泵蓋鑄造工藝數(shù)值模擬

殷瑩，張二龍

泵蓋是泵中主要的零部件，材質(zhì)為TA2，生產(chǎn)中由于鑄造成形工藝不合理，導(dǎo)致泵蓋中常出現(xiàn)氣孔、縮孔等缺陷，從而影響了泵的使用性能。利用CAE軟件，對所設(shè)計(jì)的泵蓋改變壁厚和澆注系統(tǒng)的大小進(jìn)行充型、凝固順序和溫度場分布的數(shù)值模擬，評估了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，以獲得適合泵蓋的較佳鑄造工藝方案。

1.工藝參數(shù)確定

為保證工藝模擬結(jié)果真實(shí)反映該產(chǎn)品的充型及凝固過程，結(jié)合我公司真空凝殼爐的實(shí)際尺寸計(jì)算確定了所需的工藝參數(shù)，見附表。

2.立澆模擬分析

泵蓋采用頂注立澆、一次一件的澆注工藝，澆注系統(tǒng)如圖1所示。該澆注系統(tǒng)在鑄件澆注和凝固過程中，鑄件上部的溫度高于下部，有利于鑄件自下而上順序凝固，能夠有效地發(fā)揮頂部冒口的補(bǔ)縮作用。

頂注式澆注系統(tǒng)也存在缺陷，鈦液從高處落下，對鑄型沖擊較大，容易產(chǎn)生飛濺、氧化和卷入氣體，形成夾渣或氣孔缺陷。

（1）壁厚不同立澆模擬 分別以4mm、5.5mm、7mm、8mm壁厚立澆數(shù)值模擬，如圖2所示。

由于泵蓋壁較薄，外圓處容易先凝固，外圓與筋的連接處及花瓣位置最后凝固，一般縮孔都集中在最后凝固的部位，外圓與筋的連接處及花瓣就容易產(chǎn)生縮孔缺陷，模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)生的縮孔、氣孔的部位基本一致。

圖2a～d分別是在壁厚不同、其他參數(shù)都相同情況下的概率缺陷參數(shù)，厚壁會使鑄件的力學(xué)性能明顯下降，薄壁鑄件致密性好，但不能太薄，否則使金屬熔接不好，易產(chǎn)生缺陷，并給鑄造工藝帶來困難，

工藝參數(shù)表

圖1 泵蓋立澆示意

圖2 不同壁厚概率缺陷參數(shù)

（2）筋板加厚立澆模擬 在設(shè)計(jì)鑄件時(shí)，常通過設(shè)鑄造加強(qiáng)筋來增加薄壁件的強(qiáng)度和剛度，以防止裂紋和變形。對于厚壁鑄件，鑄造加強(qiáng)筋也可以成為金屬液充填型腔時(shí)的輔助通道，有利于充型。與增加壁厚后相比較，外圓流動較慢，有足夠時(shí)間通過鑄造加強(qiáng)筋流到花瓣處，起到一定的補(bǔ)縮作用，以減少花瓣處缺陷的產(chǎn)生。

分別以4mm、5.5mm、7mm筋厚立澆數(shù)值模擬，如圖3所示。

該方案充型后，缺陷可能會集中在鑄件大平面，花瓣處及筋的根部出現(xiàn)缺陷幾率較小，鑄件的大平面出現(xiàn)少量氣孔等缺陷不會對產(chǎn)品質(zhì)量和使用性能造成不利影響，所以可以滿足技術(shù)要求。

3.橫澆模擬分析

橫澆澆注系統(tǒng)設(shè)置如圖4所示。

橫澆的澆注方式，鈦液從澆注口流下去，先充填底部花瓣部位再往上返，可能會出現(xiàn)大圓面澆不到、冷隔等缺陷。結(jié)合實(shí)際模擬分析凝固順序可看出，外圓和筋幾乎同時(shí)凝固，所以在這些部位都有可能出現(xiàn)缺陷。

概率缺陷分析如圖5所示。

一件橫澆模擬分析：外圓及大平面、鑄造筋及花瓣處都可能出現(xiàn)氣孔和縮孔等缺陷，因此橫澆不如立澆。

從凝固順序可以看出，泵蓋花瓣處和鑄造加強(qiáng)筋的根部凝固的較慢，這兩個(gè)部位及對應(yīng)外圓處易產(chǎn)生缺陷。

4.結(jié)語

圖3 不同筋厚概率缺陷參數(shù)

（1）鑄件的壁厚與鑄造方法、鑄型材料和鑄型制備工藝等因素有關(guān)，由于鈦及鈦合金采用電弧凝殼爐熔煉，鈦合金液過熱度低，所用鑄型材料特別是石墨傳熱系數(shù)較高，因而鈦合金件的壁厚比鑄鋼件應(yīng)適當(dāng)加厚，但也不能太厚，否則難以凝固，很容易產(chǎn)生縮孔。

根據(jù)我們模擬分析結(jié)果，選取合適的壁厚，縮孔、氣孔缺陷可以明顯減少，且壁厚加厚也可以減少泵蓋的變形。

（2）在設(shè)計(jì)鑄件時(shí)，通過設(shè)鑄造加強(qiáng)筋來增加薄壁件的強(qiáng)度和剛度，以防止裂紋和變形，對于薄壁鑄件，鑄造加強(qiáng)筋也可以成為金屬液充填型腔時(shí)的輔助通道，所以增加其厚度也有利于充型。

（3）鑄件的大平面和主要加工面應(yīng)垂直或傾斜于澆注系統(tǒng)放置，立澆可以保證大圓面的充型及花瓣處補(bǔ)縮，減少筋連接處缺陷的產(chǎn)生，所以采用立澆的澆注系統(tǒng)比橫澆澆注系統(tǒng)效果好。

圖4 橫澆澆注系統(tǒng)示意

圖5 澆注系統(tǒng)不同的概率缺陷參數(shù)