浅谈叶轮与模具设计间的配合应用

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1叶轮的低压铸造和石膏芯制造工艺

利用石膏混合料的流动性进行石膏芯的灌浆成形，整个灌装过程是在一定真空度下进行硅橡胶软模的充填的，所以成形性能极佳，同时石膏芯灌浆成形灌装次数少，凝结过程中会发生膨胀，有良好复模性，工艺简单、周期短、成本低。在利用快速原型技术制造出石膏芯以后，再进行低压铸造，这可以制造出尺寸精度高、表面粗糙度低，同时满足性能要求的铝合金叶轮。快速原型石膏芯制造是指在石膏芯制造工艺中，利用快速原型技术间接制造石膏芯，然后将石膏芯用于低压铸造中进行叶轮的生产，它是快速原型技术和叶轮低压铸造应运而生的产物。其工艺过程如下：首先利用快速原型工艺制造的原型制造出硅橡胶软模；再将硅橡胶软模和成型石膏的金属型进行组装和固定；按照一定的比例进行成分的配置，制成真空的混合浆体；然后迅速地将浆体倒入放置的金属型和硅橡胶软模中；将硅橡胶软模和石膏芯得到一定的湿强度之后进行分型；最后进行石膏芯的烘干、焙烧和装配。组装好的用以成型石膏的金属型和硅橡胶软模，用来进行石膏混合装料的浇注以成型石膏芯，为成型的石膏芯。

2叶轮低压铸造模具设计及模具方案优化

叶轮低压铸造模具材料选用H13(4Cr5MoV1Si)模具钢，H13模具钢属于铬热作模具钢，其含碳量在0.5％以下。钢的含Cr量为5％左右，它和其他碳化物形成元素一起提供给钢具有较高的淬透性和好的抗软化能力，所以该钢在空冷条件下能够淬硬。与其它钢种相比，H13模具钢能够明显提高使用寿命，改善铸件成型质量。H13模具钢的化学成分。H13钢的含碳量为0.33~0.43%，含铬量为4.75~5.75%，当添加合金元素后会改变熔体凝固状态和微观组织，并会造成共晶点明显漂移。H13钢中加入W、Mo、V等形成MoC和WC型碳化物元素，能对奥氏体晶粒细化，也使溶入奥氏体后在回火过程中产生二次硬化效果，所以，H13模具钢适合做压铸和塑胶硬模，为模具钢选择的首选范围。在进行模具设计时，利用Pro/Engineer软件进行建模，本文提出了2种模具设计方案，即方案Ⅰ和方案Ⅱ。

模具方案Ⅰ和方案Ⅱ的区别是：方案Ⅱ同时对上盖板顶部和轮毂顶部进行冷却装置的施加，而方案Ⅰ只对叶轮铸件上盖板顶部施加冷却装置，模具方案Ⅰ模具方案Ⅱ，其中绿色部分代表施加冷却装置的位置。利用MAGMASOFT软件进行上述两种方案的优选，需要进行参数的设置，模具方案Ⅰ和模具方案Ⅱ设置的基本参数相同，需要进行设置的参数有材料参数、传热参数、边界参数、循环参数、模具开模参数、压力参数、充填参数和凝固参数，最后才进入MAGMASOFT系统的后处理，从后处理的模拟结果可以对两种模具方案进行择优选取。其中材料参数如表2所示，传热系数的定义是将型芯和金属型定义为C1000.0，将金属型的传热系数定义为C3500.0，利用MAGMASOFT内部自带低压铸造的默认边界条件default.lpdc，以便更加真实地获得模拟效果。

再循环定义中，闭合参数设置为10.0s，leadtime设置为5.0s。选择开模参数为400℃时进行开模，模拟压力随时间变化，将充填参数的充填时间设置为12s，充填方向为MAGMASOFT软件的自动施加方向，选择补缩值为90%，在spray(喷涂)选项上选择定义，定义wait(等待)时间为1s，spray(喷涂)时间为3s，受喷涂的材料为金属型，blow(吹风)时间为1s，受吹风的材料为金属型。经过MAGMASOFT系统的计算模拟之后，在后处理中可以看到充填模拟结果和凝固模拟结果。进行对比时，以保证自上而下顺序凝固就可以保证在浇口部位进行补缩，减少凝固缺陷。以凝固时间为主要因素，兼顾其他因素，然后对两种模具方案模拟结果进行比较择优。方案Ⅰ的凝固时间图如图4所示，方案Ⅱ的凝固时间图如图5所示。由图4可以看出，在叶轮铸件轮毂的顶部凝固用时最长，比升液管入口处的凝固用时要长，即当升液管入口处凝固完成后，叶轮铸件轮毂顶部还没有凝固，这样，就难以补缩，叶轮铸件内部容易形成缺陷。在图5中，叶轮铸件自上而下顺序凝固，最后凝固的地方在升液管入口的地方，可以进行补缩，叶轮铸件缺陷相应地应该减少。所以，通过两种模具方案模拟结果的对比，发现模具方案I并不能使叶轮铸件自上而下顺序凝固，而模具方案Ⅱ使叶轮铸件自上而下顺序凝固，所以，选用模具方案Ⅱ。

3结论

（1）低压铸造所需要的压力小，设备占地少，投资低，自动化与机械化程度高，而且低压铸造得到的铸件晶粒细小，组织细密，轮廓清晰、表面光洁，表面粗糙度可达3.2μm，尺寸公差在CT6~CT9之间。

（2）利用Pro/Engineer进行模具方案预设计，然后进行MAGMASCFT的数值模拟，最终得出：需要对叶轮铸件上盖板顶部和轮毂顶部同时施加冷却装置，这样才能使铸件按照自上而下的顺序凝固，所以选择方案Ⅱ，然后结合工厂生产实际，利用模拟优化后的模具和工艺参数进行实际生产试验，最终测得铸件组织和性能均满足实际使用要求。

作者：段晶莹付长景单位：山东劳动职业技术学院