齒輪油泵殼體鑄造成型工藝設(shè)計(jì)

王冬林，陸楠楠，杜海海，馬騎力

（1.中國(guó)石油集團(tuán)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(zhǎng)油田股份有限公司子長(zhǎng)采油廠，陜西 延安 717300；4.西安長(zhǎng)立油氣工程技術(shù)服務(wù)有限公司，陜西 西安 710065；5.長(zhǎng)慶油田分公司 第五采油廠，陜西 榆林 710200）

0 引 言

鑄造生產(chǎn)適用范圍廣，是工業(yè)生產(chǎn)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。鑄件價(jià)格低廉、經(jīng)濟(jì)性能好，且具有一定的尺寸精度[1,2]，在冶金、礦產(chǎn)、能源、航空航天及海洋探測(cè)等工業(yè)的設(shè)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(rùn)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(yīng)用于農(nóng)業(yè)、汽車(chē)、石油、航空等行業(yè)[4,5]，齒輪油泵一般不適用于輸送腐蝕性、含硬質(zhì)顆?；蚶w維、高度揮發(fā)或閃點(diǎn)低的液體，如汽油、苯等[6]。通過(guò)對(duì)齒輪油泵殼體鑄件的鑄造特點(diǎn)及難點(diǎn)進(jìn)行分析，提出一種齒輪油泵殼體鑄件的鑄造成型工藝設(shè)計(jì)方法。

1 鑄件工藝分析

鑄件為齒輪油泵殼體，結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示，材質(zhì)為HT200（灰鑄鐵），整體為殼體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊且復(fù)雜，具有中空內(nèi)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(jié)構(gòu)及尺寸

2 鑄件鑄造工藝設(shè)計(jì)

2.1 鑄造工藝性

（1）鑄件壁厚較為均勻，各壁間的過(guò)渡與連接處較為緩和，結(jié)構(gòu)較薄弱處（如圖1中C-C剖面）都有加強(qiáng)筋，防止裂紋的產(chǎn)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(qiáng)筋會(huì)妨礙拔模，所以選擇分型面應(yīng)在俯視圖中間分型，此分型方法便于拔模，且砂芯數(shù)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(zhǎng)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(zhì)量的前提下節(jié)約成本，決定采用砂型鑄造中的濕型鑄造方法進(jìn)行生產(chǎn)。

2.2 存在的問(wèn)題

（1）鑄件上有多個(gè)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?yàn)楸诤駷?5 mm，無(wú)法鑄造成型，2×φ6H7也無(wú)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(jī)械加工方法成型。

（2）鑄件的澆鑄材料為灰鑄鐵，其流動(dòng)性較好、收縮大，在澆注過(guò)程中容易產(chǎn)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(chǎn)生夾雜缺陷。

（3）鑄件壁厚不均勻，加強(qiáng)筋和鑄件主要壁厚相差較大，易產(chǎn)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(chǎn)，鑄件的尺寸公差等級(jí)為CT11-CT14，機(jī)械加工余量為2 mm。設(shè)計(jì)中使用增加厚度法取拔模斜度，根據(jù)《鑄造工藝學(xué)》[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(chǎn)，為便于鑄造成型和節(jié)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(shí)應(yīng)有利于下芯，便于合箱，澆注系統(tǒng)采用中間注入式可保證平穩(wěn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 確定澆注系統(tǒng)類(lèi)型

齒輪油泵殼體為小型灰鑄鐵件，采取封閉式澆注系統(tǒng)較好，鑄件高度較低，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此采用中間注入式澆注。

3.1.2 確定澆注系統(tǒng)尺寸

（1）鑄件質(zhì)量及吃砂量的確定。如圖4所示，對(duì)鑄件進(jìn)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(zhì)量M=ρV總=2.191 kg。

根據(jù)鑄件質(zhì)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(shí)間的計(jì)算。由于1箱2件，M總=M×2，t=S1M0.5總，其中，S1為系數(shù)，取決于鑄件壁厚，S1=2。則t=2×（2.191×2）0.5=4.186 6 s。為防止?jié)沧⒉蛔憧扇沧r(shí)間為5 s。查參考文獻(xiàn)[2]表7-8，可取μ=0.45，μ表示總流量系數(shù)。

（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(jīng)澆注系統(tǒng)時(shí)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(tǒng)最小阻流斷面截面積，cm2；M阻為流經(jīng)最小阻流斷面的金屬液總質(zhì)量，kg；HP為平均靜壓力頭，cm；μ為總流量系數(shù)，t為澆注時(shí)間，s。則A阻=2.48 cm2。

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

查《鑄造工藝設(shè)計(jì)》表2.27[8]得：內(nèi)澆道尺寸aⅠ=24 mm、bⅠ=21 mm、cⅠ=10 mm，如圖5所示。內(nèi)澆道長(zhǎng)度與吃砂量有關(guān)，為30 mm。

圖5 內(nèi)澆道尺寸

查《鑄造工藝設(shè)計(jì)》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(zhǎng)度為75 mm。

圖6 橫澆道尺寸

查《鑄造工藝設(shè)計(jì)》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(shè)計(jì)直澆道窩

查《鑄造工藝學(xué)》設(shè)計(jì)直澆道窩[7]，直澆道和橫澆道的簡(jiǎn)單連接如圖8所示。常見(jiàn)的直澆道窩形狀如圖9所示。

圖8 直澆道和橫澆道的簡(jiǎn)單連接

圖9 直澆道窩

3.2 冒口及冷鐵設(shè)計(jì)

采用分段比例法設(shè)計(jì)冒口。比例法補(bǔ)縮設(shè)計(jì)是工程應(yīng)用中一種簡(jiǎn)單直觀的設(shè)計(jì)方法，其經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，主要適用于系列產(chǎn)品的類(lèi)比設(shè)計(jì)。分段比例法設(shè)計(jì)中，冒口設(shè)計(jì)及高度的比例關(guān)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(nèi)切圓直徑，mm；T為鑄件壁厚或熱節(jié)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(shù)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(jié)處）設(shè)置外冷鐵，灰鑄鐵件冷鐵的厚度δ=（0.25～0.50）T，T為熱節(jié)圓直徑，此處熱節(jié)圓直徑約為φ20 mm，取冷鐵厚度為0.5T，即10 mm，根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)

4.1 模樣設(shè)計(jì)

模樣是用來(lái)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(nèi)部質(zhì)量、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性。該齒輪油泵為批量生產(chǎn)小型鑄件，選擇實(shí)體結(jié)構(gòu)模樣，所以選用木模樣，木模樣具有質(zhì)量輕、制作周期短、易加工成型、使用方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[9]。

4.2 砂箱設(shè)計(jì)

4.2.1 砂箱尺寸

根據(jù)吃砂量可知：砂箱的高度為180 mm。砂箱內(nèi)框尺寸（長(zhǎng)度×寬度）的確定與模樣的大小、箱內(nèi)放置鑄件的數(shù)量、澆注系統(tǒng)的尺寸和位置以及吃砂量有關(guān)[10]。設(shè)計(jì)齒輪油泵的砂箱長(zhǎng)度、寬度應(yīng)為50 mm或100 mm的倍數(shù)，高度應(yīng)是20 mm或50 mm的倍數(shù)。綜上所述，可得砂箱的長(zhǎng)度為400 mm，寬度為250 mm。

4.2.2 箱壁結(jié)構(gòu)

采用簡(jiǎn)易手工造型用砂箱，一般采用較厚的直箱壁，不設(shè)內(nèi)外凸緣，制作簡(jiǎn)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(xiāo)定位，為插銷(xiāo)定位砂箱。

4.3 砂芯設(shè)計(jì)

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(jiǎn)易砂芯只有一個(gè)芯頭，復(fù)雜砂芯有2個(gè)或多個(gè)芯頭。設(shè)計(jì)中的砂芯直徑較大，選用1個(gè)芯頭。芯頭應(yīng)與芯座尺寸相互配合，保證砂芯的正確安裝。

垂直芯頭的設(shè)計(jì)：直立放置在砂型中的芯頭稱(chēng)為垂直芯頭。

4.3.1 芯頭高度

設(shè)計(jì)中，由于砂芯直徑較大，直徑為φ86 mm，不設(shè)上芯頭。

查《鑄造工藝學(xué)》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(xué)》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(xué)》表6.19，鑄型種類(lèi)為濕型，則間隙為0.5 mm。

5 鑄造澆注模擬

模擬過(guò)程包括建立鑄件的三維實(shí)體模型、網(wǎng)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(shù)值模擬計(jì)算及鑄件鑄造缺陷結(jié)果顯示等步驟，主要需要澆注過(guò)程的模擬以及鑄造缺陷結(jié)果顯示[11-13]。

首先使用ProCAST對(duì)模樣和澆注系統(tǒng)（包括砂型等）進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)體建模[14-16]，主要是對(duì)鑄件充型過(guò)程的模擬及充型結(jié)果的模擬，分析鑄件的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理和可能存在的缺陷，以達(dá)到提高鑄件成型質(zhì)量的目的。

鑄造充型及冷卻是一個(gè)時(shí)刻變化的過(guò)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(guò)程為2.5 s時(shí)如圖11所示，冷卻過(guò)程在200 s時(shí)如圖12所示。

圖11 充型過(guò)程（2.5 s時(shí)刻）

圖12 冷卻過(guò)程（200 s時(shí)刻）

在完成對(duì)鑄件的初步分析后，對(duì)鑄件的澆注系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后對(duì)其充型過(guò)程進(jìn)行模擬，并觀察充型過(guò)程中的溫度分布及變化，達(dá)到改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)的目的。從充型過(guò)程中的溫度分布及變化可以看出此方案合理。

6 結(jié)束語(yǔ)

齒輪油泵殼體的鑄造成型工藝方案從最開(kāi)始的分型方案設(shè)計(jì)到澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，都存在許多問(wèn)題，理論知識(shí)得到了充分的實(shí)踐檢驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)了較多的不足。首先是對(duì)鑄件的鑄造工藝分析，先分析了鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇合適的分型方案，并分析其可能存在的問(wèn)題和缺陷，提出解決方案，使后續(xù)的設(shè)計(jì)能夠順利進(jìn)行。

在選取工藝參數(shù)方面，可以根據(jù)設(shè)計(jì)的需要以及零件圖，選擇其中的一部分來(lái)完成設(shè)計(jì)內(nèi)容。最主要的設(shè)計(jì)部分是澆注系統(tǒng)，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有較多的數(shù)據(jù)及相關(guān)的計(jì)算，其選擇應(yīng)盡量合理。在設(shè)計(jì)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(guò)計(jì)算查出合理的澆道尺寸并繪制澆注系統(tǒng)。然后是設(shè)計(jì)砂芯、冒口和冷鐵，鑄件中有2個(gè)垂直砂芯，而冒口的設(shè)計(jì)主要是對(duì)鑄件起補(bǔ)縮作用，在鑄件最高且壁厚大部分設(shè)置合適的冒口，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮，壁厚大部分易形成熱節(jié)，需設(shè)置冷鐵。最后根據(jù)待成型鑄件的放置和澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)合適尺寸的砂箱。

完成設(shè)計(jì)部分后，需要對(duì)設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)進(jìn)行三維軟件的模擬，對(duì)設(shè)計(jì)是否合理或存在缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)。齒輪油泵殼體是一個(gè)復(fù)雜鑄件，經(jīng)模擬后發(fā)現(xiàn)缺陷較少，主要存在的問(wèn)題是在鑄件的頂端部分會(huì)有微小的收縮以及壁厚大部分有熱節(jié)。通過(guò)模擬檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的缺陷，然后在收縮位置處設(shè)置冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，壁厚大部分設(shè)置冷鐵，使鑄件能夠成型且無(wú)缺陷產(chǎn)生。