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1葉輪的低壓鑄造和石膏芯制造工藝

利用石膏混合料的流動(dòng)性進(jìn)行石膏芯的灌漿成形，整個(gè)灌裝過程是在一定真空度下進(jìn)行硅橡膠軟模的充填的，所以成形性能極佳，同時(shí)石膏芯灌漿成形灌裝次數(shù)少，凝結(jié)過程中會(huì)發(fā)生膨脹，有良好復(fù)模性，工藝簡單、周期短、成本低。在利用快速原型技術(shù)制造出石膏芯以后，再進(jìn)行低壓鑄造，這可以制造出尺寸精度高、表面粗糙度低，同時(shí)滿足性能要求的鋁合金葉輪。快速原型石膏芯制造是指在石膏芯制造工藝中，利用快速原型技術(shù)間接制造石膏芯，然后將石膏芯用于低壓鑄造中進(jìn)行葉輪的生產(chǎn)，它是快速原型技術(shù)和葉輪低壓鑄造應(yīng)運(yùn)而生的產(chǎn)物。其工藝過程如下：首先利用快速原型工藝制造的原型制造出硅橡膠軟模；再將硅橡膠軟模和成型石膏的金屬型進(jìn)行組裝和固定；按照一定的比例進(jìn)行成分的配置，制成真空的混合漿體；然后迅速地將漿體倒入放置的金屬型和硅橡膠軟模中；將硅橡膠軟模和石膏芯得到一定的濕強(qiáng)度之后進(jìn)行分型；最后進(jìn)行石膏芯的烘干、焙燒和裝配。組裝好的用以成型石膏的金屬型和硅橡膠軟模，用來進(jìn)行石膏混合裝料的澆注以成型石膏芯，為成型的石膏芯。

2葉輪低壓鑄造模具設(shè)計(jì)及模具方案優(yōu)化

葉輪低壓鑄造模具材料選用H13(4Cr5MoV1Si)模具鋼，H13模具鋼屬于鉻熱作模具鋼，其含碳量在0.5％以下。鋼的含Cr量為5％左右，它和其他碳化物形成元素一起提供給鋼具有較高的淬透性和好的抗軟化能力，所以該鋼在空冷條件下能夠淬硬。與其它鋼種相比，H13模具鋼能夠明顯提高使用壽命，改善鑄件成型質(zhì)量。H13模具鋼的化學(xué)成分。H13鋼的含碳量為0.33~0.43%，含鉻量為4.75~5.75%，當(dāng)添加合金元素后會(huì)改變?nèi)垠w凝固狀態(tài)和微觀組織，并會(huì)造成共晶點(diǎn)明顯漂移。H13鋼中加入W、Mo、V等形成MoC和WC型碳化物元素，能對(duì)奧氏體晶粒細(xì)化，也使溶入奧氏體后在回火過程中產(chǎn)生二次硬化效果，所以，H13模具鋼適合做壓鑄和塑膠硬模，為模具鋼選擇的首選范圍。在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，利用Pro/Engineer軟件進(jìn)行建模，本文提出了2種模具設(shè)計(jì)方案，即方案Ⅰ和方案Ⅱ。

模具方案Ⅰ和方案Ⅱ的區(qū)別是：方案Ⅱ同時(shí)對(duì)上蓋板頂部和輪轂頂部進(jìn)行冷卻裝置的施加，而方案Ⅰ只對(duì)葉輪鑄件上蓋板頂部施加冷卻裝置，模具方案Ⅰ模具方案Ⅱ，其中綠色部分代表施加冷卻裝置的位置。利用MAGMASOFT軟件進(jìn)行上述兩種方案的優(yōu)選，需要進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，模具方案Ⅰ和模具方案Ⅱ設(shè)置的基本參數(shù)相同，需要進(jìn)行設(shè)置的參數(shù)有材料參數(shù)、傳熱參數(shù)、邊界參數(shù)、循環(huán)參數(shù)、模具開模參數(shù)、壓力參數(shù)、充填參數(shù)和凝固參數(shù)，最后才進(jìn)入MAGMASOFT系統(tǒng)的后處理，從后處理的模擬結(jié)果可以對(duì)兩種模具方案進(jìn)行擇優(yōu)選取。其中材料參數(shù)如表2所示，傳熱系數(shù)的定義是將型芯和金屬型定義為C1000.0，將金屬型的傳熱系數(shù)定義為C3500.0，利用MAGMASOFT內(nèi)部自帶低壓鑄造的默認(rèn)邊界條件default.lpdc，以便更加真實(shí)地獲得模擬效果。

再循環(huán)定義中，閉合參數(shù)設(shè)置為10.0s，leadtime設(shè)置為5.0s。選擇開模參數(shù)為400℃時(shí)進(jìn)行開模，模擬壓力隨時(shí)間變化，將充填參數(shù)的充填時(shí)間設(shè)置為12s，充填方向?yàn)镸AGMASOFT軟件的自動(dòng)施加方向，選擇補(bǔ)縮值為90%，在spray(噴涂)選項(xiàng)上選擇定義，定義wait(等待)時(shí)間為1s，spray(噴涂)時(shí)間為3s，受噴涂的材料為金屬型，blow(吹風(fēng))時(shí)間為1s，受吹風(fēng)的材料為金屬型。經(jīng)過MAGMASOFT系統(tǒng)的計(jì)算模擬之后，在后處理中可以看到充填模擬結(jié)果和凝固模擬結(jié)果。進(jìn)行對(duì)比時(shí)，以保證自上而下順序凝固就可以保證在澆口部位進(jìn)行補(bǔ)縮，減少凝固缺陷。以凝固時(shí)間為主要因素，兼顧其他因素，然后對(duì)兩種模具方案模擬結(jié)果進(jìn)行比較擇優(yōu)。方案Ⅰ的凝固時(shí)間圖如圖4所示，方案Ⅱ的凝固時(shí)間圖如圖5所示。由圖4可以看出，在葉輪鑄件輪轂的頂部凝固用時(shí)最長，比升液管入口處的凝固用時(shí)要長，即當(dāng)升液管入口處凝固完成后，葉輪鑄件輪轂頂部還沒有凝固，這樣，就難以補(bǔ)縮，葉輪鑄件內(nèi)部容易形成缺陷。在圖5中，葉輪鑄件自上而下順序凝固，最后凝固的地方在升液管入口的地方，可以進(jìn)行補(bǔ)縮，葉輪鑄件缺陷相應(yīng)地應(yīng)該減少。所以，通過兩種模具方案模擬結(jié)果的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模具方案I并不能使葉輪鑄件自上而下順序凝固，而模具方案Ⅱ使葉輪鑄件自上而下順序凝固，所以，選用模具方案Ⅱ。

3結(jié)論

（1）低壓鑄造所需要的壓力小，設(shè)備占地少，投資低，自動(dòng)化與機(jī)械化程度高，而且低壓鑄造得到的鑄件晶粒細(xì)小，組織細(xì)密，輪廓清晰、表面光潔，表面粗糙度可達(dá)3.2μm，尺寸公差在CT6~CT9之間。

（2）利用Pro/Engineer進(jìn)行模具方案預(yù)設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行MAGMASCFT的數(shù)值模擬，最終得出：需要對(duì)葉輪鑄件上蓋板頂部和輪轂頂部同時(shí)施加冷卻裝置，這樣才能使鑄件按照自上而下的順序凝固，所以選擇方案Ⅱ，然后結(jié)合工廠生產(chǎn)實(shí)際，利用模擬優(yōu)化后的模具和工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)，最終測(cè)得鑄件組織和性能均滿足實(shí)際使用要求。

作者：段晶瑩付長景單位：山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院