轴承座铸造工艺方案研究及模拟

《大型铸锻件》

ＨＥＡＶＹＣＡＳ．ⅡＮＧＡＮＤＦＯＲＧＩＮＧ

Ｎｏ．１

Ｊａｎｕａｒｙ２０１２

轴承座铸造工艺方案研究及模拟

廖琼王莉张亚才

（天津重型装备工程研究有限公司，天津３００４５７）

摘要：探讨了两种轴承座铸造工艺方案。采用ＭＡＧＭＡ软件对两种方案进行模拟．对比模拟结果，选择较

优方案进行生产，减少生产成本。

关键词：轴承座；铸造；数值模拟中圈分类号：ＴＧ２４，０２４２

文献标识码：Ｂ

ｏｎ

ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ

Ｌｉａｏ

ＣａｓｔｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｆｏｒＢｅａｒｉｎｇＣｈｏｃｋ

Ｌｉ，ＺｈａｎｇＹａｃａｉ

ｃｈｏｃｋ∞℃ｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｂｏｔｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ

ｏｎｅ

Ｑｉｏｎｇ，Ｗａｎｇ

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ｂｅ鲥｜ｌｇ

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ｆｏｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅ

ｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎＣＯｓｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｅａｒｉｎｇｃｈｏｃｋ；ｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

轴承座是机械制造中的典型部件，我公司铸造分厂生产该类铸件已有数十年历史，近年轴承座订货量仍维持较大。为了更好的生产该类铸件，提高效率，降低成本，对现有工艺以及预改进工艺进行模拟比较，使其方案达到最佳，以便进行

最有效率的生产。１工艺方案

１，质量等级Ｖ３，外部状况按ＤＩＮＥＮ１３７１．１，质量等级Ｓ３。

ＥＮ１３６９／ＤＩＮ

根据我厂厂标《铸钢件工艺设计规范》有关内容，并结合轴承座的生产经验来设计工艺参

数‘“：

铸件孔径向线收缩率：１．７％；

机械加工余量：上面和孔面为１６ａｍ，下面和

侧面为１３

ｍｎｌ；

ｍｍ；

轴承座结构如图１所示，材质为ＺＧ３５ＣｒＭｏ，

最大轮廓尺寸约为１重约４

３７４

５６０ｍｍ×９５ｍｉｌｌＸ９１５ａｍ，

工艺补正量：＋５浇注温度：１

５５５—１５６５℃。

ｋｇ。其力学性能满足：Ｒ。≥５１０用ＣＡＸＡ软件对铸件进行建模，并在相应位置添加冒口与冷铁，分别见两个方案的三维模型示意图，如图２所示。然后将铸件、冒口、冷铁分别保存为＋．ｓｆｌ格式文件。１．１冒口设计

铸件冒口的设计是保证铸件质量的关键，冒口的参数应以保证铸件浇注后能使铸件获得充分的补缩为前提，冒口内钢水的补缩效率越高越好。对于此轴承座的铸造工艺方案主要考虑铸件冒口设置的区别。其冒口设置方案主要有以下两种：１）方案一：平浇，在同一侧的大热节上放置一个

冒口，共放置２个冒口，如图２ａ）所示；２）方案二：立浇，将整个铸件所有热节由一个冒口进行补缩，

ＭＰａ，Ｒ。为（７４０—８８０）ＭＰａ，Ａ≥１２％，２０℃冲击功Ａ。。≥２７Ｊ。铸造技术条件接通用技术条件

ＤＩＮＥＮｌ５５９一ｌ，内部状况按ＳＮ２００－２，检验等级

整个放置１个大冒口，如图２ｂ）所示。对这两种

图Ｉ轴承座结构示意圈

Ｆｉｇｕｒｅ１

Ｂｅａｒｉｎｇｃｈｏｃｋｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃｄｒａｗｉｎｇ

方案进行模拟计算，比较铸件内部质量及收得率，

选取最优方案。

收稿日期：２０１ｌ—∞一１６

作者简介：廖琼（１９８５一），女．助理工程师．主要从事大型铸件铸

造工艺研究及数值模拟研究。

冒口的设计是按照冒口宽度Ｄ与该处最大热节圆直径ｄ的关系来确定的，其公式为：

１９

万方数据

Ｎｏ．１

《大型铸锻件》

２０１２

ＨＥＡＶＹＣＡｓＴＩＮＧＡＮＤＦＯＲＧＩＮＧ

ｌｎｎｔｍｙ

（ａ）方案一

图２铸造方案示意图

Ｆｉｇｕｒｅ２

（ｂ）方案二

Ｃａｓｔｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｐｒｏｇｒａｍｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃｄｒａｗｉｎｇ

Ｄ＝（１．３～１．５）ｄ０加ｍｍ

２

Ｘ６。

为了保证冒口的延续度，将冒口长度增加约一个半径的长度。即总长度为１．５Ｄ。其高度日

＝（０．７～０．９）Ｄ

ＭＡＧＭＡ模拟分析

ＭＡＧＭＡ是一套基于有限差分原理编制的用

同时，为了保证冒口对铸件有良好的补缩能力，在冒口周围撞一层保温材料，在冒口上表面要覆盖发热剂和保温剂。

在满足冒口最终凝固条件的同时，还应保证冒口有足够的钢水量对铸件进行补缩。用热节圆法计算的冒口尺寸只说明冒口晚于铸件凝固、冒口下没有缩孔，不能说明冒口是否足够补缩整个铸件，因此需用铸件所需补给量法验算冒口尺寸。其判断依据为Ｇ计葬≥Ｇ女Ｒ；已知铸件的实际毛重Ｇ女际＝５８００ｋｇ，冒口可补缩的铸件最大重量计算值Ｇ”＃按下式计算拉］：

于模拟铸造充型凝固过程的计算机数值仿真软件，分为前处理、网格划分、模拟计算、后处理几个模块。在前处理中，从下拉菜单“Ｆｉｌｅ”中选择

“Ｌｏａｄ

ＳＬＡ”，按照工艺方案导人工艺各组成部分

的＋．ｓｔｌ格式文件。在图中建一个立方体代替砂箱，对于每个部分选择相应类别（ｃａｓｔ、ｆｅｅｄｅｒ、ｃｈｉｌｌ等）以便以不同颜色区分各部分。根据“重迭原则”，最后建的体积有最高的优先度可以占据与它重迭的体积空间。因此，将导人的文件以及砂箱按照砂箱、冒口、冷铁、铸件的顺序排列。前处理准备完成，检查无误后保存退出。进入网格划分模块，根据铸件大小以及模拟经验，选定划分网

格数为２０

０００

Ｇｍ＊＝ｃ－‘孚

式中Ｇ。——冒口的重量；

＂——冒口的补缩效率；ｓ——钢液的凝固收缩值。

其中Ｇ目。＝４

６３００

２００ｋｇ，Ｇｗｂ＝３５００ｋｇ，”＝

５６０

ｋｇ，Ｇ计算ｈ＝

０００，生成网格。完成网格划分后

按照重力铸造过程对铸件材料、热传导系数、凝固以及执行模拟参数进行设置，设置完成后对凝固过程进行计算。运算结束后进人后处理模块，对

模拟结果进行分析和输出。

１４％，５＝５％，经计算Ｇ计算｜＝７以补缩整个铸件。

１．２浇注系统设计

ｋｇ。因此满足判据Ｇ计算≥Ｇ蝙，说明冒口足

根据Ｎ１ＹＡＭＡ判据”１分析该铸件可能存在的缩孔疏松等缺陷。

方案一：ＮＩＹＡＭＡ判据，显示结果如图３所

示。

浇注系统的设置应以使钢液在较短的时间内平稳、快速地流人型腔为原则，同时还要采取必要措施来防止氧化和减少收缩。因而整个浇注系统按照开放的原则来确定各部分的尺寸和数量。包

孔直径６０ｍｍ，为使钢水流动平稳、畅通、快速，需

从图３中可以看出，图３（ｅ）所示为去除冒口后从浇注方向俯视图，冒口下以及轴承座孔中心部位铸件表面质量均较好，基本不会产生缺陷。

方案二：ＮＩＹＡＭＡ判据，显示结果如图４所

示。

保证一定的比例关系，确定的各部数量和尺寸如

下：

直浇道９１００ｍｎｌ、横浇道ａ１００ＩＴｌｎ３、内浇道

２０

从图４中可以看出，在轴承座孔中心底部产生缺陷的可能性较大，且从图４（ｄ）对应的截面为孔下部支撑部位，可以看出多处有可能产生缺陷。

万方数据

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（ｃ）（ｄ）

图４方案二ＮＩＹＡＭＡ分析结果

Ｆｉｇｕｒｅ

４

ＮＩＹＡＭＡａｎａｌｏｇｒｅｓｕｌｔｆｏｒｓｅｃｏｎｄｐｒｏｇｒａｎ

Ｎｏ．１

Ｊａｎｕａｒｙ２０１２

《大型铸锻件》

ＨＥＡＶＹＣＡＳｌｌＮＧＡＮＤＦＯＲＧＩＮＧ

４结论

对弦管的常规检验和低温冲击性能检验结果进行分析，满足白升式钻井平台桩腿用ＡＳｌ７Ｑ弦

ＡＳｌ７Ｑ弦管各项性能指标均满足相关标准

和技术协议要求。

该材料主要用于自升式钻井平台桩腿齿条弦管，以上检测和试验项目均进行了ＡＢＳ和ＣＣＳ现

管的订货要求，满足ＡＢＳ规范要求。同时钢水的纯净度较高，五害元素和Ｐ、ｓ元素含量低，整个试制工艺是可行的，冶炼工艺、锻造工艺及热处理工艺制定合理。整个研制过程处于可控状态，工艺过程有记录可追溯，符合质量保证体系的要求。

场见证，并取得了ＡＢＳ工厂认可证书，可替代进口，为海上自升式钻井平台提供了一种性能优良

的国产材料。

编辑龙礼建

（上接第１８页）

的细小颗粒状碳化物可以说明这一点。此外，能谱分析沿晶断面时，未出现硅、镍等非碳化物形成

元素的谱峰，也可反向证明碳化物的存在。３结论及建议

（１）该电铲杠杆在扩散退火冷却过程中，由

细化晶粒、消除内应力及碳偏析引起的网状碳化物。从实际晶粒度为７．５级分析，正火处理虽然起到了细化晶粒的作用，但是粗大的网状碳化物

却未消除。这是由于正火加热到奥氏体化后，温度偏低或保温时间不够，导致碳化物未充分溶解

于奥氏体中，最终保留至室温。显微组织中未发

现沿实际晶界形成的网状碳化物，说明正火冷却

速度较快。

断口分析结果表明，粗大的沿晶断裂特征，是由网状碳化物引起的，因为其正好对应显微组织

于冷却速度太慢，导致碳化物在晶界析出，形成粗大的网状碳化物。随后的正火加热保温过程中，未使碳化物充分溶解于奥氏体中，仍保留断续的

原始网状碳化物，使晶粒之间的连续性遭到破坏，

中沿原始奥氏体晶界形成的网状碳化物。碳化物

是硬而脆的相，使晶粒之间的连续性遭到破坏，严

在冲击试验时，导致冲击值严重降低。同时，冲击试样Ｖ型口中部存在的显微孔隙也对冲击值偏低有一定影响。

（２）建议提高该产品件扩散退火冷却速度，尤其提高其心部冷却速度，防止碳化物在晶界析出，或者在正火时，使碳化物充分溶解于奥氏体中，然后采用较快的速度冷却。

参考文献

［１］崔忠圻．金属学与热处理．北京：机械工业出版社，２０００．［２］

大型铸锻件行业协会．大型铸锻件缺陷分析图谱．北京：机械工业出版社，１９９０．［３］

束德林．金属力学性能．北京：机械工业出版社，１９９９．１０．

重地降低钢的冲击韧性，致使冲击值只有７Ｊ。此外，冲击试验时，在断口起裂区靠近Ｖ型口中部存在的显微孔隙会产生一定的应力集中现象，从而造成冲击值偏低。

能谱分析结果表明，粗大的沿晶断面上碳及铬、钼等碳化物形成元素相对基体含量较高。虽

然在冲击试验过程中，伴随着断裂的过程，网状碳

化物发生脱落，但是由于碳及铬、钼等元素未充分扩散到原始晶界上，必然会残留一部分在晶界附近形成碳化物，显微组织中网状碳化物附近形成

编辑邓玉

（上接第２１页）

探伤符合图纸要求。

参考文献

［１］黎雅茹，田涛，张亚才．铸造工艺设计规范．２００７（６）：３２—

３结论

通过对轴承座的两种铸造方案进行模拟，可

以看出方案二的工艺方案虽然可以提高冒口的补

４０．

［２］郭明伟，周维海，赵林，等．三峡水轮机不锈钢叶片的铸造

［Ｊ］．大型铸锻件，２００５（２）：１—３．

［３］贾宝仟，柳百成．铸件缩松缩孔判据Ｇ／ＲＩ／２的理论基础及

应用［Ｊ］．铸造，１９９６（４）：１３—１５．

缩效率，却使铸件容易产生缺陷，因此该工艺方案

不能应用于实际生产。而方案一的模拟结果较好，基本不会产生铸造缺陷。因此选用方案一的

铸造工艺方案进行生产。采用此工艺生产的铸件

编辑龙礼建

万方数据