鈦合金閥體件“一模多件”鑄造工藝優(yōu)化設計

李兵，劉劍，蒲正海，蒲宇捷，陳喆

鈦合金閥體件“一模多件”鑄造工藝優(yōu)化設計

李兵1，劉劍2，蒲正海3，蒲宇捷3，陳喆2

（1.成都航空職業(yè)技術學院，成都 610100；2.四川大學 機械工程學院，成都 610065；3.四川海科機械制造有限公司，四川 瀘州 646607）

對鈦合金閥體件“一模多件”鑄造工藝進行優(yōu)化研究，達到降低成本、保證鑄件產(chǎn)品質量的目的。以ZTA2鈦合金閥體件為研究對象，基于零件壁厚范圍較寬的結構特點、零件的技術要求與生產(chǎn)實際現(xiàn)狀，結合經(jīng)驗分析及數(shù)值模擬仿真技術進行鑄造工藝設計。確定分型面和澆冒口的設計，在熱節(jié)點及孤立液相區(qū)域設置補縮冒口，通過數(shù)值模擬對鑄件模擬結果的縮孔縮松情況進行分析，優(yōu)化冒口的設計，增加補縮通道，最終確定合理的“一模多件”開放式澆注系統(tǒng)。對于“一模多件”鑄造工藝，通過合理設計澆注系統(tǒng)，可以有效保證澆注過程中各層鑄件的平穩(wěn)澆注。澆注系統(tǒng)宜采用開放式的澆注系統(tǒng)，直澆道、橫澆道、內(nèi)澆口的截面積比例為1∶2∶4。采用機加工石墨型鑄造，在真空凝殼爐完成熔煉，在澆注溫度為1 770 ℃、模殼預熱溫度為200 ℃的情況下，采用重力澆注的形式在真空凝殼爐中鑄造生產(chǎn)出鈦合金閥體件，所獲得的鑄件無鑄造缺陷，其成分和力學性能均滿足質量要求。研究結果表明，在鑄造過程中使用數(shù)值模擬技術可以優(yōu)化鑄造工藝設計，縮短產(chǎn)品試制周期，大大提高生產(chǎn)效率。

鈦合金閥體；數(shù)值模擬；一模多件；澆注系統(tǒng)；工藝設計

文中基于某小型鈦合金閥體件的結構特點與生產(chǎn)實際，開展該閥體件的鑄造工藝研究，根據(jù)該鑄件大批量的生產(chǎn)要求，采用機加工石墨型鑄型[23-25]、“一模多件”組型、真空凝殼爐（200 kg）熔煉與重力澆注的方式，開展鑄造工藝設計研究與生產(chǎn)實踐。在鑄造工藝設計環(huán)節(jié)，基于理論分析，結合鑄造數(shù)值模擬仿真軟件ProCAST開展鑄造工藝優(yōu)化設計研究。

1 零件的結構工藝性分析及鑄型選擇

圖1是閥體的二維圖，圖2、圖3是閥體的三維模型。其主體結構是中部的回轉薄壁、左右兩側的法蘭、上部的連接厚板，法蘭與回轉薄壁之間有曲面圓管連通，回轉薄壁中部有厚壁圓板。該閥體的整體尺寸為197 mm × 125 mm × 122 mm，閥體壁厚為7 mm，法蘭厚度為18 mm，上部厚板厚度為18 mm，中部厚板厚度為17 mm，鑄件質量為4.23 kg。該泵體壁厚相差較大，熱節(jié)處明顯，內(nèi)部空腔較大。關鍵部位要求進行X射線B級探傷，不允許有縮孔、氣孔、裂紋存在。

該鈦合金閥體件的材質為ZTA2，因ZTA2化學活性較高，在高溫下與常規(guī)造型材料均發(fā)生較為劇烈的化學反應，故文中鈦合金閥體鑄造工藝采用真空凝殼爐熔煉與重力澆注、機加工石墨型。另外，該件尺寸較小、質量較輕，結合制造的效益成本，需要考慮“一模多件”的鑄造工藝。

圖1 閥體鑄件二維圖（單位：mm）

圖2 閥體模型外形圖

3 閥體模型內(nèi)部

2 數(shù)值模擬分析過程

計算機數(shù)值模擬系統(tǒng)工作流程一般包括幾何模型的建立、網(wǎng)格劃分、求解條件（初始條件和邊界條件）的確定、數(shù)值模擬計算、計算結果的處理及圖形顯示等具體環(huán)節(jié)。

2.1 三維造型

采用三維建模軟件Solidworks建模。根據(jù)工藝設計思路，建立包括鑄件、鑄型、澆冒系統(tǒng)等的三維模型。

2.2 網(wǎng)格劃分

在Solidworks建模完成之后，以parasolids格式導出，進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的依據(jù)是網(wǎng)格大小取最小壁厚的1/2～1/3。

2.3 求解條件的確定

為模擬該鑄件在真空凝殼爐內(nèi)澆注與凝固過程中流場與溫度場的變化情況，采用ProCAST軟件，根據(jù)合金成分進行熱力學計算，得到材料的熱物性參數(shù)。鑄件材料為ZTA2，模殼材料選擇石墨型。澆注溫度為1 770 ℃，模殼預熱溫度為200 ℃，重力澆注。

2.4 模擬運算與結果分析

通過運行ProCAST完成數(shù)值模擬的計算；通過觀察不同時間段金屬液的流態(tài)圖分析金屬液的充型情況；通過凝固過程固相率分析金屬液的凝固過程；通過縮孔縮松云圖進行縮孔縮松缺陷的分析。

（1）色譜條件：色譜柱為Sapphire C18柱（250 mm×4.6 mm，5 μm）；流動相為乙腈-水（32∶68）；體積流量1 mL/min；進樣體積10 μL；漂移管溫度40 ℃；氮氣壓力360 kPa。

3 鑄型工藝設計

3.1 分型面及分芯的設計

結合該鑄件的生產(chǎn)要求，該鑄件的鑄型采用機加工石墨型，機加工石墨型的分型形式多樣，但在生產(chǎn)中具體確定分型面時應考慮以下原則：鑄型易于組裝固定；鑄型的制造盡可能簡便；鑄型要堅固耐用，重復使用性好；確保下芯操作方便，型芯安放穩(wěn)定；確保合理地開設澆冒口系統(tǒng)。為此，上下方向以鑄件中心線為分型面，組型時型芯依靠活塊及左右法蘭連接固定，該鑄件的分型面如圖4所示，芯頭如圖5所示。

圖4 鑄件的分型面圖

5 鑄件的芯頭

3.2 澆注系統(tǒng)的設計

合理地設計澆注系統(tǒng)不僅能使鈦液很順利地充滿鑄型，而且可以補縮和調節(jié)鑄件各部分溫差，以實現(xiàn)凝固方式的選擇。該鑄件屬于典型的箱體箱殼類零件，內(nèi)外結構較復雜，且多處厚薄不均。且因鈦合金的特點，需要在真空感應凝殼爐中完成熔煉，要求在短時間內(nèi)完成澆注，鈦液過熱度低，若澆注系統(tǒng)設計不合理，非常容易產(chǎn)生澆注不足、卷氣、冷隔、縮松縮孔等缺陷，所以澆注系統(tǒng)的設計是非常重要的。

3.2.1 冒口的確定

鑄件外圍結構和內(nèi)部圓板厚度相對較大，為18 mm，薄壁厚度僅為7 mm，薄壁厚度僅為厚壁的1/3左右，且薄壁距離較長，容易形成多個熱節(jié)點，不利于鑄件的順序凝固。本研究通過數(shù)值模擬仿真的方式，分析無澆注系統(tǒng)時鑄件凝固的情況。圖6所示為凝固過程中鑄件的液相圖，可以發(fā)現(xiàn)，在鑄件的4個部分都形成了比較明顯的孤立液相區(qū)，主要原因是薄壁較薄，已經(jīng)凝固。形成的孤立液相區(qū)因為沒有液體補縮，導致最后在鑄件的多處位置都會出現(xiàn)明顯的縮孔縮松缺陷，如圖7所示。另外，因沒有冒口補縮，零件的法蘭上部出現(xiàn)了明顯的冷凝缺口，如圖8所示。

圖6 無冒口凝固過程

圖7 無冒口縮孔縮松情況

圖8 無冒口凝固之后形貌

結合無冒口數(shù)值模擬的研究結果，以單個鑄件為研究對象，確定了該鑄件的鑄造工藝方案1，設計了單個鑄件的澆注系統(tǒng)。在冒口設計方面，針對4處熱節(jié)點分別增設冒口，并在分型面處增設內(nèi)澆口，在相應位置設計直澆道與橫澆道，如圖9所示。

圖9 單個鑄件的澆注系統(tǒng)（方案1）

通過對4處冒口凝固過程的仿真分析，可以得到凝固過程的孤立液相區(qū)情況，如圖10所示。可以發(fā)現(xiàn)，按照方案1的冒口尺寸，因方板中部較窄，在方板下方兩處熱節(jié)點形成了孤立液相區(qū)。選取方板中部和下部的點和點，提取其凝固變化溫度曲線，如圖11所示。由圖11可以發(fā)現(xiàn)，凝固初期點溫度高于點，后期點溫度高于點，因為點降溫較快，截斷了冒口補縮的通道，所以在零件方板的下方產(chǎn)生了縮孔縮松，如圖12所示。

為了解決方板下部兩處產(chǎn)生縮孔縮松的問題，本研究制定了鑄造工藝方案2，在方板上方、冒口下部增加了補縮通道，如圖13所示。對增加了補縮通道的冒口澆注方案進行了仿真分析，得到凝固過程孤立液相區(qū)的分布情況，如圖14所示。可以發(fā)現(xiàn)，方案2可以避免在鑄件內(nèi)部出現(xiàn)孤立液相區(qū)，補縮通道很好地起到了補縮作用。另外，鑄件凝固后的縮孔縮松分布圖也證明了這點，如圖15所示。

3.2.2 “一模多件”澆注系統(tǒng)的設計

澆注系統(tǒng)設計的合理性是鑄件能否澆注成功的關鍵，需要綜合考慮鑄件的大小、重量、結構、鈦液過熱度及充型速度等綜合因素。本研究中的鈦合金閥體屬于小型零件，在真空凝殼爐內(nèi)熔煉并澆注的情況下需要“一模多件”，具體件數(shù)需要綜合考慮凝殼爐內(nèi)金屬液總重量、單個鑄件的重量及澆注系統(tǒng)的設置等。考慮需要短時間內(nèi)就完成澆注，則需要設計大的澆口杯與開放式的澆注系統(tǒng)。因為澆注過程涉及到多件多層鑄件，為避免冷隔、裹氣等缺陷的出現(xiàn)，需要在澆注時考慮到澆注系統(tǒng)的合理性，避免各層澆注混亂的情況。

圖10 凝固過程孤立液相區(qū)的分布（方案1）

圖11 A、B點凝固過程溫度對比（方案1）

圖12 凝固完成后縮孔縮松分布（方案1）

圖13 單個鑄件的澆注系統(tǒng)（方案2）

根據(jù)鈦合金鑄造的特點，需要短時間完成鑄件的澆注，而且要盡量避免各層澆注混亂現(xiàn)象的產(chǎn)生，澆注系統(tǒng)盡可能采用開放式澆注系統(tǒng)，直澆道、橫澆道、內(nèi)澆口的截面積比例為1:2:4。同時，也應該將澆注系統(tǒng)的阻流截面設計在澆口杯下方，阻流截面的計算見式（1）[26]。

式中：為鑄件的質量（阻流面積下端的鑄件加澆注系統(tǒng)的重量），kg；為內(nèi)澆道的流量系數(shù)，對于干型，為0.4～0.6；為金屬液的密度，對于鈦合金選用=4.5×10-3kg/cm3；為充填型腔的時間；為重力加速度，980 cm/s2；P為鑄件壓力頭，cm；阻為澆注系統(tǒng)在大部分澆注期內(nèi)控制充型速度的最小截面面積，cm2。

綜合考慮真空凝殼爐的容量、砂型制作等多重因素，選擇“一模16件”的工藝，計算出阻之后，可以依次確定直澆道、橫澆道、內(nèi)角道的截面積，從而得到該鑄件的鑄造方案3。對設計好的澆注系統(tǒng)進行建模，在澆注溫度為1 770 ℃的情況下開展數(shù)值模擬研究，具體的充型過程如圖16所示。通過數(shù)值模擬結果可以發(fā)現(xiàn)，在合理設計澆注系統(tǒng)的情況下，澆注過程實現(xiàn)了逐層澆注。

圖14 凝固過程孤立液相區(qū)的分布（方案2）

圖15 凝固完成后縮孔縮松分布（方案2）

4 鑄件生產(chǎn)與檢驗

在鑄造工藝設計的基礎上，采用“一模16件”的鑄造工藝，依次按照機加石墨型制造、石墨型焙燒除氣組型、鑄件熔煉與澆注、鑄件冷卻與質量檢測的步驟實施鑄件生產(chǎn)。其中，墨型原材料選用優(yōu)質人造石墨塊經(jīng)車床、鏜床、銑床加工完成。在澆注之前，石墨型在真空條件下加熱到900～1 000 ℃，保溫l～4 h，以去除石墨鑄型中的水分及揮發(fā)物，焙燒除氣后進行組型澆注。熔煉與澆注的設備為200 kg真空自耗凝殼爐，當爐內(nèi)真空度小于9 Pa時開始熔煉。當鈦合金母錠熔化至規(guī)定重量后，立即翻轉坩堝澆注。鑄件澆注完成后隨爐冷卻2 h，待降溫至300 ℃以下時出爐。經(jīng)去除澆注系統(tǒng)、后處理等操作，得到鈦合金閥體鑄件，如圖17所示。

圖16 確定的澆注系統(tǒng)數(shù)值模擬充型過程（方案3）

對鑄件進行X射線檢測，發(fā)現(xiàn)鑄件并未出現(xiàn)裂紋、針孔、氣孔、縮孔等缺陷。對澆注系統(tǒng)提取的樣品進行化學成分及力學性能檢測，結果分別如表1和表2所示，通過對比相關國家標準[27]，發(fā)現(xiàn)各項指標均符合技術條件要求。

表1 鑄件的化學成分要求及檢測對比

Tab.1 Chemical composition requirements of castings and comparison of experiment results wt.%

表2 鑄件的力學性能要求及檢測對比

Tab.2 Mechanical properties requirements of castings and comparison of experiment results

5 結論

1）采用機加石墨型組型、真空凝殼爐熔煉與常壓澆注的方式可以生產(chǎn)出“一模多件”的鈦合金鑄件。

2）對于“一模多件”鑄造工藝，通過合理設計澆注系統(tǒng)，可以有效保證澆注過程中各層鑄件的平穩(wěn)澆注，澆注系統(tǒng)宜采用開放式的澆注系統(tǒng)，直澆道、橫澆道、內(nèi)澆口的截面積比例為1∶2∶4。

3）研究結果表明，采用機加工石墨型組型、真空凝殼爐熔煉與常壓澆注的方式生產(chǎn)出的鈦合金鑄件化學成分、力學性能均達到了國家標準對ZTA2的要求，鑄件的表面和內(nèi)部質量良好，滿足使用要求。

4）數(shù)值模擬可以直觀地反映鑄件在澆注過程與凝固過程中的狀態(tài)，可以預測產(chǎn)生的相關缺陷，在鑄造過程中使用數(shù)值模擬技術可以優(yōu)化鑄造工藝設計，縮短產(chǎn)品試制周期，大大提高生產(chǎn)效率。

[1] BAO Chun-ling, ZHANG Shuang-qi, REN Yu-yan, et al. Research Progress on Refractory Composition and Deformability of Shell Molds for TiAl Alloy Castings[J]. China Foundry, 2018, 15(1): 1-10.

[2] 范世璽, 趙瑞斌, 肖強偉, 等. Ti321鈦合金軸箱鑄件石墨型鑄造工藝研究[J]. 精密成形工程, 2018, 10(3): 55-59.

FAN Shi-xi, ZHAO Rui-bin, XIAO Qiang-wei, et al. Graphite Casting Technology of Ti321 Titanium Alloy Axle Box Casting[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2018, 10(3): 55-59.

[3] 張美娟, 南海, 鞠忠強, 等. 航空鑄造鈦合金及其成型技術發(fā)展[J]. 航空材料學報, 2016, 36(3): 13-19.

ZHANG Mei-juan, NAN Hai, JU Zhong-qiang, et al. Aeronautical Cast Ti Alloy and Forming Technology Develoment[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2016, 36(3): 13-19.

[4] 寧兆生, 包有宇, 鄭松翔, 等. 復雜鈦合金閥體的鑄造工藝研究[J]. 鑄造, 2018, 67(12): 1110-1114.

NING Zhao-sheng, BAO You-yu, ZHENG Song-xiang, et al. Study on Casting Process of Complex Titanium Alloy Valve Body[J]. Foundry, 2018, 67(12): 1110-1114.

[5] 寧兆生, 宋克興, 張彥敏, 等. 高精度鈦合金葉輪熔模精密鑄造工藝優(yōu)化[J]. 鑄造, 2022, 71(6): 751-754.

NING Zhao-sheng, SONG Ke-xing, ZHANG Yan-min, et al. Optimization of Investment Casting Process for High Precision Titanium Alloy Impeller[J]. Foundry, 2022, 71(6): 751-754.

[6] 常化強, 孫冰, 孫宏喆, 等. 大型筒狀薄壁鈦合金鑄件變形預防及工藝改進[J]. 鑄造工程, 2022, 46(4): 7-10.

CHANG Hua-qiang, SUN Bing, SUN Hong-zhe, et al. Deformation Prevention and Process Improvement of Large Cylindrical Thin Wall Titanium Alloy Castings[J]. Foundry Engineering, 2022, 46(4): 7-10.

[7] 梅麗文, 朱昌盛, 肖榮振, 等. 閥體件鑄造工藝CAD系統(tǒng)開發(fā)研究[J]. 熱加工工藝, 2010, 39(11): 63-66.

MEI Li-wen, ZHU Chang-sheng, XIAO Rong-zhen, et al. Development of Casting Process CAD System for Valve Body[J]. Hot Working Technology, 2010, 39(11): 63-66.

[8] LUO A A, SACHDEV A K, APELIAN D. Alloy Development and Process Innovations for Light Metals Casting[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2022, 306: 117606.

[9] BROTZU A, FELLI F, MONDAL A, et al. Production Issues in the Manufacturing of TiAl Turbine Blades by Invement Casting[J]. Procedia Structural Integrity, 2020, 25: 79-87.

[10] 胡和平, 楊學東, 鄭申清. 鈦合金泵體鑄造工藝研究[J]. 材料開發(fā)與應用, 2010, 25(1): 35-37.

HU He-ping, YANG Xue-dong, ZHENG Shen-qing. Study on Casting Process for Titanium Alloy Pump Body[J]. Development and Application of Materials, 2010, 25(1): 35-37.

[11] 胡光, 胡博, 劉海濤, 等. 薄壁鈦合金結構件的石墨型鑄造工藝研究[J]. 熱加工工藝, 2020, 49(23): 59-61.

HU Guang, HU Bo, LIU Hai-tao, et al. Study on Casting Process of Graphite Mould for Titanium Alloy Structure Components with Thin Wall[J]. Hot Working Technology, 2020, 49(23): 59-61.

[12] 王彥鵬, 傘晶超, 姚謙, 等. 鈦合金泵體石墨型鑄造工藝優(yōu)化[J]. 鑄造, 2014, 63(8): 828-830.

WANG Yan-peng, SAN Jing-chao, YAO Qian, et al. Centrgal Casting Process Optimization of Graphite Mould or Titanium Alloy Pump[J]. Foundry, 2014, 63(8): 828-830.

[13] 隋艷偉, 袁芳, 李邦盛, 等. 離心鑄造鈦合金熔體充型流動物理模擬相似理論及實驗研究[J]. 稀有金屬材料與工程, 2012, 41(8): 1351-1356.

SUI Yan-wei, YUAN Fang, LI Bang-sheng, et al. Physical Simulation Similar Theory and Experment during Centrifugal Casting Ti Alloy Melts Filling Flow[J]. Rare Metal Materials and Engneering, 2012, 41(8): 1351-1356.

[14] 王華僑, 包春玲, 王永鳳, 等. 大型薄壁鈦合金菱形骨架鑄件鑄造工藝的研究[J]. 鑄造, 2015, 64(2): 135-139.

WANG Hua-qiao, BAO Chun-ling, WANG Yong-feng, et al. Study on Casting Process of Large Thin-Wall Diamond Skeleton Titanium Alloy Casting[J]. Foundry, 2015, 64(2): 135-139.

[15] SAULIN D V, POYLOV V Z, UGLEV N P. Effusion Mechanism of Α-Layer Formation in Vacuum Casting of Titanium Alloys[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, 969(1): 012060.

[16] YAMAGUCHI H, TAKAHASHI M, SASAKI K, et al. Mechacal Properties and Microstructures of Cast Dental Ti-Fe Alloys[J]. Dental Materials Journal, 2021, 40(1): 61-67.

[17] JIA Yi, XIAO Shu-long, TIAN Jing, et al. Modeling of TiAl Alloy Grating by Investment Casting[J]. Metals, 2015, 5(4): 2328-2339.

[18] 張健輝, 紀志軍, 馮新, 等. ZTA15鑄造鈦合金高周疲勞性能研究[J]. 精密成形工程, 2022, 14(6): 28-35.

ZHANG Jian-hui, JI Zhi-jun, FENG Xin, et al. High-Cycle Fatigue Properties of ZTA15 Cast Titanium Aloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2022, 14(6): 28-35.

[19] 朱郎平, 李建崇, 張美娟, 等. 鈦鋁低壓渦輪葉片熔模鑄造精確成形及冶金缺陷分析[J]. 精密成形工程, 2018, 10(3): 87-92.

ZHU Lang-ping, LI Jian-chong, ZHANG Mei-juan, et al. Precise Forming and Metallurgical Defects of TiAl Low Pressure Turbine Blade by Investment Casting[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2018, 10(3): 87-92.

[20] 白瑀, 張浩, 黃亮. 基于ProCAST的葉輪熔模鑄造數(shù)值模擬仿真及優(yōu)化[J]. 熱加工工藝, 2021, 50(11): 71-75.

BAI Yu, ZHANG Hao, HUANG Liang. Numerical Simulation and Optimization of Impeller Investment Casting Based on ProCAST[J]. Hot Working Technology, 2021, 50(11): 71-75.

[21] 劉劍, 楊屹, 盧東. 基于ProCAST真空條件下鈦合金熔模鑄造的探究[J]. 鑄造, 2008, 57(11): 1155-1158.

LIU Jian, YANG Yi, LU Dong. Titanium Alloy Investment Casting under Vacuum Circumstance Based on ProCAST[J]. Foundry, 2008, 57(11): 1155-1158.

[22] 劉金虎, 紀志軍, 李峰, 等. 基于ProCAST的高Nb-TiAl合金葉輪熔模鑄造[J]. 航空材料學報, 2021, 41(2): 61-71.

LIU Jin-hu, JI Zhi-jun, LI Feng, et al. Optimization of High Nb-TiAl Alloy Impeller Investment Casting Based on ProCAST Software[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2021, 41(2): 61-71.

[23] 殷瑩, 薛芃, 陳戰(zhàn)考. 石墨型鑄造鈦鑄件表面質量的提高[J]. 金屬加工(熱加工), 2016(21): 60-62.

YIN Ying, XUE Peng, CHEN Zhan-kao. Improvement of Surface Quality of Graphite Cast Titanium Castings[J]. MW Metal Forming, 2016(21): 60-62.

[24] 常化強, 姬戰(zhàn)利, 穆曉輝, 等. 涂層技術在鈦合金石墨型鑄造中的應用研究[J]. 特種鑄造及有色合金, 2022, 42(5): 652-654.

CHANG Hua-qiang, JI Zhan-li, MU Xiao-hui, et al. Application of Coating Technology on Graphite Casting of Titanium Alloy[J]. Special Casting ＆ Nonferrous Alloys, 2022, 42(5): 652-654.

[25] 肖強偉, 張光, 鞠忠強, 等. 石墨鑄型材料對鈦合金內(nèi)環(huán)鑄件冶金質量的影響研究[J]. 精密成形工程, 2018, 10(5): 143-147.

XIAO Qiang-wei, ZHANG Guang, JU Zhong-qiang, et al. Effect of Graphite Casting Material on Metallurgical Quality of Titanium Alloy Inner Ring Castings[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2018, 10(5): 143-147.

[26] 謝成木. 鈦及鈦合金鑄造[M]. 北京：機械工作出版社，2004.

XIE Cheng-mu. Titanium and Titanium Alloy Casing[M]. Beijing: Mechanical Work Press, 2004.

[27] 戴圣龍. 鑄造手冊第3卷鑄造非鐵合金[M]. 3版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2011.

DAI Sheng-long. Foundry Handbook-Volume 3-Foundry of Non-Ferroalloys[M]. 3rd Edition. Beijing: China Machine Press, 2011.

Optimization Design of "One Mold Multi-parts" Casting Process for Titanium Alloy Valve Body

LI Bing1, LIU Jian2, PU Zheng-hai3, PU Yu-jie3, CHEN Zhe2

(1. Chengdu Aeronautic Polytechnic, Chengdu 610100, China; 2. School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 3. Sichuan Haike Mechanical Manufacturing Co., Ltd., Sichuan Luzhou 646607, China)

The work aims to optimize the “one mold multi-parts” casting process of titanium alloy valve body, so as to reduce the cost and ensure the quality of castings. ZTA2 titanium alloy valve body was taken as the research object. Based on the structural characteristics of valve with a wide range of thickness, technical requirements and actual production, the casting process was designed combined with empirical analysis and numerical simulation technology. Parting surface and sprue were determined, and filler sprue was set in the hot node and isolated liquid phase area. The design of sprue was optimized and the filler channel was increased after numerical analysis on the shrinkage cavity and porosity in the casting simulation results. Ultimately, a reasonable “one mold multi-parts” open casting system was determined. In this casting system, stable pouring of each layer of castings could be effectively ensured through the reasonable design of the pouring system. An open pouring system with a cross-sectional area ratio of sprue: runner: ingate as 1:2:4 should be adopted. Titanium alloy valve can be produced by gravity casting method with a machined graphite mold and a vacuum condensing furnace under the condition of pouring temperature at 1 770 ℃ and preheating temperature of mold shell at 200 ℃. Castings obtained in this study barely have defects and the composition and mechanical properties meet the quality requirements. The results show that the numerical simulation technology used in the casting process can optimize casting process design, shorten trial production cycle and greatly improve the efficiency.

titanium alloy valve body; numerical simulation; one mold multi-parts; casting system; process design

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.011

TG249.2

A

1674-6457(2023)01-0086-08

2022–08–05

2022-08-05

國家自然科學基金（51975390）；成都航空職業(yè)技術學院重點科研項目（061756）；四川大學–瀘州校地合作項目（2020CDLZ–2）

National Natural Science Foundation of China (51975390); Key Scientific Research Projects of Chengdu Aeronautic Polytechnic (061756); Sichuan University & Luzhou City Cooperation Project (2020CDLZ-2)

李兵（1983—），男，碩士，講師，主要研究方向為鑄造工藝優(yōu)化及數(shù)值模擬。

LI Bing (1983-), Male, Master, Lecturer, Research focus: casting process optimization and numerical simulation.

劉劍（1984—），男，博士，教授，主要研究方向為新材料及制備技術開發(fā)。

LIU Jian (1984-), Male, Professor, Research focus: development of new materials and preparation technology.

李兵, 劉劍, 蒲正海, 等. 鈦合金閥體件“一模多件”鑄造工藝優(yōu)化設計[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 86-93.

LI Bing, LIU Jian, PU Zheng-hai, et al. Optimization Design of "One Mold Multi-parts" Casting Process for Titanium Alloy Valve Body[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(1): 86-93.