差速器轴承盖的铸造工艺设计及数值模拟

胡冰涛，吕 猛

（太重集团榆次液压工业有限公司铸造分公司，山西晋中 030600）

随着对机械装备性能要求日益提高，对铸件品质的要求也日益提高。为了提高铸件使用的安全性、可靠性，对铸件的内部质量检测的要求越来越高。所以，必须利用高新技术，提高铸件质量，改变铸件技术含量不高的现状。

传统铸造工艺设计的时候往往依赖于工艺设计人员的直觉经验，并且工艺的验证需要反复的实际浇注，如果工艺有错误，则可能造成模具报废，不仅仅造成经济损失，还造成产品试制周期延长，可能导致订单丢失，从而影响到企业的竞争力[1]。目前，数值模拟分析技术已较为成熟[2]，铸造CAE技术结合计算机辅助技术，以传统铸造理论和铸件凝固过程中的温度场变化等理论为基础，运用流体力学、热力学和有限元等数值分析理论[3]对铸造过程的充型、冷却、凝固等进行仿真分析，使铸造过程变得形象化、可视化。在软件的后置处理模块中观察铸件充型与凝固过程的模拟结果，预测可能出现缺陷的位置及大小[4]。随着技术的发展，铸造过程模拟已经成为了铸造生产的一个必要环节，得到了极大的推广，为铸造企业带来了不可估量的效益[5]。

1 差速器轴承盖的结构分析

差速器轴承盖形状及结构如图1所示，该铸件的轮廓尺寸215 mm×119 mm×48 mm，重量为4 kg，最大壁厚为42 mm，最小壁厚为10 mm，材质为国标QT450-10，要求内部及外表面不能有任何缺陷。

图1 差速器轴承盖铸件图

该铸件在图中1、2两处为壁厚最厚处，3处为壁厚最复杂位置，3处中间凸台两边为两个凹坑，铸件背面同样位置也有两个凹坑，导致此两个凹坑处为壁厚最薄处。

2 初始铸造工艺方案

考虑到铸件上1、2两处为铸件上壁厚最厚处，依据经验判断，在铸件凝固后期会在此处出现缩松、缩孔缺陷，故直接使用冒口在此处进行补缩，1、2两处各放置一个直径70 mm冒口，冒口采用“一拖二”的形式，即每一个冒口同时对两个铸件进行补缩。浇注温度选择为1400℃～1 350℃，浇注时间为6 s～8 s，冒口直径为70 mm，然后对该方案进行模拟分析。在满足实际要求的前提下，为使问题简化，就某一特定要求，对主要过程进行模拟，在一般情况下，若铸件充型时间和整体凝固时间相比很短时，常常可以假设铸型是瞬时充满的，这时只需计算温度场即可[6]。因为该铸件浇注时间短，仅为6 s～8 s，所以在模拟工艺方案时，仅模拟铸件的凝固过程即可，而无需考虑浇注系统的形式等其他方面因素的影响。

图2 初始方案模拟结果

图2 为初始方案模拟结果，从图上可以看出，铸件上区域1与区域3交界处，以及区域2与区域3交界处存在明显的缩松、缩孔。图3为凝固过程中某一瞬时的状态，可以看出铸件在凝固过程中补缩通道提前关闭，无法对出现缩松区域进行有效补缩。这种情况是无法通过增大冒口或者增大铸件进水口尺寸来进行弥补的。

图3 铸件凝固过程某一瞬时状态

3 工艺方案改进

根据初始工艺方案的模拟结果发现，由于铸件上补缩通道提前关闭，无法进行有效补缩，该方案无法获得合格的铸件，必须对铸件工艺方案进行改进。根据铸件的结构来看，将冒口移至图1中位置3处，可以对铸件上出现缩松的两个位置同时进行补缩，改进后的工艺方案仍然使用“一拖二”方案，冒口大小为70 mm，为了利于冒口对铸件进行有效补缩，将冒口颈宽度做成60 mm，高度受限于铸件厚度做成15 mm.改进后工艺方案如图4所示。

图4 改进后工艺方案

将改进后工艺方案进行凝固模拟分析，其结果如图5所示，从图上可以看出，铸件上区域1与区域3交界处，以及区域2与区域3交界处仍然存在两处微小的缩孔区域。

图5 改进后工艺方案模拟结果

继续将方案进行优化，将冒口直径增大为80mm，同时铸件上进水口宽度加宽，增加为70 mm，并再次进行凝固模拟分析，其结果如图6所示，可以看出与一次改进后结果几乎相同，这说明在现有条件下，仅仅通过增大冒口和增加冒口颈宽度，已经无法完全消除铸件内部存在的微小缩松。

根据改进后一次、二次工艺方案凝固模拟分析结果来看：使用直径70 mm和直径80 mm的冒口，对铸件内部模拟分析情况下存在的缩松、缩孔缺陷已经无法避免，但是根据模拟分析结果来，此两处存在的微小的缩松、缩孔在实际生产中可能不会存在，可以先按照第一次改进后方案进行生产试制。

图6 二次改进后工艺方案模拟结果

4 生产验证

使用铸造CAE辅助技术对差速器轴承盖的工艺设计进行模拟改进后，使用第一次改进后方案进行了样件试制（见图7），首批试制20箱，共计80件，全部经过NDT验证，未发现缩松、缩孔缺陷的存在。小批量试制100箱，共计400件，抽检50件，亦未发现问题。目前，该铸件已经实现了稳定批量生产，年产量达到10 000件以上。

5 结论

铸造CAE辅助技术的应用，缩短了铸件的工艺设计和生产周期，降低了生产研发的成本，极大地提高了铸造经济效益，实现了供应商和顾客双赢的目标。

图7 铸件生产情况