鉤體工藝改進方案的計算機模擬技術

鉤體工藝改進方案的計算機模擬技術

鉤體和浮車又名鉤體大鉤，是原油勘探和維修過程中引入的主炮設備、原油泵和各種工具的重要改進設備。鉤體（也稱鉤體）是其重要的部件。鉤體作業(yè)環(huán)境惡劣,承載力大,安全性要求高,對鑄件質量特別是內部質量有著很高的要求。由于其形狀結構復雜,重量大,曲面多,因而生產出高質量的鑄件比較困難。本文借助計算機模擬軟件華鑄CAE/InterCast集成系統(tǒng),結合多年生產實踐經(jīng)驗,對某種鉤體進行工藝改進,有效解決了原工藝中鑄件縮孔、夾渣問題,提高了鑄件質量和合格率。1表面磁粉探傷我公司生產的鉤體屬于石油裝備零件(圖1),客戶對鑄件品質要求非常高,要求按APISpec8C(鉆井和采油提升設備規(guī)范)規(guī)范進行鑄件內部超聲波探傷加表面磁粉探傷,質量都要達到PSL1級要求,這給工藝技術提出了更高的要求,也給生產制造增加了更多的困難。鉤體材質為ZG35CrMo,鑄件線收縮率取2.0%,鑄件毛重1150kg,主要壁厚50~130mm,截面厚度變化大,不利于液態(tài)補縮。造型材料為樹脂自硬砂,電弧爐熔煉,漏包澆注,低溫快澆,凝固方式采用順序凝固。2當前工藝的設計和問題2.1部分缺陷缺陷圖2為鉤體原鑄造工藝方案,冒口位于主鉤頂部,造型時平做,澆注時立澆。該方案的優(yōu)點是能確切地保證鉤體最大受力部位主鉤部分的內部質量,但是,多年生產實踐表明,另一主要受力部位副鉤的內部質量和外部質量都容易出問題。如圖3所示,縮孔、縮松、夾渣是副鉤部位最常出現(xiàn)的幾類問題。2.2副鉤補縮距離優(yōu)化從原工藝方案來看,冒口放在主鉤頂部,距離副鉤位置較遠,約為主體壁厚的6倍,根據(jù)冒口補縮距離與鑄件壁厚的關系,按板狀件,查表可得補縮距離約為主體壁厚的4.5倍,冒口的補縮距離明顯不夠,盡管副鉤上設置有外冷鐵,但是,由于副鉤處壁厚較大,外冷鐵的作用并不太明顯,以致造成鑄件副鉤出現(xiàn)縮孔縮松缺陷。另外,從原工藝方案和鑄件結構上看,澆注過程中,鋼液流到副鉤部位時,上面是型砂,鋼液攜帶的鋼渣及夾雜物由于沒有通道而無法上浮到冒口中去,只能附著在副鉤處造成夾渣缺陷。3改進的工藝方案3.1鑄造工藝設計及結果為了消除副鉤處的縮孔縮松、夾渣等缺陷,對鉤體進行工藝改進。Ansys有限元受力分析表明,鉤體受力點主要集中在主鉤根部和副鉤上,因此,這兩個部位更是要求鑄態(tài)組織致密,澆冒口應盡量避開這兩個部位,以免晶粒粗大。改進方案一如圖4所示。主鉤中間對稱水平分型,將冒口設置在翼板大平面上,澆注系統(tǒng)為兩道底注式,澆冒口均避開了鑄件關鍵位置。該方案有三個好處:一是翼板平面較大,能夠放得下冒口,容易切割清理;二是冒口距離主鉤、副鉤兩個關鍵位置距離合適,既沒有壓到主鉤、副鉤上容易造成晶粒粗大,又能保證補縮距離實現(xiàn)有效補縮;三是冒口靠近鑄件主要熱節(jié)部位,其他部分只需設置少量冷鐵就能實現(xiàn)鑄件從兩端向中間冒口的順序凝固。鑄件兩個關鍵位置均視作近似接頭,主鉤熱節(jié)處做熱節(jié)圓,半徑r=7.1cm,得M=7.1cm,副鉤熱節(jié)處做熱節(jié)圓,半徑r=7.0cm,得M=7.0cm。根據(jù)以往經(jīng)驗,結合保溫冒口實際使用情況,關鍵件取較大的安全系數(shù)1.1,得冒口模數(shù)M≥7.7cm,選用腰圓型保溫冒口350mm×550mm×500mm,模數(shù)8.07cm。用計算機模擬軟件華鑄CAE/InterCast驗證設計效果,通過模擬顯示,鑄件沒有明顯縮孔,但是在主鉤與翼板結合部,還有副鉤與翼板結合部都有明顯的縮松。該方案澆冒口系統(tǒng)有利于渣滓上浮,可以解決副鉤夾渣問題,但關鍵部位主鉤和副鉤的縮松問題沒有很好解決。3.2冒口位置主鉤和副鉤方向移動改進方案二如圖5所示,其他不變,將冒口位置分別往翼板里側和主鉤方向移動,讓冒口靠近主鉤和副鉤位置同時又能兼顧二者補縮。通過模擬顯示,主鉤與翼板結合部缺陷消失,而副鉤與翼板結合部縮松缺陷仍然存在,只是縮松體積稍微小了一些。3.3冒口補貼方案為徹底解決副鉤這一關鍵位置的縮松缺陷,再次對工藝方案進行改進。經(jīng)分析,對于副鉤,雖然冒口模數(shù)和補縮距離都已足夠,但是,由于副鉤與翼板結合部的壁厚略微小于冒口和副鉤位置壁厚,導致從冒口到副鉤的壁厚沒有形成合理的梯度,也就是補縮通道不是很理想。為此,在冒口往主鉤和副鉤的方向增加冒口補貼,長度方向尺寸以覆蓋到模擬中出現(xiàn)縮松的區(qū)域為準,高度從冒口臺往主、副鉤方向傾斜平滑過渡,以改善補縮通道,如圖6、圖7所示。另外,上下翼板之間連接壁厚略小于翼板壁厚,兩翼板與“薄壁”形成兩個上下分離的“T”形熱節(jié),為此,經(jīng)與零件設計者溝通,將兩翼板連接壁厚增加20mm(即翼板連接圓弧外移20mm),上下補縮通道顯著改善,同時,造型時下翼板及主鉤處敷鉻礦砂,下型副鉤位置設置外冷鐵,以增加順序凝固傾向。通過模擬顯示,如圖8,主鉤和副鉤位置缺陷完全消失,除了不影響鑄件質量的澆注系統(tǒng)有縮松以外,鑄件上缺陷只出現(xiàn)在螺紋區(qū)的一個局部熱節(jié)上,該處遠離冒口,冒口補縮不到,壁厚較大,用外冷鐵效果不理想。經(jīng)仔細研究,發(fā)現(xiàn)該處需要鉆孔,因此可以考慮使用內冷鐵,即便內冷鐵不能很好融合,也能在后續(xù)的加工工序去除,而該處的縮孔縮松問題則可以徹底解決。方案三鋼液總重量約1850kg,工藝出品率62.2%,屬正常范圍。4反復探傷,確定采用改進后的第三種工藝方案共生產了5批次15件鉤體,鑄件清理打磨后進行超聲波探傷加磁粉探傷,粗加工后再次進行超聲波探傷加磁粉探傷,調質后進行第三次超聲波探傷,鑄件內部均沒有發(fā)現(xiàn)縮松和粗晶,外部也沒有夾渣、裂紋等表面缺陷,探傷合格。在如此嚴格