基于procast的叶轮铸件铸造工艺优化

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1、图1铸件结构图基于ProCAST的叶轮铸件铸造工艺优化范晓明1，王志1，龙志平2，林四喜2，陈究平2，高俊华1（1.武汉理工大学，湖北武汉430070；2.湖北崇锻集团，湖北崇阳437500）摘要：根据不锈钢叶轮铸件的结构，设计两种不同的浇注系统，并利用ProCAST对其进行数值模拟，预测铸造缺陷存在部位。然后，针对初步模拟结果，对优选工艺采取补加冒口和冷铁等措施，并在不同浇注温度下进行模拟分析，确定了叶轮铸件的铸造工艺。试生产结果表明，所生产叶轮铸件完全满足技术要求。关键词：不锈钢叶轮；数值模拟；ProCAST；工艺优化中图分类号：TG244+.4;文献标识码：A；文章编号：1006－96

2、58（2014）04－0011-03DOI：10.3969/j.issn.1006—9658.2014.04.003不锈钢叶轮铸件在使用过程中承载着巨大的剪切、冲击等交变载荷作用，其质量对产品正常工作起着至关重要的作用。因此，要确保该类铸件有良好的力学性能，主要受力部位不能有缩孔、裂纹等铸造缺陷存在。ProCAST是当前应用广泛的铸造模拟软件，可以模拟铸造过程中的流动过程、凝固过程等，准确的预测缩孔缩松、裏气、夹杂等铸造缺陷[1]。通过ProCAST可以达到缩短生产周期、减少生产成本、提高经济效益和产品竞争力的目的[2]。本文采用ProCAST模拟软件对不锈钢叶轮铸件的铸造工艺进行优化凝固模

3、拟，确定了合适的浇注工艺。加强肋，铸件壁厚不均匀，最薄部位是叶片外端部（8mm），铸件最厚部位是叶轮上下两端的空心圆柱处(90mm),铸件上下处分别有截面为40mm×42mm的环状结构。按照车间现有的生产条件，采用树脂砂工艺，四箱造型，一型一件，转包浇注。考虑到叶轮的结构复杂且壁厚不均匀，顶注式浇注系统虽然有利于铸件形成自下而上的凝固顺序，但对砂型的冲击力大，金属液易发生喷溅氧化，且不利于型腔中气体的顺利排出，容易造成裏气等铸造缺陷，而底注式浇注系统能使金属液平稳地从铸型的底部注入，型腔中的气体能自由地从上部出气口逸出，起到良好的出气排渣作用[3]，因此决定采用底注式浇注系统。根据铸件结构，

4、决定在较大热节的中间空心圆柱上端设置两个大冒口，在铸件上部环状结构处均匀设置8个出气小冒口。采用封闭-开放式浇注系统，将阻流截面设在横浇道处，阻流截面积及浇注时间的计算公式分别如式（1）~（3）[4]。1叶轮的铸造工艺分析不锈钢叶轮的结构如图1所示。其材质为2Cr13。该铸件的轮廓尺寸为710mm×710mm×760mm，质量为537kg，铸件有18个叶片，内部有6个F阻=GL（1）tkS′t=C姨GL（2）（3）ρ相=GCVC式中，F阻为阻流截面面积，cm2；GL为流经F阻截面的金属液重量，kg；k为浇注比速，kg·cm-·2s-1；S′为金属液流动系数；ρ相为铸件相对密度，kg·dm-3

5、；VC为铸件的轮廓体积，dm3；GC为铸件质量，kg；C为常数；t浇注时间，s。铸件质量GC约为537kg，流经F阻截面的金属收稿日期：2014-04-10稿件编号：1404-501作者简介：范晓明（1963—），男，工学博士，副教授，主要研究方向铸造合金与工艺.中国铸造装备与技术4／201411a.工艺方案一b.工艺方案二图2铸造工艺图step=60step=170a.方案一step=150step=250b.方案二图3充型过程的模拟Step=850step=980a.方案一step=1250step=1450b.方案二图4凝固不同时间温度大于固相线温度的区域生产技术ProductionT

6、echniques液重量GL约为670.5kg，金属液流动系数S′=0.8，VC=384.2dm3。由式（3）得ρ相=1.75kg·dm-3，查表[4]可知C=0.9，k=0.65kg·cm-2·s-1。由式（2）得t=23.3s；由式（1）得F阻=55.3cm2。浇道比取∑F直∶∑F横∶∑F内=1.1∶0.8∶1。由此得∑F直=76.0cm2，∑F横=55.3cm2，∑F内=70.0cm2。根据内浇道在铸件上的引入位置设计了两套铸造工艺方案，分别如图2所示。工艺a采用四个内浇道从铸件下端厚大部位引入铸件，造型简单，但金属液进入型腔，在垂直方向上易产生喷射。工艺b采用16个内浇道从铸件下端环

7、形结构处均匀引入，金属液进入型腔平稳，但造型较为复杂。一半高度，随后产生喷射的金属液在重力的作用下回落，在金属液回落的过程中不利于气体的排出，有可能产生裏气、夹杂等铸造缺陷。工艺b采用了16个内浇道填充，充型初期,金属液从16个内浇道处进入型腔,流量均衡,流速平稳,整个填充过程液面上升比较平稳。2.3凝固过程温度场变化的分析由于叶片在铸件的薄壁处，热量散失较快，会优先凝固；顶部两个大冒口与八个小冒口的金属液是