淺談葉輪與模具設計間的配合應用
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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性進行石膏芯的灌漿成形，整個灌裝過程是在一定真空度下進行硅橡膠軟模的充填的，所以成形性能極佳，同時石膏芯灌漿成形灌裝次數少，凝結過程中會發生膨脹，有良好復模性，工藝簡單、周期短、成本低。在利用快速原型技術制造出石膏芯以后，再進行低壓鑄造，這可以制造出尺寸精度高、表面粗糙度低，同時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，利用快速原型技術間接制造石膏芯，然后將石膏芯用于低壓鑄造中進行葉輪的生產，它是快速原型技術和葉輪低壓鑄造應運而生的產物。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行組裝和固定；按照一定的比例進行成分的配置，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度之后進行分型；最后進行石膏芯的烘干、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計及模具方案優化
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，改善鑄件成型質量。H13模具鋼的化學成分。H13鋼的含碳量為0.33~0.43%，含鉻量為4.75~5.75%，當添加合金元素后會改變熔體凝固狀態和微觀組織，并會造成共晶點明顯漂移。H13鋼中加入W、Mo、V等形成MoC和WC型碳化物元素，能對奧氏體晶粒細化，也使溶入奧氏體后在回火過程中產生二次硬化效果，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。在進行模具設計時，利用Pro/Engineer軟件進行建模，本文提出了2種模具設計方案，即方案Ⅰ和方案Ⅱ。
模具方案Ⅰ和方案Ⅱ的區別是：方案Ⅱ同時對上蓋板頂部和輪轂頂部進行冷卻裝置的施加，而方案Ⅰ只對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軟件進行上述兩種方案的優選，需要進行參數的設置，模具方案Ⅰ和模具方案Ⅱ設置的基本參數相同，需要進行設置的參數有材料參數、傳熱參數、邊界參數、循環參數、模具開模參數、壓力參數、充填參數和凝固參數，最后才進入MAGMASOFT系統的后處理，從后處理的模擬結果可以對兩種模具方案進行擇優選取。其中材料參數如表2所示，傳熱系數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定義為C3500.0，利用MAGMASOFT內部自帶低壓鑄造的默認邊界條件default.lpdc，以便更加真實地獲得模擬效果。
再循環定義中，閉合參數設置為10.0s，leadtime設置為5.0s。選擇開模參數為400℃時進行開模，模擬壓力隨時間變化，將充填參數的充填時間設置為12s，充填方向為MAGMASOFT軟件的自動施加方向，選擇補縮值為90%，在spray(噴涂)選項上選擇定義，定義wait(等待)時間為1s，spray(噴涂)時間為3s，受噴涂的材料為金屬型，blow(吹風)時間為1s，受吹風的材料為金屬型。經過MAGMASOFT系統的計算模擬之后，在后處理中可以看到充填模擬結果和凝固模擬結果。進行對比時，以保證自上而下順序凝固就可以保證在澆口部位進行補縮，減少凝固缺陷。以凝固時間為主要因素，兼顧其他因素，然后對兩種模具方案模擬結果進行比較擇優。方案Ⅰ的凝固時間圖如圖4所示，方案Ⅱ的凝固時間圖如圖5所示。由圖4可以看出，在葉輪鑄件輪轂的頂部凝固用時最長，比升液管入口處的凝固用時要長，即當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，就難以補縮，葉輪鑄件內部容易形成缺陷。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，可以進行補縮，葉輪鑄件缺陷相應地應該減少。所以，通過兩種模具方案模擬結果的對比，發現模具方案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結論
（1）低壓鑄造所需要的壓力小，設備占地少，投資低，自動化與機械化程度高，而且低壓鑄造得到的鑄件晶粒細小，組織細密，輪廓清晰、表面光潔，表面粗糙度可達3.2μm，尺寸公差在CT6~CT9之間。
（2）利用Pro/Engineer進行模具方案預設計，然后進行MAGMASCFT的數值模擬，最終得出：需要對葉輪鑄件上蓋板頂部和輪轂頂部同時施加冷卻裝置，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，然后結合工廠生產實際，利用模擬優化后的模具和工藝參數進行實際生產試驗，最終測得鑄件組織和性能均滿足實際使用要求。
作者：段晶瑩付長景單位：山東勞動職業技術學院
