隔膜泵隔膜腔鑄造仿真模擬分析

鄭惟才

摘 要：隔膜泵液力端關(guān)鍵件屬于過流部件，過流面具有復(fù)雜的幾何形狀，液力端關(guān)鍵件鑄造加工是最經(jīng)濟、有效的制造方法。由于隔膜泵液力端關(guān)鍵件幾何形狀復(fù)雜，在關(guān)鍵件的鑄造過程中極易發(fā)生夾砂、縮孔等鑄造缺陷。傳統(tǒng)方法是根據(jù)經(jīng)驗，確定關(guān)鍵件鑄造冒口位置，鑄造完成后通過缺陷檢測確定鑄件鑄造缺陷，然后改進鑄造工藝，該方法周期長、成本高、同時無法提前預(yù)知鑄造缺陷可能發(fā)生的位置。凝固過程是鑄造工藝中最重要的環(huán)節(jié)之一，在鑄件凝固過程中極易發(fā)生縮孔和縮松鑄造缺陷。本文以隔膜泵隔膜腔為研究對象，利用先進的鑄造仿真平臺，對隔膜腔加冷鐵情況下的純凝固過程進行模擬，獲得了隔膜腔純凝固后的溫度分布圖和微縮孔缺陷分布圖，通過分析缺陷位置，為隔膜腔鑄造工藝改進提供理論數(shù)據(jù)和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：隔膜腔；鑄造模擬；純凝固；鑄造缺陷

中圖分類號：TB301 文獻標識碼：A

0.前言

鑄造模擬是在鑄件實際鑄造之前進行的鑄造充型和凝固過程的模擬。鑄造模擬考慮了紊流、表面張力、自由液面、相變、熱傳導(dǎo)等眾多影響因素的復(fù)雜流動，使模擬結(jié)果更接近真實的鑄造過程。鑄造模擬可預(yù)測鑄件鑄造過程中產(chǎn)生的卷氣、氧化夾雜、砂型沖蝕、鑄件凝固過程中產(chǎn)生的縮孔和縮松等缺陷位置。凝固過程是鑄造生產(chǎn)中最重要的工藝過程之一，鑄件縮孔、縮松、微缺陷等缺陷產(chǎn)生于這一工藝過程。凝固過程模擬可用來預(yù)測鑄件缺陷產(chǎn)生位置，進而優(yōu)化鑄造工藝，提高鑄件鑄造質(zhì)量。凝固過程模擬可實現(xiàn)下述幾個目的：

（1）預(yù)測鑄造凝固時間，用于控制鑄造過程。

（2）預(yù)測鑄件縮孔和縮松位置，改進鑄造工藝。

（3）預(yù)測鑄模的溫度分布，預(yù)測鑄模表面熔接狀況，指導(dǎo)鑄模設(shè)計。

隔膜泵液力端關(guān)鍵件具有復(fù)雜的過流面及表面幾何外形，鑄造是經(jīng)濟、高效的制造方法。但液力端關(guān)鍵件在鑄造過程中不可避免的產(chǎn)生鑄造缺陷。鑄造模擬能預(yù)測液力端關(guān)鍵件在鑄造過程中產(chǎn)生缺陷的類型及位置，進而指導(dǎo)鑄造工藝改進，如冒口位置及冒口尺寸優(yōu)化，提高液力端關(guān)鍵件鑄造質(zhì)量。準確的鑄造模擬是一個復(fù)雜、系統(tǒng)的工作。

本文以某型隔膜泵隔膜腔為研究對象，對該隔膜腔鑄造過程中凝固過程進行模擬，為了分析準確性，隔膜腔凝固分析模型考慮了冷鐵對凝固過程影響。通過該型隔膜腔純凝固分析，得到隔膜腔完全凝固后溫度分布云圖和縮孔等缺陷分布云圖，獲得的結(jié)果可用于指導(dǎo)優(yōu)化隔膜腔鑄造工藝中冒口位置和尺寸等參數(shù)，進而提高隔膜泵鑄造質(zhì)量。

1.隔膜腔純凝固模擬

1.1 幾何模型

隔膜腔純凝固模擬采用隔膜腔整體模型及對應(yīng)的鑄造冒口及冷鐵組合模型進行分析。冒口及冷鐵尺寸均根據(jù)實際鑄造工藝確定。簡化掉對鑄造模擬影響不大的細節(jié)特征，如后加工的孔、小尺寸幾何面等，隔膜腔鑄造三維幾何模型如圖1所示。

1.2 鑄造參數(shù)

隔膜腔純凝固模擬分析，需要對隔膜腔純凝固分析過程參數(shù)進行定義。為了保證分析結(jié)果準確性，定義隔膜腔鑄造模擬網(wǎng)格數(shù)量為500萬；設(shè)定隔膜腔凝固初始溫度為1640K；分別定義鑄造型腔和鋼水材料，型腔為機械型砂型，并設(shè)定型腔導(dǎo)熱系數(shù)和熱傳導(dǎo)系數(shù)，定義鋼水和型腔之間的傳熱系數(shù)；求解結(jié)束條件為凝固率達到100%；結(jié)果輸出間隔為凝固10%。

1.3 計算結(jié)果

通過分析獲得隔膜腔加冷鐵純凝固后隔膜腔的溫度分布和微縮孔分布云圖，如圖2～圖3所示。

結(jié)論

從圖2～圖4可以看出：隔膜腔凝固后易在隔膜腔兩側(cè)薄弱處產(chǎn)生缺陷及圖4中紅色部分，通過分析，為了避免該處產(chǎn)生缺陷，可在該隔膜腔四周加補襯，使該處缺陷在鑄造過程中轉(zhuǎn)移到補襯中，之后通過加工去掉，提高隔膜腔鑄造質(zhì)量。

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