紀(jì)艷卿，陳鵬榮

（西安航天發(fā)動機(jī)廠，陜西 西安710100）

0 引言

為確保我國在未來載人登月工程中的主導(dǎo)地位及國際競爭環(huán)境下的主動地位，需要對重型運(yùn)載發(fā)動機(jī)進(jìn)行研制。在發(fā)動機(jī)各零部件產(chǎn)品中，離心輪是渦輪泵中的關(guān)鍵零件，工作時高速旋轉(zhuǎn)，葉片型面與燃料直接接觸，承受載荷大，因此，對其尺寸精度和內(nèi)部質(zhì)量要求非常高。重載發(fā)動機(jī)三維大扭曲葉片離心輪鑄件尺寸大，葉片在內(nèi)腔大曲率變化，切削加工難以實(shí)現(xiàn)，必須采用鑄造成形。與傳統(tǒng)鑄造方法相比，采用熔模鑄造獲得的鑄件具有高的尺寸精度和低的表面粗糙度[1-3]，故采用熔模精密鑄造工藝進(jìn)行離心輪鑄件生產(chǎn)。

由于液態(tài)金屬澆入鑄型后，在凝固冷卻過程中，將產(chǎn)生液態(tài)收縮和凝固收縮。如果這些收縮得不到液態(tài)金屬的補(bǔ)充，將導(dǎo)致鑄件在最后凝固的部分產(chǎn)生縮孔和縮松，從而降低鑄件的力學(xué)性能，甚至造成廢品。因此，在進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)時，常采用冒口來消除縮孔，以獲得健全優(yōu)質(zhì)的鑄件[4]。

鑄鋼件體積收縮率比較大，所以設(shè)計(jì)工藝時需在熱節(jié)部位安放冒口。影響冒口補(bǔ)縮效果的因素很多，例如：澆注溫度、熱節(jié)形狀、鑄件結(jié)構(gòu)及澆注位置等，所以計(jì)算冒口尺寸是一個復(fù)雜的問題。比例法簡單適用，但精確度不高；模數(shù)法雖計(jì)算復(fù)雜，但比較科學(xué)[5]。本文采用模數(shù)法成功實(shí)現(xiàn)了重載高強(qiáng)不銹鋼 (S-04)離心輪澆冒口的工藝設(shè)計(jì)。經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，鑄件的熱節(jié)部位得到了有效補(bǔ)縮，工藝方案合理，成功澆注出了高質(zhì)量的離心輪鑄件。

1 鑄件結(jié)構(gòu)工藝分析及初步工藝方案確定

離心輪的材質(zhì)為高強(qiáng)不銹鋼S-04。離心輪葉片壁厚僅為5 mm，內(nèi)腔具有長短葉片各7個，葉片結(jié)構(gòu)為雙曲率型，為閉式葉輪結(jié)構(gòu)，鑄件上下兩端均存在熱節(jié)區(qū)域 (見圖1)，鑄造難度大。若平蓋板朝上的澆注位置，無法實(shí)現(xiàn)曲蓋板部位2熱節(jié)的補(bǔ)縮。因此，確定離心輪的澆注位置為曲蓋板朝上，通過合理設(shè)計(jì)補(bǔ)貼與冒口，使鑄件形成較強(qiáng)的順序凝固，消除鑄件部位1，2熱節(jié)處縮松、縮孔缺陷。

圖1 離心輪結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of centrifugal impeller

2 冒口設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 模數(shù)法設(shè)計(jì)冒口的基本原理

2.1.1 模數(shù)概念

鑄件或鑄件被補(bǔ)縮部分的體積與其表面積的比值：M=V(體積)/A(冷卻表面積)

2.1.2 基本原理

遵守順序凝固的基本條件。首先，為了實(shí)現(xiàn)冒口對鑄件的補(bǔ)縮，冒口的凝固時間τr應(yīng)大于鑄件被補(bǔ)縮部位的凝固時間τc。應(yīng)用Chvorinov公式 τr=(Mr/Kr)2和 τc=(Mc/Kc)2， 于是可得[6-7]：

式中：Mr和Mc分別為冒口的模數(shù)和鑄件的模數(shù)；Kr和Kc分別為冒口、鑄件的凝固系數(shù)。

對于普通冒口，Kr=Kc，因而式（1）可以寫成：

式中 f為冒口的安全系數(shù)，f≥1。

其次，冒口必須提供足夠的金屬液，以補(bǔ)償鑄件和冒口在凝固完畢前的體收縮和因型壁移動而擴(kuò)大的容積，使縮孔不致伸入鑄件內(nèi)，為滿足此條件應(yīng)用[8]：

式中：Vc，Vr和Ve為鑄件體積、冒口體積和因型壁移動而擴(kuò)大的體積；ε為金屬從澆完到凝固完畢的體收縮率；η為冒口的補(bǔ)縮效率。

2.2 模數(shù)法設(shè)計(jì)與計(jì)算離心輪冒口

2.2.1 離心輪鑄件補(bǔ)縮區(qū)的劃分，計(jì)算各區(qū)的鑄件模數(shù)

2.2.1.1 補(bǔ)縮區(qū)劃分

根據(jù)鑄件熱節(jié)的位置，將補(bǔ)縮區(qū)域劃分為2個區(qū)：曲蓋板與平蓋板 (見圖2)。

圖2 離心輪補(bǔ)縮區(qū)劃分Fig.2 Feeding areas of centrifugal impeller

2.2.1.2 工藝補(bǔ)貼的設(shè)置

為實(shí)現(xiàn)順序凝固和增強(qiáng)補(bǔ)縮效果，在靠近冒口的鑄件壁厚上補(bǔ)加的傾斜的金屬塊稱為補(bǔ)貼。冒口附近有熱節(jié)或鑄件尺寸超出冒口補(bǔ)縮距離時，利用補(bǔ)貼可造成向冒口的補(bǔ)縮通道，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮。應(yīng)用補(bǔ)貼可消除鑄件下部熱節(jié)處的縮孔，還可延長補(bǔ)縮距離[8]。

為消除補(bǔ)縮區(qū)1熱節(jié)圓及補(bǔ)縮區(qū)2熱節(jié)圓1的縮孔，應(yīng)設(shè)置垂直工藝補(bǔ)貼。應(yīng)用A·Heuvers氏滾圓法，按照擴(kuò)大滾圓法經(jīng)驗(yàn)比例關(guān)系，d1=1.5dy=23 mm， D1=1.5Dy=65.66 mm(見圖 3)。 R 值待D1值確定后，既要保證該處圓滑過渡，又要考慮到制殼過程中模殼的干燥問題，最終確定R的值為40 mm。

2.2.1.3 計(jì)算各區(qū)的鑄件模數(shù)Mc

應(yīng)用熱節(jié)圓當(dāng)量板/桿法，將熱節(jié)部位視為以熱節(jié)圓直徑為厚度的板或桿件。根據(jù)鑄件圖尺寸，繪圖做出熱節(jié)圓的直徑。

補(bǔ)縮區(qū)1處的熱節(jié)圓直徑為D=Φ57 mm，厚度視為厚57 mm的當(dāng)量板，Mc1=D/2=28.5 mm；補(bǔ)縮區(qū)2可視為板形件，Mc2=23/2=11.5 mm。

圖3 離心輪工藝補(bǔ)貼設(shè)置Fig.3 Subsidy arrangement for centrifugal impeller

2.2.2 冒口模數(shù)的確定

對于頂冒口 Mr=（ 1-1.2）Mc，輪轂冒口模數(shù)Mr1=（ 1-1.2）×Mc1=28.5 mm， 上浮動環(huán)冒口模數(shù)Mr2=（ 1-1.2）Mc2=11.5 mm。

2.2.3 冒口形狀及尺寸確定

運(yùn)用澆注系統(tǒng)當(dāng)冒口補(bǔ)縮設(shè)計(jì)法[9-10]，將澆口杯當(dāng)冒口補(bǔ)縮熱節(jié)1。根據(jù)圓柱體模數(shù)與直徑的關(guān)系：M=D/4，輪轂冒口模數(shù)Mr1=28.5 mm，澆口杯直徑D澆=28.5×4=114 mm。上浮動環(huán)冒口模數(shù)Mr2=11.5 mm，扇形冒口的寬度為23 mm。通過查詢鑄鋼手冊確定了澆口杯及冒口的尺寸，如見圖4(a)所示。

上浮動環(huán)放置4個扇形冒口，冒口之間的有效補(bǔ)縮距離為L=4×23=92 mm，由此確定冒口的角度為60°，如見圖4(b)所示。

2.3 冒口的補(bǔ)縮能力校核

冒口必須能提供足夠的金屬液，以補(bǔ)償鑄件和冒口在凝固完畢前的體收縮和因型壁移動而擴(kuò)大的容積，使縮孔不致伸入鑄件內(nèi)。為此，應(yīng)滿足公式（3），體收縮率公式為：

圖4 離心輪冒口形狀及尺寸Fig.4 Shape and dimensions of centrifugal impeller casting head

ε0與普通碳鋼的體收縮率相同，依據(jù)S-04鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及澆注溫度 (1540℃)進(jìn)行確定。查詢《鑄造工藝學(xué)》，可知ε0=1.2%。

式中：εx為合金元素對體收縮率的影響；wi為合金鋼中各元素的含量；ki為各合金元素對體收縮率的修正系數(shù)，如表1所示[8]。

表1 各合金元素對體收縮率的修正系數(shù)Tab.1 Correction coefficient of alloy elements for body shrinkage rate

對于S-04鋼的化學(xué)成分，為了增大安全系數(shù)，Ni含量取下限，其他各元素的含量取上限。所以：

εx=∑kiwi=4.5%×(-0.035 4)+0.70%×(+0.058 5)+13.5%×(+0.12)+0.5%×(+1.03)=2.02%

因此， ε=ε0+εx=1.2%+2.02%=3.2%。

2.3.1 校核澆口杯

通過UG三維軟件對澆口杯的體積Vc1，鑄件補(bǔ)縮區(qū)Vr1進(jìn)行計(jì)算，可知：Vc1=3 496 cm3，Vr1=6 019 cm3，Ve對于熔模鑄造來說近似為0。澆口通過冒口時，η=30%～35%。所以：

ε(Vc+Vr)+Ve=3.2%(3 496+6 019)+0=304.5 cm3

Vrη=6 019×30%=1 805.7 cm3

ε (Vc+Vr)+Ve＜Vrη

可知，澆口杯的補(bǔ)縮能力足夠。

2.3.2 校核上浮動環(huán)冒口

通過三維造型軟件UG對上浮動環(huán)冒口的體積Vc2和鑄件補(bǔ)縮區(qū)Vr2的體積進(jìn)行計(jì)算，可知：Vc2=1 155 cm3， Vr2=2 744 cm3， Ve對于熔模鑄造來說近似為0。η取值30%-35%。所以：

ε(Vc+Vr)+Ve=3.2%(1 155+2 744)+0=124.8 cm3

Vrη=2 744×30%=823.2 cm3

ε (Vc+Vr)+Ve＜Vrη

可知，澆口杯的補(bǔ)縮能力足夠。

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)與計(jì)算的澆冒口形狀及尺寸完成了蠟?zāi)５慕M合 (見圖5)。按此工藝進(jìn)行產(chǎn)品的研制生產(chǎn)，X光透視結(jié)果如表2所示。從表2可知，只有上浮動環(huán)6區(qū)出現(xiàn)了疏松C級缺陷，其他部位沒有發(fā)現(xiàn)縮孔、疏松缺陷，說明鑄件的熱節(jié)部位得到了有效的補(bǔ)縮，用模數(shù)法設(shè)計(jì)與計(jì)算的澆冒口比較合理。通過對上浮動環(huán)6區(qū)排缺、補(bǔ)焊，最終生產(chǎn)出了符合要求的鑄件，如圖6所示。

圖5 離心輪蠟?zāi)ig.5 Wax pattern of centrifugal impeller

表2 X光透視結(jié)果Tab.2 Perspective results by X-ray

圖6 離心輪鑄件Fig.6 Centrifugal impeller casting

4 結(jié)論

1)應(yīng)用鑄件冒口模數(shù)計(jì)算法，完成了離心輪澆冒口的設(shè)計(jì)。通過ε(Vc+Vr)+Ve＜Vrη，完成了澆冒口補(bǔ)縮能力的校核。鑄件的熱節(jié)部位得到了有效補(bǔ)縮，工藝方案合理，驗(yàn)證了用模數(shù)法設(shè)計(jì)與計(jì)算高強(qiáng)不銹鋼離心輪澆冒口的準(zhǔn)確性。

2)采用模數(shù)法設(shè)計(jì)高強(qiáng)不銹鋼離心輪鑄件澆冒口，成功生產(chǎn)出合格的離心輪鑄件，為今后的生產(chǎn)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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