉、澆注溫度和冷卻速度等多種因素影響，縮孔出現在鑄件上表面的風險較大，為此，需對初始工藝進行優化，防止縮孔發生在鑄件上。

3 鑄造工藝優化

3.1 工藝優化分析

在金屬液充滿鑄型和整個工藝系統后，由于砂型型壁傳熱作用，從鑄件中心部位到鑄件表面的溫度梯度是遞減的。隨著型壁導熱的進行，凝固從與型壁直接接觸的金屬液開始逐步向內進行，型腔內金屬液的體積相繼發生了液態收縮和凝固收縮[8]，而冒口內金屬液則向下進行補縮。因高鉻鑄鐵收縮率較大，在最后凝固部位冒口頸或鑄件上表面處將產生縮孔?？s孔使輥皮承載面積減少并產生應力集中，導致輥皮機械性能降低甚至發生斷裂，從而造成較大的經濟損失。

在鑄造生產中，冷鐵有著極其重要的作用。一方面,冷鐵的激冷作用使向著冒口方向的溫度梯度增加,增大了補縮距離。合理利用冷鐵,可有效控制鑄件凝固順序,解決鑄件生產中遇到的縮孔、縮松等缺陷[9]。另一方面,高鉻鑄鐵在凝固過程中易形成粗大晶粒,通過冷鐵設置,可細化晶粒,提高韌性,且高鉻鑄鐵中的M7C3型碳化物在不同的結晶方向有不同的硬度。在實際生產時,在磨損面加放冷鐵進行澆注,可以提高高鉻鑄鐵的耐磨性[10]。

綜合以上分析，本文擬采用在鑄型底部以下增設冷鐵的方式對原工藝進行優化。根據鑄件的大小和厚度，選用8個尺寸為100 mm ×100 mm×100 mm的冷鐵，冷鐵布置效果如圖6所示。

在圖6中，相鄰冷鐵間隔約60～80 mm，且冷鐵安放須避開中間冒口位置，以免冒口下方溫度降低，影響冒口的補縮作用。

3.2 優化工藝的鑄造模擬

將優化后的磨輥輥皮鑄造工藝系統導入AnyCasting軟件并進行模擬，得到的鑄件概率缺陷預測分析結果如圖7所示。

從圖7可知，剖面距離約為82 mm，遠遠大于理論要求的安全缺陷距離46 mm。優化后的工藝模擬結果可有效防止鑄件上出現縮孔。

3.3 優化工藝的生產驗證

按優化后的鑄造工藝生產輥皮，由于高鉻鑄鐵鑄件開箱溫度過高易造成鑄件開裂，一般需鑄件凝固96 h后、溫度低于200 ℃時才能開箱，再經清理、熱處理和機械加工等處理。實際生產鑄件如圖8所示。

由圖8可知，按優化工藝所生產的輥皮鑄件表面光潔，無明顯外露缺陷，硬度可達750 HV左右。鑄件經磁粉檢測和超聲波檢測，符合相關標準要求，淺表部位無裂紋，內部組織致密，無縮孔、縮松等缺陷顯示，產品合格率高。

4 結論

1)選擇合適成分的高鉻鑄鐵可滿足輥皮高耐磨性的要求；

2)輥皮鑄造采用開放式澆注系統，充型過程平穩，無飛濺，對型腔壁無沖刷，且無澆不足等現象發生；

3)高發熱冒口和冷鐵配合使用，經生產驗證，可有效防止輥皮鑄件出現縮孔等缺陷，產品合格率高。