謝 穎

(河北石油職業(yè)技術大學 機械工程系，河北 承德 067000)

葉輪在航空發(fā)動機、燃氣輪機和蒸汽輪機、汽車、船舶渦輪增壓器等機械中應用普遍，是一種將流動工質的能量轉換為機械功的旋轉式動力機械。葉輪結構特征復雜，制造工藝要求高，因此關于葉輪生產制造工藝的優(yōu)化是機械制造領域的研究方向及熱點。本文采用 ProCAST鑄造模擬軟件對工藝方案進行模擬優(yōu)化，降低葉輪的鑄造缺陷，并預測鑄件鑄造缺陷的分布[1]。

1 葉輪三維建模

應用SolidWORKS完成葉輪的三維實體造型，考慮到葉輪結構的復雜性，三維實體包括了工藝凸臺、葉片和葉輪體底部通孔等結構，與零件實體結構完全一致，如圖1所示[2]。

2 葉輪毛坯熔模鑄造的過程仿真

2.1 數(shù)學方程

鑄造的過程中，假設液態(tài)金屬為不可壓縮的牛頓流體，流體運動控制采用連續(xù)性方程[3]：

式中，D為散度；u,v,w為速度矢量在坐標中X,Y,Z方向上的分量。

根據動量守恒定律，以牛頓第二定律為基礎得出粘性流體運動微分方程：

2.2 澆注工藝仿真模型

澆注系統(tǒng)結構主要由澆口、直澆道、橫澆道、內澆道和冒口組成。本文設計三種不同的澆注工藝，應用SolidWORKS三維造型軟件建立立體模型。

2.3 前處理

借助鑄造工藝仿真軟件ProCAST進行澆鑄過程模擬與數(shù)據分析，分析澆注系統(tǒng)特性。

1)劃分網格

將SolidWORKS文件導入ProCAST中進行網格劃分，保證網格縱橫比在參考值7以下，選擇葉輪處的縱橫比為3，澆道的縱橫比為5。然后進行圖形質量分析和修整，不能存在負雅各比單元，如果存在則重新劃分網格。

2)邊界條件以及熱物性參數(shù)設置

設置材料參數(shù)和創(chuàng)建界面等。鑄件和型殼之間的換熱系數(shù)為1 000 W/m2·K，型殼與空氣的換熱系數(shù)為50 W/m2·K，重力方向為-Y方向，重力值為9.8 m/s2；采用1層面層、4層背層和1層封閉層工藝，型殼厚度為6～10 mm；型殼預熱溫度為1 000 ℃；澆注溫度為1 430 ℃。

2.4 熔模鑄造過程仿真結果

運行ProCAST模塊開始模擬計算過程，在軟件模擬過程中，用戶可以在“Status”模塊中實時查看計算進度，在“ViewCAST”中查看計算結果[4]。三種工藝方案不同時刻的凝固狀態(tài)如圖2、圖3、圖4所示。

如圖2所示，方案Ⅰ從196 s開始，直澆道和橫澆道大部分已經凝固，而葉輪底部和工藝凸臺還未凝固，這就導致當葉輪底部和工藝凸臺凝固時的收縮無法得到補償而容易產生縮孔，會影響工件的質量。如圖3所示，方案Ⅱ在117 s時整個葉片已經完全凝固，此時葉輪底部和澆道開始凝固，而澆道則是從四周向中間凝聚式凝固。工件的凝固速度大于澆道的凝固速度。如圖4所示，方案Ⅲ中可以清楚的看到澆注系統(tǒng)的凝固是從葉片頂部開始的，以發(fā)散式的凝固方式由葉片向葉輪逐步蔓延，同時澆口處也開始從上往下凝固。在116 s時，葉輪的工藝凸臺和內澆道幾乎同時凝固。模擬結果顯示，方案Ⅰ容易產生縮孔，方案Ⅱ是從四周向中間凝聚式凝固，方案Ⅲ凝固方式是從澆道的兩端向澆道中心聚集式凝固。

4 結論

通過對凝固過程的比較分析，方案Ⅰ的澆注系統(tǒng)在凝固過程中最容易產生縮孔現(xiàn)象，會嚴重影響工件的質量，方案Ⅱ和方案Ⅲ的澆注系統(tǒng)產生縮孔缺陷的可能性要低于方案Ⅰ，從凝固過程來分析，方案Ⅱ和方案Ⅲ比方案Ⅰ產生的缺陷少，產品質量更好。因此，方案Ⅱ和方案Ⅲ優(yōu)于方案Ⅰ。