重馬力汽車(chē)水泵-節(jié)溫器殼體一體鑄造工藝設(shè)計(jì)*

王秀紅，許 準(zhǔn)，張 超，王新會(huì)

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 管理工程學(xué)院，河南 鄭州 450015；2.河南省西峽汽車(chē)水泵股份有限公司 鑄造事業(yè)部，河南 西峽 474500)

0 引 言

水泵和節(jié)溫器是控制重馬力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的關(guān)鍵部件[1-2]。水泵殼體是連接水泵各零部件的載體和主要過(guò)流部件，節(jié)溫器殼體是固定節(jié)溫器的部件。兩者通常分別采用灰鐵鑄造，并通過(guò)連接蓋板和密封圈組合連接，密封圈易老化，容易引起密封不嚴(yán)，漏水漏氣。水泵殼體和節(jié)溫器殼體一體化鑄造，能解決上述問(wèn)題，但一體化鑄造受力復(fù)雜，鑄件砂眼、漿眼及沖刷缺陷等問(wèn)題嚴(yán)重。如何在滿足HT200材料固有力學(xué)性能和金相組織的前提下，設(shè)計(jì)出合理的澆注模具和鑄造工藝規(guī)程是迫切需要解決的問(wèn)題。

吳杰等[3]運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)汽車(chē)水泵進(jìn)行了研究，但主要對(duì)象只是葉輪；夏翔等[4]研究了水泵殼體零件低壓鑄造問(wèn)題，但針對(duì)的是鋁合金殼體；趙競(jìng)翔等[5]研究了HT200灰鐵的精密鑄造，但其主要針對(duì)高速列車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)油泵葉輪的鑄造工藝進(jìn)行了研究；胡號(hào)等[6]基于FLOW-3D，進(jìn)行了ES6W水泵殼體壓鑄工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化；王亞松[7]等利用Flow-3D軟件模擬了鑄件的充型過(guò)程,準(zhǔn)確顯示了卷氣缺陷的分布情況，對(duì)其工藝進(jìn)行了改進(jìn),減少了卷氣現(xiàn)象的產(chǎn)生；湛學(xué)勇等[8]對(duì)節(jié)溫器水泵總成進(jìn)行了研究，但未設(shè)計(jì)生產(chǎn)工藝。

本文將對(duì)水泵殼體和節(jié)溫器殼體進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，采用CAE軟件對(duì)初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬分析。

1 壓鑄工藝設(shè)計(jì)

1.1 鑄件材料及結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一體化鑄件殼體材質(zhì)為灰鑄鐵HT200(GB/T9438)[9-11]。HT200的總體性能，包括化學(xué)成分、力學(xué)性能、抗拉強(qiáng)度、硬度等，適合用于鑄造一體化殼體。

該鑄件將水泵殼體和節(jié)溫器殼體集成為一體，其鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)圖

圖1中，其結(jié)構(gòu)由進(jìn)水管、吸水室、渦流室、出水流道、節(jié)溫器室及節(jié)溫器過(guò)渡連接室等組成。根據(jù)汽車(chē)水泵工作原理及各零部件尺寸，鑄件最大輪廓尺寸470×236×165 mm，基本壁厚5 mm，未注拔模斜度1-3°，未注圓角R2～R5，鑄造尺寸公差符合(GB/T6414-1999)CT9，其余非主要表面允許有直徑不大于2 mm，深0.5 mm，間距不小于20 mm的氣孔和砂眼，但總數(shù)不得超過(guò)5個(gè)。

1.2 初始鑄件分型工藝選擇及澆筑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，以鑄件最大輪廓線作為主分型面位置，可使模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外表面不用砂芯，外?？芍苯悠鹦?。考慮到鑄件內(nèi)腔4個(gè)砂芯的氣體需要及時(shí)、快速排出，采用渦流室面朝上工藝。根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)和設(shè)備精度，泵體大面、切水面為2.5 mm～3.5 mm，進(jìn)水管口、節(jié)溫器安裝孔為2 mm～3 mm，劃面及螺栓面為1.5 mm～2.5 mm。其余加工面(≥100 mm2區(qū)域?yàn)? mm，<100 mm2區(qū)域?yàn)?.5 mm)。

在制作模具時(shí)加上了相應(yīng)的線性收縮率?；诣T鐵件的鑄造收縮率取0.8%～1.0%，該鑄件長(zhǎng)、寬、高之比為2.8∶1.4∶1。同時(shí)，進(jìn)水管區(qū)域，收縮時(shí)為自由收縮，因此，在X、Y、Z方向上設(shè)置不同的收縮比：1.009 5、1.008 5、1.008。

鑄件分型工藝如圖2所示。

圖2 鑄件分型工藝

圖2中，設(shè)計(jì)鑄件澆口比為封閉型，澆注系統(tǒng)各截面比為A直∶A橫∶A內(nèi)=1.2∶1.7∶1。1.2是直澆棒的橫截面積。1.7是橫澆道的橫截面積，澆注過(guò)程中鐵水流入橫澆道時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻流效果，液面在橫澆道處升高，鐵水中的雜質(zhì)可以阻流在頂部，起到減少產(chǎn)品的渣孔及漿孔的作用；1是內(nèi)澆口的橫截面積，根據(jù)A直∶A橫=1.2∶1.7進(jìn)行充型后，根據(jù)充型結(jié)果調(diào)整尺寸。

2 初始方案模擬

本文采用CAE軟件[12-13]對(duì)初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬分析，模擬前對(duì)殼體壁厚進(jìn)行補(bǔ)貼，即對(duì)原始3D內(nèi)腔補(bǔ)貼0.3 mm壁厚。

模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 初始方案CAE分析

圖3中，中間過(guò)程有50～100個(gè)圖，因此本研究只選取代表性的2個(gè)圖。由圖3可以看出，初始工藝卷氣風(fēng)險(xiǎn)比較大，卷氣風(fēng)險(xiǎn)大的部位氣流紊亂，易造成鐵水在腔體內(nèi)局部紊流，進(jìn)而使對(duì)應(yīng)部位的砂型松動(dòng)，輕微地造成砂眼、氣孔；嚴(yán)重的憋氣會(huì)造成冷隔或者鐵水雜質(zhì)聚集形成漿眼。因產(chǎn)品存在起皮、氣孔問(wèn)題，需要優(yōu)化工藝，調(diào)整進(jìn)火量及增加排氣。

3 工藝改進(jìn)及模具設(shè)計(jì)

3.1 工藝改進(jìn)及模擬結(jié)果分析

針對(duì)上述問(wèn)題，本文改進(jìn)鑄件澆口比為半封閉型，有利于橫澆道平穩(wěn)流動(dòng)，檔渣效果好。即：A直∶A橫∶A內(nèi)=1.2∶(1.5～1.8)∶1

本文改進(jìn)了設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆道放置在分型面處，采用4個(gè)進(jìn)火口分散進(jìn)火。澆注系統(tǒng)各截面比為:A直∶A橫∶A內(nèi)=1.2∶1.7∶1。為降低鑄件砂眼、漿眼及沖刷缺陷的產(chǎn)生，本研究在直澆道窩放置陶瓷過(guò)濾器。

工藝設(shè)計(jì)完成后，本研究用Magma軟件進(jìn)行CAE分析驗(yàn)證，對(duì)熱節(jié)點(diǎn)部位放置冷卻片，對(duì)憋氣部位設(shè)置了排氣針。

仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 改進(jìn)方案CAE分析

從圖4可以看出：模擬澆鑄溫度1 420 ℃，鑄件的沖型過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)溫度在液相線(1 180 ℃)以下眬區(qū)域，表示改進(jìn)后鑄件溫度分布均勻，無(wú)過(guò)冷溫度區(qū)，鑄件存在冷隔氣孔等缺陷風(fēng)險(xiǎn)小，充型良好；卷氣場(chǎng)顯示沖型過(guò)程中，氣體在產(chǎn)品型腔形成氣流流動(dòng)，最終紊亂氣流都通過(guò)排氣針全部排出，卷氣場(chǎng)良好；當(dāng)溫度從1 420 ℃降低到0 ℃，鑄件收縮過(guò)程無(wú)明顯孤立液相區(qū)，也無(wú)明顯高溫?zé)峁?jié)區(qū)，鑄件內(nèi)部質(zhì)量較好。

3.2 模具設(shè)計(jì)

根據(jù)鑄造工藝設(shè)計(jì)及CAE分析結(jié)果，確定模具工藝方案如下：

(1)外模。采用HWS靜壓線潮模砂造型(砂箱尺寸1 000×800×350/350 mm)，每模2型，工藝出品率75%；

(2)內(nèi)腔需4個(gè)泥芯成型，其組合結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 模具設(shè)計(jì)圖

由于鑄件內(nèi)腔尺寸精度及表面質(zhì)量要求較高，本文確定砂芯全部用覆膜砂熱芯盒制芯工藝。其中，1#砂芯采用殼芯工藝，既可減輕砂芯重量，又可減少砂芯發(fā)氣。3#、4#砂芯放置在1付芯盒內(nèi)，共需3付芯盒。

4 鑄造工藝規(guī)程設(shè)計(jì)

鑄造WP12水泵殼體主要工序有制芯、修芯、型砂混制、造型、熔煉、爐前處理、澆注等，其工藝過(guò)程如圖6所示。

圖6 過(guò)程流程圖

圖6中，對(duì)工藝20、30A/30B、80A、90B分別制定相應(yīng)的《原材料技術(shù)條件》、《制芯作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》、《鑄件最終檢驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》和《鑄件清理指導(dǎo)書(shū)》，100A和100B的工藝控制也參照《鑄件最終檢驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》。工藝30C關(guān)鍵產(chǎn)品特征為砂芯表面質(zhì)量，工藝40砂型混制后要注意存放時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。工藝50造型前應(yīng)進(jìn)行型砂水分檢查，砂型質(zhì)量控制。工藝60A制作過(guò)程中要嚴(yán)格監(jiān)測(cè)原鐵水化學(xué)成分及光譜記錄，工藝60C的澆注溫度、澆注時(shí)間、澆注溫度為關(guān)鍵質(zhì)量點(diǎn)。80A的末箱試棒金相組織，石墨，單鑄試棒延伸率嚴(yán)格參照《鑄件最終檢驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)的WP12水泵殼體，將水泵殼體和節(jié)溫器殼體作為一個(gè)零件鑄造，利用3D建模和Magma軟件進(jìn)行CAE分析驗(yàn)證，最終結(jié)果顯示，鑄件內(nèi)外表面無(wú)有疏松、氣孔、裂紋等缺陷，過(guò)渡表面光潔，無(wú)粘砂、結(jié)疤、氣孔、砂眼等缺陷，鑄件在≥0.3 MPa壓力下，歷時(shí)3 min,未有滲漏現(xiàn)象，滿足水泵殼體質(zhì)量要求。