重馬力汽車水泵-節(jié)溫器殼體一體鑄造工藝設計*

王秀紅，許 準，張 超，王新會

(1.鄭州航空工業(yè)管理學院 管理工程學院，河南 鄭州 450015；2.河南省西峽汽車水泵股份有限公司 鑄造事業(yè)部，河南 西峽 474500)

0 引 言

水泵和節(jié)溫器是控制重馬力汽車發(fā)動機溫度的關鍵部件[1-2]。水泵殼體是連接水泵各零部件的載體和主要過流部件，節(jié)溫器殼體是固定節(jié)溫器的部件。兩者通常分別采用灰鐵鑄造，并通過連接蓋板和密封圈組合連接，密封圈易老化，容易引起密封不嚴，漏水漏氣。水泵殼體和節(jié)溫器殼體一體化鑄造，能解決上述問題，但一體化鑄造受力復雜，鑄件砂眼、漿眼及沖刷缺陷等問題嚴重。如何在滿足HT200材料固有力學性能和金相組織的前提下，設計出合理的澆注模具和鑄造工藝規(guī)程是迫切需要解決的問題。

吳杰等[3]運用CFD技術(shù)對汽車水泵進行了研究，但主要對象只是葉輪；夏翔等[4]研究了水泵殼體零件低壓鑄造問題，但針對的是鋁合金殼體；趙競翔等[5]研究了HT200灰鐵的精密鑄造，但其主要針對高速列車冷卻系統(tǒng)油泵葉輪的鑄造工藝進行了研究；胡號等[6]基于FLOW-3D，進行了ES6W水泵殼體壓鑄工藝設計及優(yōu)化；王亞松[7]等利用Flow-3D軟件模擬了鑄件的充型過程,準確顯示了卷氣缺陷的分布情況，對其工藝進行了改進,減少了卷氣現(xiàn)象的產(chǎn)生；湛學勇等[8]對節(jié)溫器水泵總成進行了研究，但未設計生產(chǎn)工藝。

本文將對水泵殼體和節(jié)溫器殼體進行一體化設計，采用CAE軟件對初始設計方案進行模擬分析。

1 壓鑄工藝設計

1.1 鑄件材料及結(jié)構(gòu)初始設計

本文設計一體化鑄件殼體材質(zhì)為灰鑄鐵HT200(GB/T9438)[9-11]。HT200的總體性能，包括化學成分、力學性能、抗拉強度、硬度等，適合用于鑄造一體化殼體。

該鑄件將水泵殼體和節(jié)溫器殼體集成為一體，其鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)圖

圖1中，其結(jié)構(gòu)由進水管、吸水室、渦流室、出水流道、節(jié)溫器室及節(jié)溫器過渡連接室等組成。根據(jù)汽車水泵工作原理及各零部件尺寸，鑄件最大輪廓尺寸470×236×165 mm，基本壁厚5 mm，未注拔模斜度1-3°，未注圓角R2～R5，鑄造尺寸公差符合(GB/T6414-1999)CT9，其余非主要表面允許有直徑不大于2 mm，深0.5 mm，間距不小于20 mm的氣孔和砂眼，但總數(shù)不得超過5個。

1.2 初始鑄件分型工藝選擇及澆筑系統(tǒng)設計

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，以鑄件最大輪廓線作為主分型面位置，可使模具結(jié)構(gòu)簡單，外表面不用砂芯，外模可直接起型。考慮到鑄件內(nèi)腔4個砂芯的氣體需要及時、快速排出，采用渦流室面朝上工藝。根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)和設備精度，泵體大面、切水面為2.5 mm～3.5 mm，進水管口、節(jié)溫器安裝孔為2 mm～3 mm，劃面及螺栓面為1.5 mm～2.5 mm。其余加工面(≥100 mm2區(qū)域為3 mm，<100 mm2區(qū)域為2.5 mm)。

在制作模具時加上了相應的線性收縮率。灰鑄鐵件的鑄造收縮率取0.8%～1.0%，該鑄件長、寬、高之比為2.8∶1.4∶1。同時，進水管區(qū)域，收縮時為自由收縮，因此，在X、Y、Z方向上設置不同的收縮比：1.009 5、1.008 5、1.008。

鑄件分型工藝如圖2所示。

圖2 鑄件分型工藝

圖2中，設計鑄件澆口比為封閉型，澆注系統(tǒng)各截面比為A直∶A橫∶A內(nèi)=1.2∶1.7∶1。1.2是直澆棒的橫截面積。1.7是橫澆道的橫截面積，澆注過程中鐵水流入橫澆道時會產(chǎn)生阻流效果，液面在橫澆道處升高，鐵水中的雜質(zhì)可以阻流在頂部，起到減少產(chǎn)品的渣孔及漿孔的作用；1是內(nèi)澆口的橫截面積，根據(jù)A直∶A橫=1.2∶1.7進行充型后，根據(jù)充型結(jié)果調(diào)整尺寸。

2 初始方案模擬

本文采用CAE軟件[12-13]對初始設計方案進行模擬分析，模擬前對殼體壁厚進行補貼，即對原始3D內(nèi)腔補貼0.3 mm壁厚。

模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 初始方案CAE分析

圖3中，中間過程有50～100個圖，因此本研究只選取代表性的2個圖。由圖3可以看出，初始工藝卷氣風險比較大，卷氣風險大的部位氣流紊亂，易造成鐵水在腔體內(nèi)局部紊流，進而使對應部位的砂型松動，輕微地造成砂眼、氣孔；嚴重的憋氣會造成冷隔或者鐵水雜質(zhì)聚集形成漿眼。因產(chǎn)品存在起皮、氣孔問題，需要優(yōu)化工藝，調(diào)整進火量及增加排氣。

3 工藝改進及模具設計

3.1 工藝改進及模擬結(jié)果分析

針對上述問題，本文改進鑄件澆口比為半封閉型，有利于橫澆道平穩(wěn)流動，檔渣效果好。即：A直∶A橫∶A內(nèi)=1.2∶(1.5～1.8)∶1

本文改進了設計澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆道放置在分型面處，采用4個進火口分散進火。澆注系統(tǒng)各截面比為:A直∶A橫∶A內(nèi)=1.2∶1.7∶1。為降低鑄件砂眼、漿眼及沖刷缺陷的產(chǎn)生，本研究在直澆道窩放置陶瓷過濾器。

工藝設計完成后，本研究用Magma軟件進行CAE分析驗證，對熱節(jié)點部位放置冷卻片，對憋氣部位設置了排氣針。

仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 改進方案CAE分析

從圖4可以看出：模擬澆鑄溫度1 420 ℃，鑄件的沖型過程中沒有出現(xiàn)溫度在液相線(1 180 ℃)以下眬區(qū)域，表示改進后鑄件溫度分布均勻，無過冷溫度區(qū)，鑄件存在冷隔氣孔等缺陷風險小，充型良好；卷氣場顯示沖型過程中，氣體在產(chǎn)品型腔形成氣流流動，最終紊亂氣流都通過排氣針全部排出，卷氣場良好；當溫度從1 420 ℃降低到0 ℃，鑄件收縮過程無明顯孤立液相區(qū)，也無明顯高溫熱節(jié)區(qū)，鑄件內(nèi)部質(zhì)量較好。

3.2 模具設計

根據(jù)鑄造工藝設計及CAE分析結(jié)果，確定模具工藝方案如下：

(1)外模。采用HWS靜壓線潮模砂造型(砂箱尺寸1 000×800×350/350 mm)，每模2型，工藝出品率75%；

(2)內(nèi)腔需4個泥芯成型，其組合結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 模具設計圖

由于鑄件內(nèi)腔尺寸精度及表面質(zhì)量要求較高，本文確定砂芯全部用覆膜砂熱芯盒制芯工藝。其中，1#砂芯采用殼芯工藝，既可減輕砂芯重量，又可減少砂芯發(fā)氣。3#、4#砂芯放置在1付芯盒內(nèi)，共需3付芯盒。

4 鑄造工藝規(guī)程設計

鑄造WP12水泵殼體主要工序有制芯、修芯、型砂混制、造型、熔煉、爐前處理、澆注等，其工藝過程如圖6所示。

圖6 過程流程圖

圖6中，對工藝20、30A/30B、80A、90B分別制定相應的《原材料技術(shù)條件》、《制芯作業(yè)指導書》、《鑄件最終檢驗指導書》和《鑄件清理指導書》，100A和100B的工藝控制也參照《鑄件最終檢驗指導書》。工藝30C關鍵產(chǎn)品特征為砂芯表面質(zhì)量，工藝40砂型混制后要注意存放時間不宜過長。工藝50造型前應進行型砂水分檢查，砂型質(zhì)量控制。工藝60A制作過程中要嚴格監(jiān)測原鐵水化學成分及光譜記錄，工藝60C的澆注溫度、澆注時間、澆注溫度為關鍵質(zhì)量點。80A的末箱試棒金相組織，石墨，單鑄試棒延伸率嚴格參照《鑄件最終檢驗指導書》。

5 結(jié)束語

本研究設計的WP12水泵殼體，將水泵殼體和節(jié)溫器殼體作為一個零件鑄造，利用3D建模和Magma軟件進行CAE分析驗證，最終結(jié)果顯示，鑄件內(nèi)外表面無有疏松、氣孔、裂紋等缺陷，過渡表面光潔，無粘砂、結(jié)疤、氣孔、砂眼等缺陷，鑄件在≥0.3 MPa壓力下，歷時3 min,未有滲漏現(xiàn)象，滿足水泵殼體質(zhì)量要求。