泵蓋鑄造工藝數值模擬

殷瑩，張二龍

泵蓋是泵中主要的零部件，材質為TA2，生產中由于鑄造成形工藝不合理，導致泵蓋中常出現氣孔、縮孔等缺陷，從而影響了泵的使用性能。利用CAE軟件，對所設計的泵蓋改變壁厚和澆注系統的大小進行充型、凝固順序和溫度場分布的數值模擬，評估了各種方案的優缺點，以獲得適合泵蓋的較佳鑄造工藝方案。

1.工藝參數確定

為保證工藝模擬結果真實反映該產品的充型及凝固過程，結合我公司真空凝殼爐的實際尺寸計算確定了所需的工藝參數，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，澆注系統如圖1所示。該澆注系統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，能夠有效地發揮頂部冒口的補縮作用。

頂注式澆注系統也存在缺陷，鈦液從高處落下，對鑄型沖擊較大，容易產生飛濺、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生縮孔缺陷，模擬結果與實際生產中產生的縮孔、氣孔的部位基本一致。

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

工藝參數表

圖1 泵蓋立澆示意

圖2 不同壁厚概率缺陷參數

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

分別以4mm、5.5mm、7mm筋厚立澆數值模擬，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缺陷幾率較小，鑄件的大平面出現少量氣孔等缺陷不會對產品質量和使用性能造成不利影響，所以可以滿足技術要求。

3.橫澆模擬分析

橫澆澆注系統設置如圖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，可能會出現大圓面澆不到、冷隔等缺陷。結合實際模擬分析凝固順序可看出，外圓和筋幾乎同時凝固，所以在這些部位都有可能出現缺陷。

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筋的根部凝固的較慢，這兩個部位及對應外圓處易產生缺陷。

4.結語

圖3 不同筋厚概率缺陷參數

（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，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較高，因而鈦合金件的壁厚比鑄鋼件應適當加厚，但也不能太厚，否則難以凝固，很容易產生縮孔。

根據我們模擬分析結果，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）在設計鑄件時，通過設鑄造加強筋來增加薄壁件的強度和剛度，以防止裂紋和變形，對于薄壁鑄件，鑄造加強筋也可以成為金屬液充填型腔時的輔助通道，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垂直或傾斜于澆注系統放置，立澆可以保證大圓面的充型及花瓣處補縮，減少筋連接處缺陷的產生，所以采用立澆的澆注系統比橫澆澆注系統效果好。

圖4 橫澆澆注系統示意

圖5 澆注系統不同的概率缺陷參數