隔膜泵隔膜腔鑄造仿真模擬分析

鄭惟才

摘 要：隔膜泵液力端關(guān)鍵件屬于過(guò)流部件，過(guò)流面具有復(fù)雜的幾何形狀，液力端關(guān)鍵件鑄造加工是最經(jīng)濟(jì)、有效的制造方法。由于隔膜泵液力端關(guān)鍵件幾何形狀復(fù)雜，在關(guān)鍵件的鑄造過(guò)程中極易發(fā)生夾砂、縮孔等鑄造缺陷。傳統(tǒng)方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定關(guān)鍵件鑄造冒口位置，鑄造完成后通過(guò)缺陷檢測(cè)確定鑄件鑄造缺陷，然后改進(jìn)鑄造工藝，該方法周期長(zhǎng)、成本高、同時(shí)無(wú)法提前預(yù)知鑄造缺陷可能發(fā)生的位置。凝固過(guò)程是鑄造工藝中最重要的環(huán)節(jié)之一，在鑄件凝固過(guò)程中極易發(fā)生縮孔和縮松鑄造缺陷。本文以隔膜泵隔膜腔為研究對(duì)象，利用先進(jìn)的鑄造仿真平臺(tái)，對(duì)隔膜腔加冷鐵情況下的純凝固過(guò)程進(jìn)行模擬，獲得了隔膜腔純凝固后的溫度分布圖和微縮孔缺陷分布圖，通過(guò)分析缺陷位置，為隔膜腔鑄造工藝改進(jìn)提供理論數(shù)據(jù)和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：隔膜腔；鑄造模擬；純凝固；鑄造缺陷

中圖分類號(hào)：TB301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.前言

鑄造模擬是在鑄件實(shí)際鑄造之前進(jìn)行的鑄造充型和凝固過(guò)程的模擬。鑄造模擬考慮了紊流、表面張力、自由液面、相變、熱傳導(dǎo)等眾多影響因素的復(fù)雜流動(dòng)，使模擬結(jié)果更接近真實(shí)的鑄造過(guò)程。鑄造模擬可預(yù)測(cè)鑄件鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的卷氣、氧化夾雜、砂型沖蝕、鑄件凝固過(guò)程中產(chǎn)生的縮孔和縮松等缺陷位置。凝固過(guò)程是鑄造生產(chǎn)中最重要的工藝過(guò)程之一，鑄件縮孔、縮松、微缺陷等缺陷產(chǎn)生于這一工藝過(guò)程。凝固過(guò)程模擬可用來(lái)預(yù)測(cè)鑄件缺陷產(chǎn)生位置，進(jìn)而優(yōu)化鑄造工藝，提高鑄件鑄造質(zhì)量。凝固過(guò)程模擬可實(shí)現(xiàn)下述幾個(gè)目的：

（1）預(yù)測(cè)鑄造凝固時(shí)間，用于控制鑄造過(guò)程。

（2）預(yù)測(cè)鑄件縮孔和縮松位置，改進(jìn)鑄造工藝。

（3）預(yù)測(cè)鑄模的溫度分布，預(yù)測(cè)鑄模表面熔接狀況，指導(dǎo)鑄模設(shè)計(jì)。

隔膜泵液力端關(guān)鍵件具有復(fù)雜的過(guò)流面及表面幾何外形，鑄造是經(jīng)濟(jì)、高效的制造方法。但液力端關(guān)鍵件在鑄造過(guò)程中不可避免的產(chǎn)生鑄造缺陷。鑄造模擬能預(yù)測(cè)液力端關(guān)鍵件在鑄造過(guò)程中產(chǎn)生缺陷的類型及位置，進(jìn)而指導(dǎo)鑄造工藝改進(jìn)，如冒口位置及冒口尺寸優(yōu)化，提高液力端關(guān)鍵件鑄造質(zhì)量。準(zhǔn)確的鑄造模擬是一個(gè)復(fù)雜、系統(tǒng)的工作。

本文以某型隔膜泵隔膜腔為研究對(duì)象，對(duì)該隔膜腔鑄造過(guò)程中凝固過(guò)程進(jìn)行模擬，為了分析準(zhǔn)確性，隔膜腔凝固分析模型考慮了冷鐵對(duì)凝固過(guò)程影響。通過(guò)該型隔膜腔純凝固分析，得到隔膜腔完全凝固后溫度分布云圖和縮孔等缺陷分布云圖，獲得的結(jié)果可用于指導(dǎo)優(yōu)化隔膜腔鑄造工藝中冒口位置和尺寸等參數(shù)，進(jìn)而提高隔膜泵鑄造質(zhì)量。

1.隔膜腔純凝固模擬

1.1 幾何模型

隔膜腔純凝固模擬采用隔膜腔整體模型及對(duì)應(yīng)的鑄造冒口及冷鐵組合模型進(jìn)行分析。冒口及冷鐵尺寸均根據(jù)實(shí)際鑄造工藝確定。簡(jiǎn)化掉對(duì)鑄造模擬影響不大的細(xì)節(jié)特征，如后加工的孔、小尺寸幾何面等，隔膜腔鑄造三維幾何模型如圖1所示。

1.2 鑄造參數(shù)

隔膜腔純凝固模擬分析，需要對(duì)隔膜腔純凝固分析過(guò)程參數(shù)進(jìn)行定義。為了保證分析結(jié)果準(zhǔn)確性，定義隔膜腔鑄造模擬網(wǎng)格數(shù)量為500萬(wàn)；設(shè)定隔膜腔凝固初始溫度為1640K；分別定義鑄造型腔和鋼水材料，型腔為機(jī)械型砂型，并設(shè)定型腔導(dǎo)熱系數(shù)和熱傳導(dǎo)系數(shù)，定義鋼水和型腔之間的傳熱系數(shù)；求解結(jié)束條件為凝固率達(dá)到100%；結(jié)果輸出間隔為凝固10%。

1.3 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)分析獲得隔膜腔加冷鐵純凝固后隔膜腔的溫度分布和微縮孔分布云圖，如圖2～圖3所示。

結(jié)論

從圖2～圖4可以看出：隔膜腔凝固后易在隔膜腔兩側(cè)薄弱處產(chǎn)生缺陷及圖4中紅色部分，通過(guò)分析，為了避免該處產(chǎn)生缺陷，可在該隔膜腔四周加補(bǔ)襯，使該處缺陷在鑄造過(guò)程中轉(zhuǎn)移到補(bǔ)襯中，之后通過(guò)加工去掉，提高隔膜腔鑄造質(zhì)量。

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