1、引言
目前國(guó)際上球磨機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是向大型化發(fā)展，其筒體兩端的端蓋尺寸也越來(lái)越大。端蓋材質(zhì)一般采用鑄造低合金鋼，其凝固特性決定了鑄件易形成顯微疏松，磁粉探傷后出現(xiàn)超標(biāo)磁痕顯示，特別是精加工后不易進(jìn)行返修焊補(bǔ)和回火處理。傳統(tǒng)鑄件工藝的設(shè)計(jì)方法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定鑄造工藝，試澆鑄，檢驗(yàn)試樣是否存在澆鑄缺陷，如有則修改工藝方案，然后重復(fù)上述過(guò)程，直至獲得合格鑄件。由于這種方法必須在澆鑄件后才能對(duì)鑄件工藝是否合理進(jìn)行評(píng)價(jià)，因而其設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高，效率低，而且最終得到的往往不是最終工藝方案，尤其對(duì)于大型或復(fù)雜形狀的鑄件更是如此，球磨機(jī)端蓋由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鑄件壁厚變化較大，在軸徑和R出上述問(wèn)題不易控制，成為制約生產(chǎn)和保證外商交貨期的最主要問(wèn)題。
本文模擬美國(guó)SVEDALA公司的球磨機(jī)端蓋，鑄件最大直徑∮9000m，高897mm，鑄件毛重69.2t，端蓋凈重40.4t。如果通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)鑄造過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，將以上過(guò)程在計(jì)算機(jī)中可以不經(jīng)實(shí)際澆鑄即可確定鑄件中可能出現(xiàn)的缺陷位置，評(píng)價(jià)鑄造工模擬的合理性。結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)備，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短試制周期，降低生產(chǎn)成本，是先進(jìn)制造技術(shù)改造傳統(tǒng)工業(yè)的應(yīng)用實(shí)例之一，富通新能源銷(xiāo)售球磨機(jī)、雷蒙磨粉機(jī)等磨機(jī)機(jī)械設(shè)備。
2、球磨機(jī)端蓋的鑄造工藝
2.1模擬對(duì)象
模擬對(duì)象是中信重機(jī)公司生產(chǎn)的大型球磨機(jī)鑄鋼端蓋。鑄件根據(jù)METSO標(biāo)準(zhǔn)A06-000015鑄造，材質(zhì)為ASTM A216WCA，碳含量不高于0.25，硅含量不高于0.60，錳含量不高于0.70，磷硫含量分別不高于0.040和0.045。鑄件最大直徑∮9000，高897mm，毛重69. 2t k g，鑄件凈重40. 4t。由于鑄件尺寸過(guò)大，設(shè)計(jì)為1/4方式生產(chǎn)，然后再用螺栓拼接成型。每次澆注兩個(gè)1/4部分（即半個(gè)），目的是防止鑄件變形。鑄型材料為水玻璃石英砂，澆注溫度1540～1560℃。技術(shù)要求：(1)鑄件根據(jù)METSO標(biāo)準(zhǔn)A06-000015鑄造，材料為ASTM A216 WCA，含碳量不高于0.25，(2)關(guān)鍵區(qū)域1，全部圓周部分100%超聲波探傷，要求達(dá)到II級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；關(guān)鍵區(qū)域2，全部圓周部分100%超聲波探傷，要求達(dá)到III級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。(3)經(jīng)METSO書(shū)面授權(quán)，消除應(yīng)力后不得進(jìn)行挖割或補(bǔ)焊。
2.2實(shí)體造型及鑄造工藝
(1)在鑄件的內(nèi)錐面外圈放置∮375mm冒口12個(gè)高560mm，其冒口套的尺寸為0515mm;兩端放置∮450mm冒口各一個(gè)高560mm，冒口套的尺寸為∮580mm;中間放置450mm×650mm冒口高560mm，冒口套的尺寸為580mm×780mm。
(2)鑄件的內(nèi)錐面中圈放置325mm×500mm冒口7個(gè)高480mm，冒口套的尺寸為435mm×610mm;兩端放置∮330mm冒口各一個(gè)高480mm，冒口套的尺寸為∮430mm。
(3)在鑄件的內(nèi)錐面內(nèi)圈放置∮300mm冒口8個(gè)高460mm，冒口套的尺寸為∮420mm;中間放置300mm×450mm冒口高460mm，冒口套的尺寸為435mm×585mm。
(4)錐面下，在冒口間放冷鐵兩圈寬300mm厚150mm。目的是防止該處由于冒口難以補(bǔ)縮而產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，并劃分冒口的補(bǔ)縮區(qū)域，提高冒口的補(bǔ)縮效率。
(5)鑄件的底座處用厚150mm冷鐵一周砌滿(mǎn)。目的是加速此部位的凝固，以避免產(chǎn)生熱裂紋。
(6)鐵于鑄件間用20mm的刮沙層隔離。
(7)其加工余量為外圓30mm，內(nèi)圓30mm，內(nèi)、外側(cè)為35mm，上（含內(nèi)錐面）35mm，下30mm，縮尺2.0%。鑄造工藝如圖2-1所示。
模擬計(jì)算之前，必須先生成鑄件的三維實(shí)體模型。可以使用任意成STL格式文件的應(yīng)用造型軟件來(lái)完成這一工作。考慮到應(yīng)用軟件的普及程度和易操作性，選用Solidworks進(jìn)行造型。完成后的三維鑄件模型如圖2-2。
3、球磨機(jī)端蓋鑄造工藝計(jì)算機(jī)模擬
3.1凝固模擬
由Solidworks進(jìn)行造型后，用華鑄軟件進(jìn)行凝固模擬。華鑄軟件有三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊組成，即前置處理部分、計(jì)算處理部分、后置處理部分。
(1)前置處理：STL選擇一優(yōu)先級(jí)別設(shè)定（鑄件、特殊材料、冷鐵、冒口套、鑄型、絕熱材料）一參數(shù)輸入（網(wǎng)格大小：25mm，縮尺比例：1.02）一剖分結(jié)果一顯示參數(shù)
(2)計(jì)算處理：
開(kāi)始計(jì)算前，必須先確定鑄件和鑄型的物理性質(zhì)。模擬計(jì)算時(shí)必須確定鑄件和鑄型的初始溫度。實(shí)際澆注完成后的瞬間，鑄件和鑄型的溫度應(yīng)該是不均勻的。因而假設(shè)鑄件和鑄型的初始溫度分布是均勻的計(jì)算。計(jì)算涉及的物理性質(zhì)參數(shù)如表3-1。
計(jì)算初始溫度為：鑄件溫度1540℃， 環(huán)境溫度20℃。
模擬計(jì)算根據(jù)編制程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中，每隔一定時(shí)間(本例取60s)對(duì)鑄件各單元的溫度
分布進(jìn)行存儲(chǔ)。計(jì)算循環(huán)直至每一單元溫度均降低至固相溫度止。結(jié)晶過(guò)程中產(chǎn)生的凝固潛熱用溫度
補(bǔ)償法和等價(jià)比熱法處理。過(guò)程為：計(jì)算選擇一文件轉(zhuǎn)換一物性參數(shù)設(shè)置一界面導(dǎo)熱系數(shù)一設(shè)置溫場(chǎng)
基礎(chǔ)參數(shù)一溫度場(chǎng)初始化一自動(dòng)存盤(pán)一顯示控制。
(3)后置處理
對(duì)計(jì)算過(guò)程中儲(chǔ)存的溫度場(chǎng)分布和缺陷位置，應(yīng)用圖像處理技術(shù)生成虛擬的鑄件圖，進(jìn)行BMP處理，BMP集成AVI動(dòng)畫(huà)等。從而直觀地觀察到鑄件的凝固過(guò)程（圖3-la,b）與凝固結(jié)束后內(nèi)部的缺陷分布狀況（圖3-lc，d）。由圖中可看出，鑄件中除冒口中存在補(bǔ)縮形成的縮孔外，只在冒口中間處有少量縮孔存在。說(shuō)明此鑄造工藝基本上是合理的。模擬結(jié)果與工廠實(shí)際澆鑄的結(jié)果吻合。
圖中的紅色部分為液相區(qū)，綠色部分為固相區(qū)。圖3-1 (a)、(b)中的冒口中間兩部分可以看出出現(xiàn)的獨(dú)立液相區(qū)，于圖3-lb中可以清楚的看出，有兩圈間斷的紅色區(qū)域（即獨(dú)立液相區(qū)）這就意味著，在凝固的過(guò)程中這部分將不會(huì)被補(bǔ)縮，就很容易出現(xiàn)縮松、縮孔現(xiàn)象，使鑄件產(chǎn)生缺陷。圖3-1 (c)、(d)中也可以看到在鑄件的底座處也出現(xiàn)了獨(dú)立液相區(qū)，同樣也出現(xiàn)了缺陷。
冒口中間即放冷鐵處有少量縮孔存在，以至于出現(xiàn)孤立液相區(qū)，所以增厚，增加冷鐵，以改進(jìn)其激冷效果。工藝修改后，再進(jìn)行模擬。具體改進(jìn)工藝如下：(1)在外錐面下的兩圈冷鐵加厚到250mm，并把刮沙層的尺寸由20mm減少到15mm。(2)在鑄件的內(nèi)圓中加10塊弧長(zhǎng)200mm，厚150mm，高與內(nèi)圓弧面高相等的冷鐵，冷鐵間的間隙230mm。冷鐵與鑄件間的刮沙層厚度為15mm。(3)其他部位的工藝不作改動(dòng)。
改進(jìn)后用華鑄軟件進(jìn)行工藝模擬，結(jié)果如圖3-2所示，圖中的藍(lán)色部位為冷鐵。
然后應(yīng)用圖像處理技術(shù)生成虛擬的鑄件圖，進(jìn)行BMP處理，BMP集成AVI動(dòng)畫(huà)。模擬鑄件凝固過(guò)程如圖3-3。從圖3-3 (a)、(b)可以看出，鑄件凝固過(guò)程可以看出此次鑄件的凝固模擬結(jié)果比改進(jìn)工藝前有很大的改觀。鑄件的凝固過(guò)程中孤立的液相區(qū)已經(jīng)明顯減少到幾乎沒(méi)有。說(shuō)明此次的鑄造工藝比較合理，已經(jīng)避免了鑄件的縮松和縮孔缺陷的產(chǎn)生，達(dá)到了鑄件的技術(shù)要求。
從上述模擬的過(guò)程中可以看到鑄造過(guò)程模擬仿真在鑄造工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中的優(yōu)越性。這一技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助工藝技術(shù)的應(yīng)用，可以徹底改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的落后狀況，提高鑄件生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。
4、結(jié)論
(1)利用華鑄CAE軟件，通過(guò)對(duì)球磨機(jī)端蓋鑄造工藝計(jì)算機(jī)模擬，預(yù)測(cè)了球磨機(jī)端蓋在兩圈冒口中間部分及軸徑處出現(xiàn)了顯微疏松，原因是冷鐵激冷度不夠，再優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)，保證鑄件的順序凝固及冒口金屬的有效補(bǔ)縮，獲得高質(zhì)量的鑄件。
(2)利用計(jì)算機(jī)對(duì)鑄造凝固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，為優(yōu)化鑄造工藝提供了有力的分析依據(jù)，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了生產(chǎn)周期，同時(shí)節(jié)約了大量的試驗(yàn)費(fèi)用，降低生產(chǎn)成本，是輔助定制鑄造工藝的強(qiáng)有力手段。
