帶輪鑄造工藝設計及數值模擬

吳軍， 張劍慈（衢州學院機械工程學院，浙江衢州324000）

0 引言

空氣壓縮機廣泛應用于機械、礦山、建筑、醫療等領域，是不少企業的機械動力裝備之一。帶輪作為活塞式空氣壓縮壓機中的關鍵零件，主要承擔了活塞驅動任務，其質量完全取決于該零件的制造工藝。為此，研究分析壓縮機帶輪的制造工藝是十分必要的。

V0.17/7型活塞式空氣壓縮機帶輪尺寸為φ450 mm×40 mm，質量為23.89 kg，材料為HT200。其三維模型如圖1所示。

1 鑄造工藝設計

1.1 鑄造工藝方案確定

傳統帶輪鑄造工藝方案一般采用砂型重力鑄造。此類鑄造方法生產效率低，產品致密性低，表面粗糙度高。為提升鑄件質量和生產效率，本帶輪將采用低壓鑄造。

綜合考慮鑄件形狀及受力情況、造型工藝和后期加工，確定出其澆注位置及分型面。澆注時皮帶輪水平放置，分型面選在鑄件頂部，金屬液從鑄件底部引入型腔，造型材料為樹脂型砂，澆注溫度1 250℃。

圖1 帶輪三維模型圖

1.2 澆注系統設計

灰鐵件鑄造性能好，選用封閉、底注式澆注系統。因是一般低壓砂型鑄件，各組元截面比例大體為F直∶F橫∶F內=1.15∶1.1∶1。根據Osann公式計算出鑄件澆注系統最小橫截面面積 F內=8 cm2，因此確定出 F直=13.6 cm2、F橫=12 cm2。采用簡易澆注系統，1個直澆道、1個橫澆道、1個內澆道。由于是低壓鑄造，鑄件成型過程較穩定，成型產品致密性較好，不易出現縮松、縮孔缺陷，一般不添加冒口。具體工藝方案如圖2所示。

圖2 壓鑄工藝方案三維圖

2 計算分析前處理

2.1 網格劃分

圖3 網格劃分信息

使用UGNX4.0將模型導出為Parasolid格式，并導入ProCAST中進行網格劃分。最終劃分獲得116 202個節點和589 232個元素。如圖3所示。

2.2 熱物性及工藝參數設定

鑄鐵HT200有較好的鑄造性能，充型能力較鋼等金屬材料強。其液相溫度為1 180℃，固相溫度為1 080℃。其導熱率如表1所示。

本帶輪的壓鑄溫度為1 250℃，壓射速度為0.17 m/s。模具冷卻方式為空冷，初始溫度為室溫。本工藝模具采用砂型制造，金屬鑄液與砂型間的換熱系數可達500。

3 鑄造成型模擬計算

3.1 帶輪充型分析

圖4 充型時間分布圖

圖5 凝固時間分布圖

表1 HT200的導熱率

經數值模擬計算后觀察鑄件的充型情況，發現鑄液整體上升平穩，未出現明顯的速度變化，不易產生裹氣、夾渣等現象。帶輪整體充型時間為 4.368 s，如圖4所示。

3.2 帶輪凝固分析

帶輪充型完成后即進入凝固期，根據模擬結果顯示，帶輪的表面最早凝固，輪輻部分由于材料較厚，有熱節產生，因此凝固所需時間長。帶輪中心部位是鑄液的傳入部位，并且壁厚較大，易產生熱節，凝固時間較長。具體凝固時間分布情況如圖5所示。

3.3 缺陷預測分析

圖6 固相率圖

對于鑄造缺陷預測可采用固相率法進行分析。由圖6可知，鑄件在凝固過程中，將在輪輻及其連接位置中部產生孤立液相區，該區域內的鑄液得不到外界鑄液的及時補充，將有可能產生縮松、縮孔等缺陷。

3.4 后處理加工

考慮到輪輻面積較大，易產生熱節，形成縮松、縮孔缺陷，因此可利用機床去除輪輻中部材料，使鑄件缺陷部位通過機械加工被去除。同時根據加工工藝對帶輪中部進行孔加工，以去除帶輪中部的鑄造缺陷。改進后的帶輪質量更輕，能量消耗減少，提升了整機的工作性能。

4 結論

（1）利用數值模擬法可直觀地分析鑄件的充型、凝固過程，預測鑄液充型過程裹氣、夾渣的可能性。

（2）根據數值模擬軟件可預判缺陷的形成區域，并作相應的工藝處理，使鑄件質量得到有效保障。

（3）通過數值模擬軟件的應用，可大大降低零件的試制成本。

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