金　鑫

（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144）

隔膜泵鑄件鑄造仿真的應(yīng)用

金鑫

（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144）

隔膜泵鑄造件因為結(jié)構(gòu)的特殊性，必須采用鑄造件。但鑄造件的質(zhì)量控制一直是個普遍的難題。本文采用主流鑄造分析軟件對隔膜泵左腔體進行鑄造仿真分析并進行了實物的驗證。結(jié)果表明仿真結(jié)果能夠準(zhǔn)確地預(yù)測可能出現(xiàn)的鑄造缺陷。為鑄造件的質(zhì)量控制提供了可靠的依據(jù)。

隔膜泵；鑄造仿真；仿真計算

隔膜泵一般由曲軸、連桿、十字頭及活塞等主要部件組成，其工作的基本原理相當(dāng)于曲柄滑塊機構(gòu)。在主電機的驅(qū)動下，曲軸進行旋轉(zhuǎn)運動，通過連桿帶動十字頭及活塞做往復(fù)運動，進而實現(xiàn)泵閥的開啟、關(guān)閉，完成輸送介質(zhì)的吸、排過程。隔膜泵主要分為液力端和動力端兩大部分，液力端主要是過流部件。由于液力端很多關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)特殊，因此大多采用鑄造件。也正是因為結(jié)構(gòu)的特殊性，很多鑄件的質(zhì)量很難控制。近年來，鑄造仿真方法越來越多地被應(yīng)用到鑄造件的質(zhì)量控制中。因此將鑄造仿真方法應(yīng)用在隔膜泵鑄造件的質(zhì)量控制中顯得勢在必行。以液力端的左腔體為例，進行鑄造仿真分析，對澆注和凝固過程進行計算，查看卷氣、溫度、粒子追蹤、微縮孔的計算結(jié)果，并將仿真發(fā)現(xiàn)的缺陷與實際生產(chǎn)的鑄件進行驗證。

1.左腔體的仿真計算和驗證

1.1鑄造建模及前處理。本文以左腔體為例，對其進行鑄造仿真分析及實物驗證工作。左腔體的三維模型如圖1所示。在將模型導(dǎo)入軟件前，根據(jù)實際鑄造工藝建立帶澆注系統(tǒng)及冒口三維仿真模型，如圖2所示。將鑄造模型導(dǎo)入軟件中，設(shè)置好初始條件及需要打開的物理模型，如圖3所示。計算過程中打開卷氣、湍流、傳熱、粒子追蹤模型，先進行澆注過程的計算，將澆注滿后的結(jié)果進行凝固的接續(xù)計算，查看凝固后縮松缺陷的情況。仿真模型處理時需要填入鑄件所用材質(zhì)的熱物性參數(shù)，由于國內(nèi)缺少此材質(zhì)的熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)，因此本研究中引用專業(yè)的熱物性計算軟件計算出來。

1.2澆注仿真結(jié)果。澆注計算結(jié)果顯示在澆注過程中，左腔體大端轉(zhuǎn)彎處存在較重的卷氣情況，如圖4所示。粒子追蹤計算是模擬澆注過程中是帶入鑄件的砂子等大顆粒雜質(zhì)是否可以通過冒口排出去。圖5顯示在澆注結(jié)束后，所有小顆粒的粒子都排出到冒口中。從澆注的計算結(jié)果來看，沿著澆注進料方向的左腔體大端存在卷氣現(xiàn)象，存在凝固后鑄件有氣孔的危險。粒子追蹤結(jié)果表明此澆注系統(tǒng)能夠?qū)腓T件的都少量固體小顆粒帶出鑄件，保證鑄造質(zhì)量。

1.3凝固過程仿真。將澆注后的計算結(jié)果進行接續(xù)計算，模擬鑄件凝固過程。凝固結(jié)果顯示凝固后補縮集中在冒口中，如圖6所示。凝固后溫度分布顯示在左腔體大端拐角處存在熱節(jié)，此處容易產(chǎn)生縮孔、縮松的缺陷，如圖7所示。凝固后的微缺陷分析顯示在左腔體大端拐角處及鑄件壁厚中心處都存在縮孔或縮松的危險，如圖8所示。

1.4實物驗證。經(jīng)過仿真后發(fā)現(xiàn)無論是卷氣還是熱節(jié)等問題多發(fā)于左腔體大端拐角處，對此處實物進行射線探傷和解剖分析。射線探傷和實物分析分別在兩個左腔體上進行。1#左腔體在大端拐角處進行射線探傷，2#左腔體為事故件，在使用一段時間后，在大端拐角處出現(xiàn)了穿透性的裂紋。在裂紋處剖開觀察斷口。1#件的射線探傷結(jié)果顯示在大端拐角處存在5級的縮松缺陷。2#件斷口處存在明顯的氣孔，如圖9所示。此結(jié)果與仿真結(jié)算結(jié)果比較吻合。

結(jié)論

通過對左腔體的鑄造仿真計算和實物驗證分析可以得到以下結(jié)論：（1）仿真計算的結(jié)果與實際生產(chǎn)結(jié)果比較吻合；（2）對于左腔體來講大端拐角處鑄造缺陷多發(fā)位置；（3）目前左腔體的鑄造工藝整體來講問題不大，但對與大端拐角處應(yīng)作局部的調(diào)整，以到達更好的鑄造效果；（4）鑄造仿真結(jié)果對實際鑄造生產(chǎn)質(zhì)量的控制提供了一定的指導(dǎo)作用。

[1]成大先．機械設(shè)計手冊[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

[2]李弘英，等．鑄造工藝設(shè)計[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005．

圖1　左腔體三維模型

圖2　左腔體鑄造模型

圖3　澆注系統(tǒng)邊界條件圖

圖4　左腔體卷氣情況結(jié)果

圖5　粒子追蹤結(jié)果

圖6　仿真冒口形貌圖

圖7　凝固后溫度分布圖

圖8　微缺陷分布圖

圖9　2#件斷口宏觀形貌

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