隔膜泵隔膜腔铸造仿真模拟分析

摘 要：隔膜泵液力端关键件属于过流部件，过流面具有复杂的几何形状，液力端关键件铸造加工是最经济、有效的制造方法。由于隔膜泵液力端关键件几何形状复杂，在关键件的铸造过程中极易发生夹砂、缩孔等铸造缺陷。传统方法是根据经验，确定关键件铸造冒口位置，铸造完成后通过缺陷检测确定铸件铸造缺陷，然后改进铸造工艺，该方法周期长、成本高、同时无法提前预知铸造缺陷可能发生的位置。凝固过程是铸造工艺中最重要的环节之一，在铸件凝固过程中极易发生缩孔和缩松铸造缺陷。本文以隔膜泵隔膜腔为研究对象，利用先进的铸造仿真平台，对隔膜腔加冷铁情况下的纯凝固过程进行模拟，获得了隔膜腔纯凝固后的温度分布图和微缩孔缺陷分布图，通过分析缺陷位置，为隔膜腔铸造工艺改进提供理论数据和指导。

关键词：隔膜腔；铸造模拟；纯凝固；铸造缺陷

中图分类号：TB301 文献标识码：A

0.前言

铸造模拟是在铸件实际铸造之前进行的铸造充型和凝固过程的模拟。铸造模拟考虑了紊流、表面张力、自由液面、相变、热传导等众多影响因素的复杂流动，使模拟结果更接近真实的铸造过程。铸造模拟可预测铸件铸造过程中产生的卷气、氧化夹杂、砂型冲蚀、铸件凝固过程中产生的缩孔和缩松等缺陷位置。凝固过程是铸造生产中最重要的工艺过程之一，铸件缩孔、缩松、微缺陷等缺陷产生于这一工艺过程。凝固过程模拟可用来预测铸件缺陷产生位置，进而优化铸造工艺，提高铸件铸造质量。凝固过程模拟可实现下述几个目的：

（1）预测铸造凝固时间，用于控制铸造过程。

（2）预测铸件缩孔和缩松位置，改进铸造工艺。

（3）预测铸模的温度分布，预测铸模表面熔接状况，指导铸模设计。

隔膜泵液力端關键件具有复杂的过流面及表面几何外形，铸造是经济、高效的制造方法。但液力端关键件在铸造过程中不可避免的产生铸造缺陷。铸造模拟能预测液力端关键件在铸造过程中产生缺陷的类型及位置，进而指导铸造工艺改进，如冒口位置及冒口尺寸优化，提高液力端关键件铸造质量。准确的铸造模拟是一个复杂、系统的工作。

本文以某型隔膜泵隔膜腔为研究对象，对该隔膜腔铸造过程中凝固过程进行模拟，为了分析准确性，隔膜腔凝固分析模型考虑了冷铁对凝固过程影响。通过该型隔膜腔纯凝固分析，得到隔膜腔完全凝固后温度分布云图和缩孔等缺陷分布云图，获得的结果可用于指导优化隔膜腔铸造工艺中冒口位置和尺寸等参数，进而提高隔膜泵铸造质量。

1.隔膜腔纯凝固模拟

1.1 几何模型

隔膜腔纯凝固模拟采用隔膜腔整体模型及对应的铸造冒口及冷铁组合模型进行分析。冒口及冷铁尺寸均根据实际铸造工艺确定。简化掉对铸造模拟影响不大的细节特征，如后加工的孔、小尺寸几何面等，隔膜腔铸造三维几何模型如图1所示。

1.2 铸造参数

隔膜腔纯凝固模拟分析，需要对隔膜腔纯凝固分析过程参数进行定义。为了保证分析结果准确性，定义隔膜腔铸造模拟网格数量为500万；设定隔膜腔凝固初始温度为1640K；分别定义铸造型腔和钢水材料，型腔为机械型砂型，并设定型腔导热系数和热传导系数，定义钢水和型腔之间的传热系数；求解结束条件为凝固率达到100%；结果输出间隔为凝固10%。

1.3 计算结果

通过分析获得隔膜腔加冷铁纯凝固后隔膜腔的温度分布和微缩孔分布云图，如图2～图3所示。

结论

从图2～图4可以看出：隔膜腔凝固后易在隔膜腔两侧薄弱处产生缺陷及图4中红色部分，通过分析，为了避免该处产生缺陷，可在该隔膜腔四周加补衬，使该处缺陷在铸造过程中转移到补衬中，之后通过加工去掉，提高隔膜腔铸造质量。