結(jié)構(gòu)特殊的大型挖泥泵葉輪鑄造工藝設(shè)計(jì)及模擬

石家莊強(qiáng)大泵業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 （河北 050035） 馮曉冉

隨著國(guó)家對(duì)海洋、湖泊開(kāi)發(fā)力度的加大，疏浚產(chǎn)品市場(chǎng)日益火熱，近期我公司承接了某公司的一批挖泥泵葉輪的生產(chǎn)任務(wù)，客戶對(duì)葉輪質(zhì)量要求很高，鑄件材質(zhì)采用高鉻白口鑄鐵，鑄件外觀必須平整，流道光潔且表面沒(méi)有影響使用的夾渣、冷隔、氣孔、縮松及裂紋等鑄造缺陷，硬度大于50HRC。

該批葉輪直徑2500mm，5枚主葉片，葉片厚度60mm，蓋板主要厚度45mm，軸頭部位厚度為250mm，流道高度410mm。此葉輪結(jié)構(gòu)較特殊，軸頭和蓋板壁厚懸殊，鑄造過(guò)程會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，在要求材質(zhì)為高鉻白口鑄鐵的情況下存在較大的開(kāi)裂傾向。

1.化學(xué)成分的選擇

化學(xué)成分的設(shè)計(jì)思路：在保證葉輪鑄件硬度、抗磨性等力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，盡可能降低有害元素含量，減小材質(zhì)對(duì)鑄件開(kāi)裂的影響。

葉輪鑄件化學(xué)成分選擇見(jiàn)下表。

葉輪控制化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.鑄造工藝分析及設(shè)計(jì)

鑄造工藝設(shè)計(jì)的主要思路：葉輪毛坯重量11t，按照生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和正常的大型葉輪鑄造工藝出品率，澆注重量應(yīng)在17t左右，應(yīng)保證在鑄件澆注時(shí)快速充型。同時(shí)考慮到蓋板和軸頭壁厚懸殊，應(yīng)采取措施盡量使溫度梯度分布均勻，最大程度地降低鑄件內(nèi)應(yīng)力，避免可能產(chǎn)生的鑄件開(kāi)裂問(wèn)題。

（1）造型方法 采用25t移動(dòng)連續(xù)混砂機(jī)，堿酚醛樹(shù)脂砂造型，由于葉片扭曲度較大，故采用組芯的工藝方案。

（2）分型面的選擇 根據(jù)葉輪形狀，采取從流道中間分型的方法。

（3）澆冒口的設(shè)計(jì) 葉輪共有5枚主葉片，主要熱節(jié)和補(bǔ)縮部位在蓋板與葉片相交處及軸頭部位，同時(shí)根據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇在軸頭上放置兩個(gè)冒口，蓋板上5個(gè)冒口的工藝方案。經(jīng)計(jì)算，蓋板和葉片熱節(jié)圓直徑為75mm，根據(jù)比例法確定蓋板冒口頸為φ90mm，冒口φ300 mm，高度600mm，軸頭端采用腰圓形冒口。

鑄件澆注重量較大，使用的漏包包孔直徑確定為70mm。澆注時(shí)既要快速充型，又要考慮到濾渣，因此選擇半封閉半開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，各截面面積比為F包孔:F直:F橫:F內(nèi)＝1:1.5～2:1～1.5:2～4，開(kāi)設(shè)上下兩層橫澆道，并通過(guò)直澆道連通，每層橫澆道有6道內(nèi)澆道。考慮到鑄件直徑較大和耐火度的要求，所有澆道均采用陶瓷澆道磚鋪設(shè)。根據(jù)澆道磚的規(guī)格，確定直澆道φ90mm，橫澆道φ70mm，內(nèi)澆道為15mm×80mm扁嘴磚。最終確定F阻＝F包孔＝F橫＝3846mm2，F(xiàn)直＝6358mm2，F(xiàn)內(nèi)＝14400mm2。實(shí)際各截面面積比為F包孔:F直:F橫:F內(nèi)＝1:1.65:1:3.7。

（4）防開(kāi)裂工藝措施 因軸頭和蓋板壁厚懸殊，防止軸頭和蓋板過(guò)渡部位產(chǎn)生裂紋是工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。考慮到澆注后軸頭部位熱節(jié)較大處溫度會(huì)較高，對(duì)2#芯采用鉻鐵礦砂制芯，可起到很好的激冷作用。同時(shí)在軸頭和蓋板過(guò)渡部位開(kāi)設(shè)拉筋（6道均布，壁厚20mm，見(jiàn)圖1），從結(jié)構(gòu)上減小和抵制一定的內(nèi)應(yīng)力。另外，造型過(guò)程中在軸頭根部放置若干外冷鐵。

（5）澆注溫度和澆注速度 澆注溫度的選擇非常重要，既要防止因溫度過(guò)高引起的包砂，又不能使溫度低產(chǎn)生冷隔。根據(jù)高鉻鑄鐵的特性，結(jié)合鑄件結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)澆注條件確定澆注溫度為1380～1420℃。澆注速度為用2min左右澆注完畢。

圖1 拉筋示意

（6）打箱及熱處理 葉輪澆注3h后去除壓重，24h后松動(dòng)軸頭冒口周?chē)纳白樱?天后松動(dòng)上箱，15天后（一般溫度降至250℃以下）鑄件出箱，打箱過(guò)程中不允許對(duì)鑄件有嚴(yán)重磕碰。

鑄件清理披縫、飛翅等后噴丸，然后進(jìn)行退火處理。退火完成后進(jìn)一步清理鑄件，去除澆冒口等再進(jìn)行淬火與回火處理。

（7）其他工藝參數(shù)及操作要點(diǎn) 堿酚醛樹(shù)脂砂造型，模樣采用玻璃鋼材質(zhì)，起模斜度1.5°，鑄造收縮率2%。

操作要點(diǎn)：①造型時(shí)使用的新砂比例要占35%～40%，制芯時(shí)芯鐵要纏足量草繩，保證砂芯的退讓性，在砂芯中間開(kāi)排氣孔。②冒口頸周?chē)褂镁乒枭棒┚o。③鑄件的工作面包括澆道、冒口座處涂料涂刷應(yīng)嚴(yán)密均勻，厚度2mm，尤其是葉片根部的圓弧部位要保證涂刷的質(zhì)量和厚度。④澆注完后過(guò)5～10min對(duì)軸頭冒口進(jìn)行補(bǔ)澆，加入發(fā)熱覆蓋劑。⑤合箱地點(diǎn)與下箱之間應(yīng)有草繩若干，以便于氣體的排出，所有引氣草繩引至箱外。⑥組芯時(shí)5個(gè)葉片間隙應(yīng)調(diào)整均勻。

實(shí)體鑄件見(jiàn)圖2，鑄造工藝如圖3所示。

圖 2

圖3 鑄造工藝

3.CAE溫度場(chǎng)模擬

工藝設(shè)計(jì)完成后，我們最擔(dān)心的還是葉輪鑄件應(yīng)力問(wèn)題。因CAE軟件沒(méi)有對(duì)鑄件的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算、分析并預(yù)測(cè)的功能，現(xiàn)在從鑄造CAE軟件計(jì)算溫度場(chǎng)的角度對(duì)鑄件應(yīng)力進(jìn)行人工輔助分析，如圖4、圖5所示。

圖4 剛澆注完畢時(shí)葉輪溫度場(chǎng)分布

圖5 冷卻至低溫時(shí)葉輪溫度場(chǎng)分布

從圖4a、圖4b可以看出，軸頭根部高溫區(qū)溫度為1364℃，驅(qū)動(dòng)側(cè)蓋板低溫區(qū)溫度為1345℃（蓋板邊緣1280℃左右，對(duì)軸頭根部位置無(wú)實(shí)質(zhì)影響），兩者溫差為20℃左右；圖5是冷卻至300℃左右的溫度場(chǎng)，中心部位和中間偏外的部位也僅相差20℃。根據(jù)以往對(duì)我公司常規(guī)結(jié)構(gòu)葉輪的計(jì)算結(jié)果，此兩者溫差為70～80℃。溫差小于常規(guī)是因?yàn)樘崆安扇×擞欣跍囟确植季鶆虻墓に嚧胧畲笙薅鹊販p少了由于溫度差過(guò)大產(chǎn)生的熱應(yīng)力的傾向。

4.生產(chǎn)驗(yàn)證

按照既定的工藝實(shí)施首批生產(chǎn)兩件，鑄件打箱清理后發(fā)現(xiàn)外觀良好，無(wú)裂紋，冒口無(wú)縮孔、縮松，尺寸測(cè)量也合格，經(jīng)磁粉無(wú)損檢測(cè)，鑄件內(nèi)部組織致密無(wú)缺陷。熱處理后取多點(diǎn)測(cè)硬度均在50HRC以上，用戶檢驗(yàn)后對(duì)鑄件質(zhì)量比較滿意。此后我公司生產(chǎn)此類鑄件十幾件，質(zhì)量一直比較穩(wěn)定，產(chǎn)品得到了用戶和市場(chǎng)的認(rèn)可。

5.結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)此種挖泥漿泵葉輪結(jié)構(gòu)上壁厚懸殊的特點(diǎn)，詳細(xì)分析了生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)合理選擇材質(zhì)成分和開(kāi)設(shè)拉筋等措施，使鑄件應(yīng)力得到了很好的控制，成功生產(chǎn)出了質(zhì)量合格的葉輪鑄件，積累了諸多有益的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，為我公司拓展疏浚產(chǎn)品市場(chǎng)提供了有力的技術(shù)保障。