馬亞鑫 門正興 岳太文 劉瑞林 王曉霞

(成都航空職業(yè)技術學院，四川610100)

1 拋丸機葉片的鑄造工藝分析

拋丸機鑄造葉片是拋丸機中的核心關鍵部件，它在一定程度上代表了拋丸機的水平，要求其具有良好的耐磨性和強韌性。選用中碳高鉻鑄鐵作為拋丸機葉片的材料，要求鑄件表面應光滑，去除毛刺和銳邊，不允許有砂眼、氣孔、夾雜等明顯缺陷。鑄件的整體尺寸為150 mm×105 mm×25 mm，重量約為1.5 kg。鑄件整體輪廓相對簡單，沒有復雜曲面輪廓，如圖1所示。采用粘土砂造型，一箱4件，選取葉片上表面為分型面，采用底注式澆注系統(tǒng)。各阻流截面∑S內(nèi)∶∑S橫∶∑S直=1∶1.1∶1.15，其中S內(nèi)≈0.615 cm2。為了加強補縮，可設立暗冒口，建立如圖2所示的澆注系統(tǒng)模型。

2 拋丸機葉片數(shù)值模擬及分析

2.1 前處理

(1)三維建模及網(wǎng)格劃分。采用CATIA軟件對拋丸機葉片及其鑄造工藝進行實體三維建模。將三維模型導出為*.stl格式的文件，將其導入模擬分析軟件Anycasting中進行網(wǎng)格劃分，共劃分了130 872個單元。

圖1 零件實體模型Figure 2 Solid model of part

圖2 澆注系統(tǒng)模型Figure 2 Pouring system model

(2)界面換熱系數(shù)及熱物性參數(shù)的確定。Anycasting軟件自帶各種材料之間的傳熱系數(shù)，只需要根據(jù)實際的情況選擇即可。設置鑄件和砂模之間的傳熱系數(shù)為41.868 W/(m2·K)。砂型采用Anycasting自帶的Green Sand。

(3)澆注工藝參數(shù)的確定。砂型的初始溫度設為20℃，澆注溫度設為1420℃，充型速度為0.472 m/s。

2.2 充型過程模擬

模擬鑄造過程中金屬液在型腔中的充型過程，可以得到澆注過程中是否有紊流、澆不足等現(xiàn)象，預判充型不良區(qū)域等，從而判斷澆注系統(tǒng)設計是否合理[1-4]。充型過程如圖3所示。從充型順序來看，正對著橫澆道的兩個型腔最先開始充型而且充型也不是很平穩(wěn)，這種情況可能導致鑄件產(chǎn)生氣泡、夾渣等缺陷。

圖3 充型過程模擬Figure 3 Simulation of mold filling process

2.3 凝固模擬

凝固過程及缺陷模擬如圖4所示。可以看出，凝固后鑄件中心部位出現(xiàn)缺陷的概率接近0.9，而且缺陷的分布不均勻。另外，從鑄件凝固時間可以看出，內(nèi)澆道先于鑄件凝固，即鑄件的補縮通道被阻斷，說明鑄件中心區(qū)域極有可能存在由于補縮不足導致的縮孔、縮松等缺陷。由于拋丸機葉片工作時與鋼砂發(fā)生摩擦，因此對葉片表面的耐磨性能有一定要求，如果在鑄件中心區(qū)域有這種缺陷存在，則其使用壽命會大幅下降。

(a)凝固時間(b)凝固后缺陷概率及分布圖4 凝固過程及缺陷模擬Figure 4 Solidification process and defect simulation

3 工藝方案的改進

由原始方案模擬結果可知：型腔的充型過程及其不平穩(wěn)；內(nèi)澆道補縮通道先于鑄件凝固，鑄件未補縮到位；鑄件中心區(qū)域出現(xiàn)大量缺陷?；谏鲜鲈?，對冒口進行了加大處理，對內(nèi)澆道做了縮短處理，同時把橫澆道放在了冒口的下方。改進后模擬結果如圖5所示。改進后充型過程變得更平穩(wěn)，同時鑄件缺陷由中心區(qū)域轉移到鑄件側耳且相對分散，但缺陷仍然存在。

結合工藝方案二，將暗冒口與直澆道結合作進一步優(yōu)化，如圖6所示，凝固后缺陷概率基本為0。

4 結語

采用Anycasting軟件對鑄造拋丸機葉片的充型及凝固過程進行數(shù)值模擬，預測其缺陷產(chǎn)生的部位并分析缺陷產(chǎn)生的原因。在此基礎上對生產(chǎn)拋丸機葉片的工藝進行了優(yōu)化，結果表明：對冒口進行加大處理，對內(nèi)澆道進行縮短處理，同時把橫澆道放在冒口的下方，改進后充型過程變得更平穩(wěn)，同時鑄件缺陷由中心區(qū)域轉移到鑄件側耳且相對分散，但缺陷仍然存在。將暗冒口與直澆道結合進一步優(yōu)化，可有效消除缺陷，減少在鑄造拋丸機葉片重要部位產(chǎn)生缺陷的概率，對相關企業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導意義。

(a)工藝方案二(b)充型過程(c)凝固后缺陷概率及分布

圖5 工藝方案二及充型凝固模擬Figure 5 Process plan II and simulation of mold filling and solidification

圖6 工藝方案三及凝固模擬
Figure 6 Process plan III and solidification simulation

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