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知识篇:叶轮体铸件的铸造工艺设计

一、铸件结构分析

叶轮体铸件尺寸ø660×202 mm,铸件重量为105 kg,铸件中心壁厚202 mm,叶片壁厚21 mm,铸件中心存在大热节,铸件有6片叶片是扭曲曲面(图1)。采用传统的组芯工艺,每片叶片至少需要两个砂芯拼装,整个铸件需要至少12个砂芯,而且组装砂芯浇注后缝隙铸件产生大量飞边,打磨困难,而且极易打磨过量造成叶片曲面形状过渡不光滑,从而影响叶轮部件性能。铸件材质暂定为QT500-7,铸件壁厚差较大需要快速浇注,内部容易产生缩孔、缩松铸造缺陷。

图1 叶轮体铸件

 

二、浇冒系统设计

综合考虑叶轮体铸件结构特点、材料特性、需要快速浇注、对厚大热节补缩等,为此设计两个顶冒口进行浇注和补缩,中心热节底面设置冷铁激冷,以实现顺序凝固的工艺方案。如图1所示,铸件中心有厚度180 mm的厚大圆柱结构,用单个顶冒口补缩设计方案进行模拟验证发现,冒口体很大,冒口颈直径几乎接近中心圆柱才可以把缩孔、缩松引入冒口,这样大的冒口直接设置的大热节上,造成更大的人为热节,中心局部过热,还有大冒口造成冒口根部金相组织粗大,冒口后续去除困难。考虑到快速浇注要求,如果在每个叶片设计内浇口,首先设置内浇口造成叶片形状不规则,其次铁液进入型腔紊流严重,而且后续清理会造成叶片打磨问题。

基于这些不利因素,在中心圆柱顶面设计两个小冒口,即作为补缩冒口,两个冒口不在圆柱正中心,可以减小人为热节,后续去除变的较为容易,同时在中心圆柱底面设置冷铁用于激冷,实现厚大部位顺序凝固;其次这两个小冒口上部设置泡沫陶瓷过滤块作为浇道,利用泡沫陶瓷过滤块可以过滤和梳流缓流作用,考虑到一个冒口中浇注铁液过滤块可能会被冲坏,在两个顶冒口中设置过滤块,在一个冒口浇注一段时间后改用另一个冒口浇注。图2为叶轮体浇注方案。图3为铸造方案凝固模拟,模拟验证缩孔、缩松转移进冒口中,虽然冒口颈根部有部分缩松和缩孔,根据以往经验由于从冒口直接浇注,冒口是过热的,这些缩孔和缩松完全可以引入冒口中。

图2 叶轮体浇注方案

图3 铸造方案凝固模拟