齒輪油泵殼體鑄造成型工藝設計

王冬林，陸楠楠，杜海海，馬騎力

（1.中國石油集團工程材料研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101；3.延長油田股份有限公司子長采油廠，陜西 延安 717300；4.西安長立油氣工程技術服務有限公司，陜西 西安 710065；5.長慶油田分公司 第五采油廠，陜西 榆林 710200）

0 引 言

鑄造生產適用范圍廣，是工業生產的支柱產業之一。鑄件價格低廉、經濟性能好，且具有一定的尺寸精度[1,2]，在冶金、礦產、能源、航空航天及海洋探測等工業的設備中，鑄件都占有較大的比重[3]。齒輪油泵適用于輸送各種有潤滑性的液體，溫度不高于70℃，如需高溫200℃，配用耐高溫材料即可。齒輪油泵已廣泛應用于農業、汽車、石油、航空等行業[4,5]，齒輪油泵一般不適用于輸送腐蝕性、含硬質顆粒或纖維、高度揮發或閃點低的液體，如汽油、苯等[6]。通過對齒輪油泵殼體鑄件的鑄造特點及難點進行分析，提出一種齒輪油泵殼體鑄件的鑄造成型工藝設計方法。

1 鑄件工藝分析

鑄件為齒輪油泵殼體，結構及尺寸如圖1所示，材質為HT200（灰鑄鐵），整體為殼體結構，結構緊湊且復雜，具有中空內腔。鑄件外形輪廓尺寸為150 mm×120 mm×64 mm，其主要壁厚為20 mm，最厚壁厚為25 mm，最薄壁厚為6 mm，壁厚大體均勻。

圖1 齒輪油泵鑄件結構及尺寸

2 鑄件鑄造工藝設計

2.1 鑄造工藝性

（1）鑄件壁厚較為均勻，各壁間的過渡與連接處較為緩和，結構較薄弱處（如圖1中C-C剖面）都有加強筋，防止裂紋的產生。鑄件最小壁厚為6 mm，大于砂型鑄造鑄件允許最小壁厚3～4 mm，符合要求。

（2）齒輪油泵為小型鑄件，可采用砂型鑄造中的濕型鑄造，操作方便，工作量較小。

（3）鑄件有加強筋會妨礙拔模，所以選擇分型面應在俯視圖中間分型，此分型方法便于拔模，且砂芯數量不多，有利于砂芯固定和排氣。

（4）鑄件為齒輪油泵殼體，為防止漏油及延長齒輪使用壽命，精度要求較高。

綜上所述，為了便于鑄造成型，在確保鑄造質量的前提下節約成本，決定采用砂型鑄造中的濕型鑄造方法進行生產。

2.2 存在的問題

（1）鑄件上有多個孔，除中間的大孔需要鑄造以外，其他孔在考慮加工余量后不宜鑄造成型，如圖1中A-A剖面，4×M8-6H深15（孔深20）的孔因為壁厚為25 mm，無法鑄造成型，2×φ6H7也無法鑄造成型。底座上4×φ20 mm孔可鑄造成型，但考慮拔模且少型芯故不鑄造成型，鑄造完成后采用機械加工方法成型。

（2）鑄件的澆鑄材料為灰鑄鐵，其流動性較好、收縮大，在澆注過程中容易產生澆注不足、冷隔和冷裂等缺陷。此外，鑄件分型面的平面較大，易產生夾雜缺陷。

（3）鑄件壁厚不均勻，加強筋和鑄件主要壁厚相差較大，易產生裂紋。

2.3 鑄造工藝確定

采用砂型鑄造手工造型，大量生產，鑄件的尺寸公差等級為CT11-CT14，機械加工余量為2 mm。設計中使用增加厚度法取拔模斜度，根據《鑄造工藝學》[7]，得α拔模=1°25＇，a拔模=1 mm，如圖2所示。

圖2 拔模斜度

2.4 分型面選擇

由于鑄件批量生產，為便于鑄造成型和節約成本，選用砂型鑄造中的濕型鑄造的方法，并選用耐火度要求較低、更為便宜的粘土砂。

齒輪油泵殼體分型面選取時應有利于下芯，便于合箱，澆注系統采用中間注入式可保證平穩澆注，分型面選擇如圖3所示。

圖3 分型面示意圖

3 鑄造模結構設計

3.1 澆注系統設計

3.1.1 確定澆注系統類型

齒輪油泵殼體為小型灰鑄鐵件，采取封閉式澆注系統較好，鑄件高度較低，結構較為復雜，因此采用中間注入式澆注。

3.1.2 確定澆注系統尺寸

（1）鑄件質量及吃砂量的確定。如圖4所示，對鑄件進行體積分析得：V=316 020 mm3=316.02 cm3，查得HT200（灰鑄鐵）的密度為ρ=6.8 g/cm3。

圖4 齒輪油泵體積分析

其中，V1表示未鑄出孔的體積，cm3，則鑄件質量M=ρV總=2.191 kg。

根據鑄件質量確定吃砂量，可得a=40 mm，如表1所示，b=40 mm，c=30 mm，d=30 mm，e=30 mm，f=30 mm。

表1 確定吃砂量

（2）澆注時間的計算。由于1箱2件，M總=M×2，t=S1M0.5總，其中，S1為系數，取決于鑄件壁厚，S1=2。則t=2×（2.191×2）0.5=4.186 6 s。為防止澆注不足可取澆注時間為5 s。查參考文獻[2]表7-8，可取μ=0.45，μ表示總流量系數。

（3）平均靜壓力頭HP。分析鑄件尺寸，取C=6.4其中，υ表示阻流處金屬液的流速，H0表示阻流以上金屬液的總壓頭，A表示金屬液流經澆注系統時壓頭損失總和。

（4）最小阻流斷面積[7]。最小阻流斷面積

其中，A阻為澆注系統最小阻流斷面截面積，cm2；M阻為流經最小阻流斷面的金屬液總質量，kg；HP為平均靜壓力頭，cm；μ為總流量系數，t為澆注時間，s。則A阻=2.48 cm2。

（5）各澆道尺寸。澆注系統為封閉式，阻流斷面在內澆道，直澆道斷面最大，即∑A直＞∑A橫＞∑A內，選擇澆口（面積）比為∑S內∶∑S橫∶∑S直=1∶1.2∶1.4，則A內∶A橫∶A直=1∶1.2∶1.4，計算得：A內=A阻=2.48 cm2，A橫=2.976 cm2，A直=3.472 cm2。

查《鑄造工藝設計》表2.27[8]得：內澆道尺寸aⅠ=24 mm、bⅠ=21 mm、cⅠ=10 mm，如圖5所示。內澆道長度與吃砂量有關，為30 mm。

圖5 內澆道尺寸

查《鑄造工藝設計》表2.26[8]得：橫澆道尺寸aⅡ=17 mm、bⅡ=12 mm、cⅡ=21 mm，如圖6所示，盲澆道長度為75 mm。

圖6 橫澆道尺寸

查《鑄造工藝設計》表2.25[8]得：直澆道的尺寸d1=21 mm、d2=30 mm、h1=72 mm。如圖7所示。

圖7 直澆道尺寸

3.1.3 設計直澆道窩

查《鑄造工藝學》設計直澆道窩[7]，直澆道和橫澆道的簡單連接如圖8所示。常見的直澆道窩形狀如圖9所示。

圖8 直澆道和橫澆道的簡單連接

圖9 直澆道窩

3.2 冒口及冷鐵設計

采用分段比例法設計冒口。比例法補縮設計是工程應用中一種簡單直觀的設計方法，其經驗性強，主要適用于系列產品的類比設計。分段比例法設計中，冒口設計及高度的比例關系可參考下列公式：小件：D=（1.2～2.0）T；中件：D=（1.0～1.2）T；大件：D=（0.6～1.0）T；其中D為冒口直徑或冒口內切圓直徑，mm；T為鑄件壁厚或熱節圓直徑，mm。

該齒輪油泵殼體鑄件主要壁厚為20 mm，為小型鑄件，則D與T比值取1.2，冒口直徑D=φ24 mm，冒口高度h=（1.5～2.5）D，系數取1.5，則冒口高度h=36 mm。冒口分布如圖10所示。

在鑄件厚大部分（熱節處）設置外冷鐵，灰鑄鐵件冷鐵的厚度δ=（0.25～0.50）T，T為熱節圓直徑，此處熱節圓直徑約為φ20 mm，取冷鐵厚度為0.5T，即10 mm，根據鑄件結構在圖10所示位置放置2塊冷鐵。

圖10 冒口與冷鐵分布

4 鑄造工藝裝備設計

4.1 模樣設計

模樣是用來形成鑄型型腔的工藝裝備，模樣直接影響鑄件的幾何形狀、尺寸精度、表面精度與內部質量、生產效率和經濟性。該齒輪油泵為批量生產小型鑄件，選擇實體結構模樣，所以選用木模樣，木模樣具有質量輕、制作周期短、易加工成型、使用方便、價格低廉等優點[9]。

4.2 砂箱設計

4.2.1 砂箱尺寸

根據吃砂量可知：砂箱的高度為180 mm。砂箱內框尺寸（長度×寬度）的確定與模樣的大小、箱內放置鑄件的數量、澆注系統的尺寸和位置以及吃砂量有關[10]。設計齒輪油泵的砂箱長度、寬度應為50 mm或100 mm的倍數，高度應是20 mm或50 mm的倍數。綜上所述，可得砂箱的長度為400 mm，寬度為250 mm。

4.2.2 箱壁結構

采用簡易手工造型用砂箱，一般采用較厚的直箱壁，不設內外凸緣，制作簡便，容易落砂。

4.2.3 砂箱定位

因采用手工造型，所以使用定位銷定位，為插銷定位砂箱。

4.3 砂芯設計

鑄造所用砂芯的固定和定位部分叫芯頭，是指不與金屬接觸且伸出鑄件外面的砂芯部分[7]。

芯頭只起砂芯在型腔中固定、定位作用，簡易砂芯只有一個芯頭，復雜砂芯有2個或多個芯頭。設計中的砂芯直徑較大，選用1個芯頭。芯頭應與芯座尺寸相互配合，保證砂芯的正確安裝。

垂直芯頭的設計：直立放置在砂型中的芯頭稱為垂直芯頭。

4.3.1 芯頭高度

設計中，由于砂芯直徑較大，直徑為φ86 mm，不設上芯頭。

查《鑄造工藝學》表6.17得：下芯頭高度在20～25 mm，取其高度為20 mm。

4.3.2 芯頭斜度

查《鑄造工藝學》表6.18得：下芯頭高度為20 mm，則斜度為5°。

4.3.3 芯頭間隙

為了下芯方便，通常在芯頭與芯座之間留有間隙。查《鑄造工藝學》表6.19，鑄型種類為濕型，則間隙為0.5 mm。

5 鑄造澆注模擬

模擬過程包括建立鑄件的三維實體模型、網格劃分、確定材料的熱物理性能、初始條件和邊界條件、凝固數值模擬計算及鑄件鑄造缺陷結果顯示等步驟，主要需要澆注過程的模擬以及鑄造缺陷結果顯示[11-13]。

首先使用ProCAST對模樣和澆注系統（包括砂型等）進行準確的實體建模[14-16]，主要是對鑄件充型過程的模擬及充型結果的模擬，分析鑄件的澆注系統設計是否合理和可能存在的缺陷，以達到提高鑄件成型質量的目的。

鑄造充型及冷卻是一個時刻變化的過程，也能從中看出金屬液在型腔中的流淌及溫度的變化。充型過程為2.5 s時如圖11所示，冷卻過程在200 s時如圖12所示。

圖11 充型過程（2.5 s時刻）

圖12 冷卻過程（200 s時刻）

在完成對鑄件的初步分析后，對鑄件的澆注系統進行設計，然后對其充型過程進行模擬，并觀察充型過程中的溫度分布及變化，達到改進工藝設計的目的。從充型過程中的溫度分布及變化可以看出此方案合理。

6 結束語

齒輪油泵殼體的鑄造成型工藝方案從最開始的分型方案設計到澆注系統設計，都存在許多問題，理論知識得到了充分的實踐檢驗，也發現了較多的不足。首先是對鑄件的鑄造工藝分析，先分析了鑄件的結構特點，根據其結構特點選擇合適的分型方案，并分析其可能存在的問題和缺陷，提出解決方案，使后續的設計能夠順利進行。

在選取工藝參數方面，可以根據設計的需要以及零件圖，選擇其中的一部分來完成設計內容。最主要的設計部分是澆注系統，澆注系統的設計中有較多的數據及相關的計算，其選擇應盡量合理。在設計中選擇1箱2件的兩箱造型，適合小型鑄件的鑄造，然后通過計算查出合理的澆道尺寸并繪制澆注系統。然后是設計砂芯、冒口和冷鐵，鑄件中有2個垂直砂芯，而冒口的設計主要是對鑄件起補縮作用，在鑄件最高且壁厚大部分設置合適的冒口，實現補縮，壁厚大部分易形成熱節，需設置冷鐵。最后根據待成型鑄件的放置和澆注系統的設計，設計合適尺寸的砂箱。

完成設計部分后，需要對設計的澆注系統進行三維軟件的模擬，對設計是否合理或存在缺陷進行預測。齒輪油泵殼體是一個復雜鑄件，經模擬后發現缺陷較少，主要存在的問題是在鑄件的頂端部分會有微小的收縮以及壁厚大部分有熱節。通過模擬檢驗設計的缺陷，然后在收縮位置處設置冒口進行補縮，壁厚大部分設置冷鐵，使鑄件能夠成型且無缺陷產生。