1、引言
目前國際上球磨機的發展趨勢是向大型化發展，其筒體兩端的端蓋尺寸也越來越大。端蓋材質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，磁粉探傷后出現超標磁痕顯示，特別是精加工后不易進行返修焊補和回火處理。傳統鑄件工藝的設計方法根據經驗確定鑄造工藝，試澆鑄，檢驗試樣是否存在澆鑄缺陷，如有則修改工藝方案，然后重復上述過程，直至獲得合格鑄件。由于這種方法必須在澆鑄件后才能對鑄件工藝是否合理進行評價，因而其設計周期長，生產成本高，效率低，而且最終得到的往往不是最終工藝方案，尤其對于大型或復雜形狀的鑄件更是如此，球磨機端蓋由于自身結構特點，鑄件壁厚變化較大，在軸徑和R出上述問題不易控制，成為制約生產和保證外商交貨期的最主要問題。
本文模擬美國SVEDALA公司的球磨機端蓋，鑄件最大直徑∮9000m，高897mm，鑄件毛重69.2t，端蓋凈重40.4t。如果通過計算機對鑄造過程進行仿真模擬，將以上過程在計算機中可以不經實際澆鑄即可確定鑄件中可能出現的缺陷位置，評價鑄造工模擬的合理性。結合計算機輔助工藝設備，提高設計質量，縮短試制周期，降低生產成本，是先進制造技術改造傳統工業的應用實例之一，富通新能源銷售球磨機、雷蒙磨粉機等磨機機械設備。
2、球磨機端蓋的鑄造工藝
2.1模擬對象
模擬對象是中信重機公司生產的大型球磨機鑄鋼端蓋。鑄件根據METSO標準A06-000015鑄造，材質為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。由于鑄件尺寸過大，設計為1/4方式生產，然后再用螺栓拼接成型。每次澆注兩個1/4部分（即半個），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℃。技術要求：(1)鑄件根據METSO標準A06-000015鑄造，材料為ASTM A216 WCA，含碳量不高于0.25，(2)關鍵區域1，全部圓周部分100%超聲波探傷，要求達到II級標準；關鍵區域2，全部圓周部分100%超聲波探傷，要求達到III級標準。(3)經METSO書面授權，消除應力后不得進行挖割或補焊。
2.2實體造型及鑄造工藝
(1)在鑄件的內錐面外圈放置∮375mm冒口12個高560mm，其冒口套的尺寸為0515mm;兩端放置∮450mm冒口各一個高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)鑄件的內錐面中圈放置325mm×500mm冒口7個高480mm，冒口套的尺寸為435mm×610mm;兩端放置∮330mm冒口各一個高480mm，冒口套的尺寸為∮430mm。
(3)在鑄件的內錐面內圈放置∮300mm冒口8個高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縮而產生縮孔、縮松缺陷，并劃分冒口的補縮區域，提高冒口的補縮效率。
(5)鑄件的底座處用厚150mm冷鐵一周砌滿。目的是加速此部位的凝固，以避免產生熱裂紋。
(6)鐵于鑄件間用20mm的刮沙層隔離。
(7)其加工余量為外圓30mm，內圓30mm，內、外側為35mm，上（含內錐面）35mm，下30mm，縮尺2.0%。鑄造工藝如圖2-1所示。
模擬計算之前，必須先生成鑄件的三維實體模型。可以使用任意成STL格式文件的應用造型軟件來完成這一工作。考慮到應用軟件的普及程度和易操作性，選用Solidworks進行造型。完成后的三維鑄件模型如圖2-2。
3、球磨機端蓋鑄造工藝計算機模擬
3.1凝固模擬
由Solidworks進行造型后，用華鑄軟件進行凝固模擬。華鑄軟件有三個相對獨立的模塊組成，即前置處理部分、計算處理部分、后置處理部分。
(1)前置處理：STL選擇一優先級別設定（鑄件、特殊材料、冷鐵、冒口套、鑄型、絕熱材料）一參數輸入（網格大小：25mm，縮尺比例：1.02）一剖分結果一顯示參數
(2)計算處理：
開始計算前，必須先確定鑄件和鑄型的物理性質。模擬計算時必須確定鑄件和鑄型的初始溫度。實際澆注完成后的瞬間，鑄件和鑄型的溫度應該是不均勻的。因而假設鑄件和鑄型的初始溫度分布是均勻的計算。計算涉及的物理性質參數如表3-1。
計算初始溫度為：鑄件溫度1540℃， 環境溫度20℃。
模擬計算根據編制程序進行計算，計算過程中，每隔一定時間(本例取60s)對鑄件各單元的溫度
分布進行存儲。計算循環直至每一單元溫度均降低至固相溫度止。結晶過程中產生的凝固潛熱用溫度
補償法和等價比熱法處理。過程為：計算選擇一文件轉換一物性參數設置一界面導熱系數一設置溫場
基礎參數一溫度場初始化一自動存盤一顯示控制。
(3)后置處理
對計算過程中儲存的溫度場分布和缺陷位置，應用圖像處理技術生成虛擬的鑄件圖，進行BMP處理，BMP集成AVI動畫等。從而直觀地觀察到鑄件的凝固過程（圖3-la,b）與凝固結束后內部的缺陷分布狀況（圖3-lc，d）。由圖中可看出，鑄件中除冒口中存在補縮形成的縮孔外，只在冒口中間處有少量縮孔存在。說明此鑄造工藝基本上是合理的。模擬結果與工廠實際澆鑄的結果吻合。
圖中的紅色部分為液相區，綠色部分為固相區。圖3-1 (a)、(b)中的冒口中間兩部分可以看出出現的獨立液相區，于圖3-lb中可以清楚的看出，有兩圈間斷的紅色區域（即獨立液相區）這就意味著，在凝固的過程中這部分將不會被補縮，就很容易出現縮松、縮孔現象，使鑄件產生缺陷。圖3-1 (c)、(d)中也可以看到在鑄件的底座處也出現了獨立液相區，同樣也出現了缺陷。
冒口中間即放冷鐵處有少量縮孔存在，以至于出現孤立液相區，所以增厚，增加冷鐵，以改進其激冷效果。工藝修改后，再進行模擬。具體改進工藝如下：(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)在鑄件的內圓中加10塊弧長200mm，厚150mm，高與內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。
改進后用華鑄軟件進行工藝模擬，結果如圖3-2所示，圖中的藍色部位為冷鐵。
然后應用圖像處理技術生成虛擬的鑄件圖，進行BMP處理，BMP集成AVI動畫。模擬鑄件凝固過程如圖3-3。從圖3-3 (a)、(b)可以看出，鑄件凝固過程可以看出此次鑄件的凝固模擬結果比改進工藝前有很大的改觀。鑄件的凝固過程中孤立的液相區已經明顯減少到幾乎沒有。說明此次的鑄造工藝比較合理，已經避免了鑄件的縮松和縮孔缺陷的產生，達到了鑄件的技術要求。
從上述模擬的過程中可以看到鑄造過程模擬仿真在鑄造工藝設計過程中的優越性。這一技術結合計算機輔助工藝技術的應用，可以徹底改變傳統設計方法的落后狀況，提高鑄件生產的質量和效率。
4、結論
(1)利用華鑄CAE軟件，通過對球磨機端蓋鑄造工藝計算機模擬，預測了球磨機端蓋在兩圈冒口中間部分及軸徑處出現了顯微疏松，原因是冷鐵激冷度不夠，再優化鑄造工藝參數，保證鑄件的順序凝固及冒口金屬的有效補縮，獲得高質量的鑄件。
(2)利用計算機對鑄造凝固過程進行數值模擬，為優化鑄造工藝提供了有力的分析依據，提高了設計質量，縮短了生產周期，同時節約了大量的試驗費用，降低生產成本，是輔助定制鑄造工藝的強有力手段。
2、球磨機端蓋的鑄造工藝
