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熔模铸造某不锈钢压力阀铸件研究分析报告

编辑:襄阳市立强机械有限企业时间:2021-05-26

熔模铸造某不锈钢压力阀铸件研究分析报告

一、铸件实际生产缺陷分析







      在不锈钢压力阀的实际生产过程中,往往存在许多因素影响着铸件的成型质量,从已生产的带缺陷铸件的样品上分析可见(如图1),铸件在压力阀阀壁转角处存在缩松缺陷(如图2),严重影响其成型质量,造成产品不合格。


二、对不锈钢阀体的成型过程进行仿真分析

  1、压力阀的三维模型





       弯管接头的包容尺寸为长186mm120mm186mm,两断面的平均厚度为12.5mm。材料为304不锈钢。弯管接头的三维模型如图3示:


2、将不锈钢压力阀导入PROCAST 2019中进行仿真分析

 2.1网格划分及边界条件

     采用任意浇注系统,将该不锈钢回转体压力阀的模型文件导入PROCAST的Mesh模块中,对其进行网格质量检测,全局网格单元尺寸设置为4,生成116162个面网格,添加6mm型壳后在面网格基础上生成了666312个体网格。前处理面网格划分情况及型壳生成情况如图4、5所示。


      切换到cast模块,设置仿真模拟参数,材料铸件选择为304不锈钢、型壳材料选择为锆石砂。初步设定浇注温度为1550℃,型壳预热温度为1150℃,采用重力填充。界面换热系数选择COINC类型,换热系数可由下面公式求得,经计算和综合考虑取304不锈钢与锆石砂的界面换热系数为Q=500W/(m2?K)


式中:Ta——环境温度

         ε——材料反射率

         h——对流换热系数

         σ——Stefan Bolzman常数

2.2 充型过程数学模型

     304不锈钢熔融金属液体的充型过程是不可压缩的流体在型壳内非定常粘性流动过程,可用连续方程、动量守恒方程、能量守恒方程、体积函数方程来描述。

连续方程:

ux、uy、uz为流动速度在X、Y、Z上的分量。

动能守恒方程用Navier-Stokes方程描述,紊乱计算采用了标准k-ε模型。

 

其中:

ρ——流体密度

t——时间

P——单位密度压力

μ——运动粘度

g——重力加速度

能量守恒方程:

其中:

C——比热

K——导热系数

T——温度

体积函数方程:

其中:

F——体积函数

F=1(充满状态),F=0(空格状态),0<F<1自由表面。

2.3 304不锈钢金属液体凝固过程数学模型

     一般介于不锈钢的凝固采用非线性传热有限元计算凝固过程。其传导方程为:

    结合理论常识,分析不锈钢在熔模铸造过程中凝固特点和的散热特点,采用热焓法进行凝固潜热的处理。

2.4填充过程

     基于有限元的PROCAST仿真填充过程如图所:分别为填充20%(图6)、50%(图7)、80%(图8)、100%(图9)时的温度分布情况。


2.5凝固过程

     不锈 钢液压阀铸件的凝固过程由图10、11、12、13可知:


2.6仿真结果及缺陷分析





     仿真结果可知,在缩松率为3%的情况下,缩松缺陷分布情况如图14所示(工程上一般认为缩松率小于3%为合格,也即铸件致密度达97%)




     由仿真结果可知,在相对较优位置设置浇注系统时,铸件的缺陷普遍分布在液压阀阀体壁转角处,内浇口离阀体两断面较近的一端面由于补缩距离短,补缩容易,故出现缩孔缺陷的情况少,而离内浇口较远端面则容易出现缩孔缺陷。


三、理论分析及浇注系统优化

       熔模铸造不锈钢压力阀零件是一种复杂的多因素交互作用的生产过程,合理的浇注系统设计不仅影响着铸件的凝固、收缩和冷却时的温度场分布,还负责金属液体的分配和进入型壳的状态,浇注系统设计的好坏与铸件是否产生缺陷有很大关系,所以从理论着手考虑缩孔产生的原因,并加以改善是优化收缩缺陷的基本手段。

3.1预测缩孔形成的原因

     铸件在凝固过程中,由于合金的液态收缩和凝固收缩,往往在铸件凝固的部位出现孔洞容积大而集中得孔洞称为集中缩孔,细小而分散的孔洞称为分散性缩孔。根据缩孔位置不同,缩孔又分为内缩孔和凹角缩孔。结合上述分析,可知压力阀的铸造过程中出现的缺陷主要是凹角缩孔。

产生原因主要有以下几点:

(1)铸件的结构不合理。

(2)铸件凹处的散热条件差。

防止该类缩孔形成的方法一般有以下几种:

(1)改进铸件的结构,适当地加大凹处的圆角。

(2)改善铸件凹角处的散热条件。

(3)合理设置浇注系统,改善凹角处补缩条件。

经过分析,对铸件结构进行更改和加大散热条件实施困难不易实现,故考虑对铸件的浇注系统进行合理设计。

3.2设计浇注系统

     浇注系统一般由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道、冒口组成。

3.2.1确定浇注位置

       铸件的浇注位置是指浇注时铸件在型内所处的位置,浇注位置的确定是铸造工艺设计中的重要一环,关系到铸件的质量能否得到保证,也涉及铸件尺寸精度及造型工艺过程。结合回转体压力阀的结构特殊性,在铸件任意两端面同侧设置浇口,另一端面就有很大可能出现缩松或者缩孔,故将内浇口在铸件两端面各设置一个,避免铸件在转角处形成较大缩松缩孔缺陷,同时,这样的设计也保证了铸件的重要加工面应朝下或呈侧立面的设计要求。

3.2.2选择浇注系统的类型和结构

       按内浇口在铸件的相对位置来分,此次不锈钢压力阀的浇注形式为顶注式,采用顶注式浇注形式的原因主要有以下两点:

(1)顶注式的浇注形式致使铸件所形成的温差与一般铸件由底部开始逐渐向上的凝固顺序一致,能加强凝固的顺序性,有利于顶部浇冒口对铸件的补缩,可减小轴向缩松的倾向。

(2)从顶部往底部充型的填充方式,易于铸件的充满,可减少铸件浇不足、冷隔等缺陷。





        直浇道是制壳操作中的支柱,对于单一组件即不成模组的直浇道的设计尺寸要求如下:(以1kg铸件质量为比照)直径D=20~60mm,长度为70~100mm。为防止紊流及飞溅,在浇道末端设有缓冲器,缓冲器的底端位置低于内浇口20~40mm,结合压力阀的结构,初步设定直浇道的长度为100mm、直径为24mm,端面面积为内浇口端面面积的1.4倍,便于利用重力进行填充,减少缩松,缓冲器的底端距内浇道的距离为30mm.横浇道的作用是分配液流、补缩、挡渣。设置其截面形状为圆形,长度适宜。设计的浇注系统结构如图15、16所示:


图15 浇注系统的结构


图16 铸件与浇注系统






3.2.3选择内浇道的形状与数量





       内浇道的横截面形状一般有矩形、圆形、环形、扇形、缝隙式等。结合铸件结构,考虑压力阀在端面存在八个螺纹孔的特点,故采用扇形内浇道横截面积较为合理,根据设计原则,内浇道的长度应在便于切割的前提下,越短越好,一般为10~15mm,为保证切割方便,将扇形内浇道长度设计为12mm.两侧端面各布置一条内浇道,故内浇道的数量为2,内浇道的布置形式如图17。


图17 内浇道

四、对优化后的弯管接头进行仿真分析

      根据所设计的浇注系统,创建铸件及浇注系统的的三维模型,将其导入到PROCAST中进行缺陷预测,对导入的模型进行网格划分,为了提高计算结果的准确性,单元网格密度设置为4,总的面网格数量为147072个(图18),画出型壳后进行体网格划分,总的体网格数量为785303个(图19)。

图18 面网格划分

图19 型壳体网格划分


     进入cast模块,设置相关工艺参数,重力方向为-Z,材料属性为合金,编辑材料为304不锈钢,型壳材料为锆石砂,浇注温度对铸件的影响也较大,经过多次调整仿真试验,试验结果显示,当浇注温度为1580℃时,铸件的缩松缩孔情况能得到较大程度改善。浇注前,型壳需进行预热处理,考虑到型壳预热温度的高低也会影响铸件成型质量,故将型壳预热温度调整为1220℃,有利于降低铸件内部缩松缩孔缺陷。不考虑辐射换热,冷却形式为风冷,不锈钢与膜壳的界面换热系数为500 W/(m2?K),浇注过程中温度场分布、凝固过程如下图:分布为填充到20%时温度场分布情况(图20)、填充50%时温度场分布情况(图21)、填充80%时温度分布情况(图22)、填充100%时温度分布情况(图23),填充完成后冷却时温度情况(图24)。

图24 冷却时温度场


      凝固过程如图25~28所示,分别为铸件在凝固10%、30%、50%、100%时的状态图,从凝固过程上来看,在金属液冷却时,各处的金属液都有较好的填充,且凝固顺序基本一致,凝固顺序基本由中心向两个浇口方向凝固,铸件凝固过程中无明显孤立液相区。

图27 凝固50%

图28 凝固100%

金属液在型腔内的填充动态情况如下图29。


在型腔被填满后,金属液在型腔内的冷却动态过程如图30。凝固完成后,对铸件进行缩松缩孔率进行考察,当铸件的致密度达98%时的缩松缩孔情况如图31、32所示:


从仿真结果可以看出,在原压力阀转角处易发生缩孔的部位缩孔基本消除,优化效果较为明显,图(33a、b)是优化前后缩松缩孔情况对比。

五、不锈钢压力阀缩孔缺陷优化方法

第1步:分析产生缩孔缺陷的可能原因。形成缩孔的基本原因是合金在液态收缩和凝固时,铸件某部位(通常是凝固的热节)不能及时得到金属液的补缩,就在该处产生缩孔。对于共晶合金或凝固温度范围较窄的合金,其铸件容易产生缩孔。在合金成分已定时,热节过多、过大,浇冒口系统设计不当,不利于顺序凝固,导致热节处不能得到液态金属的补缩,或浇注温度过高也可导致缩松缩孔。

第2步:重新优化设计浇注系统。改变铸件结构、改进熔炼工艺等其它优化方法或许对修复缩孔缺陷有帮助,但是结构现有条件的实际情况,及方案实施的难易程度,从优化浇注系统入手来消除压力阀的缩孔缺陷是较为可行的方法。

第3步:确定浇注系统的布置形式和尺寸参数。合理确定浇注位置,并设计出一套完整的浇注系统,严格按照设计要求设置内浇口、直浇道、横浇道、浇口杯、缓冲器,并根据设计要求确定其尺寸参数。

第4步:调整工艺参数进行模拟分析。适当调整不锈钢金属液的浇注温度为1180℃,浇注速度为1kg/s,型壳预热温度为1120℃,设置金属液填充的重力方向,检查各参数是否设置正常,进行仿真运算。

第5步:仿真结构分析。对Procast仿真结果进行分析,在缩松缩孔率一栏查看缩松缩孔率为2%时,即致密度达98%时的铸件缩孔情况,并通xy、xz、yz方向的切片图查看铸件是否有缩孔缺陷。

六、结论

根据上述分析及仿真结果可以得出以下结论:

(1)由于压力阀的结构具有回转体特性,将内浇道设置在一侧极易造成另一侧阀体转角处出现缩松缩孔缺陷,建议在设置内浇道时保持两端面对称分布的特点。

(2)金属液在进入型腔后的流动性好坏会影响铸件的成型质量,在仿真过程中,将浇注温度从1550℃调整到1580℃时金属流动性变好,铸件转角处补缩情况改善,缩孔率减小。

(3)铸件在优化后的凝固过程中,型腔内金属液顺序凝固,且无明显热节、孤立液相区出现,凝固完成后,压力阀无明显缩松缩孔现象。

 


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