馬亞鑫 門正興 岳太文 劉瑞林 王曉霞

(成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川610100)

1 拋丸機(jī)葉片的鑄造工藝分析

拋丸機(jī)鑄造葉片是拋丸機(jī)中的核心關(guān)鍵部件，它在一定程度上代表了拋丸機(jī)的水平，要求其具有良好的耐磨性和強(qiáng)韌性。選用中碳高鉻鑄鐵作為拋丸機(jī)葉片的材料，要求鑄件表面應(yīng)光滑，去除毛刺和銳邊，不允許有砂眼、氣孔、夾雜等明顯缺陷。鑄件的整體尺寸為150 mm×105 mm×25 mm，重量約為1.5 kg。鑄件整體輪廓相對(duì)簡(jiǎn)單，沒(méi)有復(fù)雜曲面輪廓，如圖1所示。采用粘土砂造型，一箱4件，選取葉片上表面為分型面，采用底注式澆注系統(tǒng)。各阻流截面∑S內(nèi)∶∑S橫∶∑S直=1∶1.1∶1.15，其中S內(nèi)≈0.615 cm2。為了加強(qiáng)補(bǔ)縮，可設(shè)立暗冒口，建立如圖2所示的澆注系統(tǒng)模型。

2 拋丸機(jī)葉片數(shù)值模擬及分析

2.1 前處理

(1)三維建模及網(wǎng)格劃分。采用CATIA軟件對(duì)拋丸機(jī)葉片及其鑄造工藝進(jìn)行實(shí)體三維建模。將三維模型導(dǎo)出為*.stl格式的文件，將其導(dǎo)入模擬分析軟件Anycasting中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分了130 872個(gè)單元。

圖1 零件實(shí)體模型Figure 2 Solid model of part

圖2 澆注系統(tǒng)模型Figure 2 Pouring system model

(2)界面換熱系數(shù)及熱物性參數(shù)的確定。Anycasting軟件自帶各種材料之間的傳熱系數(shù)，只需要根據(jù)實(shí)際的情況選擇即可。設(shè)置鑄件和砂模之間的傳熱系數(shù)為41.868 W/(m2·K)。砂型采用Anycasting自帶的Green Sand。

(3)澆注工藝參數(shù)的確定。砂型的初始溫度設(shè)為20℃，澆注溫度設(shè)為1420℃，充型速度為0.472 m/s。

2.2 充型過(guò)程模擬

模擬鑄造過(guò)程中金屬液在型腔中的充型過(guò)程，可以得到澆注過(guò)程中是否有紊流、澆不足等現(xiàn)象，預(yù)判充型不良區(qū)域等，從而判斷澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理[1-4]。充型過(guò)程如圖3所示。從充型順序來(lái)看，正對(duì)著橫澆道的兩個(gè)型腔最先開(kāi)始充型而且充型也不是很平穩(wěn)，這種情況可能導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生氣泡、夾渣等缺陷。

圖3 充型過(guò)程模擬Figure 3 Simulation of mold filling process

2.3 凝固模擬

凝固過(guò)程及缺陷模擬如圖4所示。可以看出，凝固后鑄件中心部位出現(xiàn)缺陷的概率接近0.9，而且缺陷的分布不均勻。另外，從鑄件凝固時(shí)間可以看出，內(nèi)澆道先于鑄件凝固，即鑄件的補(bǔ)縮通道被阻斷，說(shuō)明鑄件中心區(qū)域極有可能存在由于補(bǔ)縮不足導(dǎo)致的縮孔、縮松等缺陷。由于拋丸機(jī)葉片工作時(shí)與鋼砂發(fā)生摩擦，因此對(duì)葉片表面的耐磨性能有一定要求，如果在鑄件中心區(qū)域有這種缺陷存在，則其使用壽命會(huì)大幅下降。

(a)凝固時(shí)間(b)凝固后缺陷概率及分布圖4 凝固過(guò)程及缺陷模擬Figure 4 Solidification process and defect simulation

3 工藝方案的改進(jìn)

由原始方案模擬結(jié)果可知：型腔的充型過(guò)程及其不平穩(wěn)；內(nèi)澆道補(bǔ)縮通道先于鑄件凝固，鑄件未補(bǔ)縮到位；鑄件中心區(qū)域出現(xiàn)大量缺陷?；谏鲜鲈颍瑢?duì)冒口進(jìn)行了加大處理，對(duì)內(nèi)澆道做了縮短處理，同時(shí)把橫澆道放在了冒口的下方。改進(jìn)后模擬結(jié)果如圖5所示。改進(jìn)后充型過(guò)程變得更平穩(wěn)，同時(shí)鑄件缺陷由中心區(qū)域轉(zhuǎn)移到鑄件側(cè)耳且相對(duì)分散，但缺陷仍然存在。

結(jié)合工藝方案二，將暗冒口與直澆道結(jié)合作進(jìn)一步優(yōu)化，如圖6所示，凝固后缺陷概率基本為0。

4 結(jié)語(yǔ)

采用Anycasting軟件對(duì)鑄造拋丸機(jī)葉片的充型及凝固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)其缺陷產(chǎn)生的部位并分析缺陷產(chǎn)生的原因。在此基礎(chǔ)上對(duì)生產(chǎn)拋丸機(jī)葉片的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明：對(duì)冒口進(jìn)行加大處理，對(duì)內(nèi)澆道進(jìn)行縮短處理，同時(shí)把橫澆道放在冒口的下方，改進(jìn)后充型過(guò)程變得更平穩(wěn)，同時(shí)鑄件缺陷由中心區(qū)域轉(zhuǎn)移到鑄件側(cè)耳且相對(duì)分散，但缺陷仍然存在。將暗冒口與直澆道結(jié)合進(jìn)一步優(yōu)化，可有效消除缺陷，減少在鑄造拋丸機(jī)葉片重要部位產(chǎn)生缺陷的概率，對(duì)相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

(a)工藝方案二(b)充型過(guò)程(c)凝固后缺陷概率及分布

圖5 工藝方案二及充型凝固模擬Figure 5 Process plan II and simulation of mold filling and solidification

圖6 工藝方案三及凝固模擬
Figure 6 Process plan III and solidification simulation

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