法蘭球閥鑄造工藝設(shè)計及模擬優(yōu)化

楊家財

（貴州電子科技職業(yè)學(xué)院，貴州貴陽56099）

隨著水、液化石油氣、天然氣等介質(zhì)輸送要求標(biāo)準(zhǔn)的提高，對球閥的性能要求也越來越高，為提高球閥性能，必須設(shè)計一套性能較高的鑄造工藝方案，生產(chǎn)得到的球閥應(yīng)無氣孔、縮松和夾雜等現(xiàn)象。球閥應(yīng)滿足水、油、氣等工作環(huán)境，使用溫度范圍在-29 ℃～260 ℃.球閥應(yīng)有良好的密封性、耐腐蝕性，具有硬度高、抗壓防裂能力強等特點。

1 球閥分析

圖1 所示為某法蘭球閥的三維實體模型，球閥材質(zhì)為304 不銹鋼，該件屬于中型球閥，輪廓尺寸為145 mm×160 mm×220 mm.球閥上下兩端為有螺栓孔的平整端面，需保證上下兩端面的平整度。球閥中部通過階梯圓柱相連，其圓柱面凸出位置為控制結(jié)構(gòu)部分，球閥內(nèi)部為大小不同的孔。綜合分析球閥結(jié)構(gòu)，可選擇從底部澆注或橫放從側(cè)面澆注。

圖1 球閥三維實體模型

2 鑄造工藝

2.1 造型設(shè)計

根據(jù)目前鑄件工藝技術(shù)，決定采用尺寸精度高、表面質(zhì)量好的冷芯盒精密組芯造型，通過手工方式制芯，無需砂箱固定。根據(jù)水閥結(jié)構(gòu)設(shè)計砂芯，分析得到水閥外部形狀關(guān)于豎直中心處對稱，以豎直中心為分型面造型出1#和2#砂芯，1#和2#砂芯能順利從左右兩側(cè)取出且砂芯形狀完整。由水閥內(nèi)部型腔結(jié)構(gòu)得到3#砂芯。為便于橫澆道造型及3#型芯安裝固定，選取水閥最底部為分型面，設(shè)計得到4#砂芯。各砂芯形狀與位置如圖2 所示。

圖2 各砂芯形狀與位置

2.2 澆注及補縮系統(tǒng)設(shè)計

分析球閥結(jié)構(gòu)，不銹鋼金屬液澆注會收縮須設(shè)置冒口，若采用橫放從側(cè)面澆注，冒口設(shè)置困難，且澆注完成后冒口較難消除。綜合分析后，決定采用底部平穩(wěn)澆注，橫澆道和內(nèi)澆道設(shè)計在分型面處便于造型，整個澆注系統(tǒng)設(shè)計如圖3 所示。在直澆道與橫澆道交界處設(shè)置了過濾網(wǎng)，起充分阻渣作用，同時能降低金屬液對砂芯的沖擊，避免脫砂。鑄件充型順序為由下到上，故在鑄件頂部設(shè)置冒口。分析確定鑄件材質(zhì)不銹鋼304 的澆注溫度為1 540 ℃，實際澆注過程嚴格控制了澆注溫度、冷卻時間和保溫時間；同時，設(shè)備運行平穩(wěn)，砂芯精度嚴格要求，保證了鑄件產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)參考文獻[1]確定水閥澆道截面積比為∑F直∶∑F橫∶∑F內(nèi)=1∶2∶2，表1 為各澆道長度和截面積。

圖3 澆注系統(tǒng)

表1 各澆道長度和截面積

3 AnyCasting 數(shù)值模擬分析

采用AnyCasting 對法蘭球閥鑄造工藝設(shè)計進行數(shù)值模擬，模擬仿真得到鑄件的凝固順序如圖4所示，分析得到鑄件的凝固順序為：頂部、澆道→鑄件中部→底部圓盤中心。由于頂部砂芯與外界接觸熱傳遞速率較快故率先凝固；澆道金屬液少且與砂芯充分接觸故澆道率先凝固；鑄件底部含有大量金屬液，造成熱傳遞速率逐漸降低，需較長時間凝固。根據(jù)鑄件凝固順序可以預(yù)判，在鑄件最后凝固位置由于無金屬液進行補縮造成縮孔、縮松等缺陷產(chǎn)生，如圖5a）概率缺陷參數(shù)圖，剖切鑄件底部，內(nèi)部有缺陷產(chǎn)生；同時豎向剖切，中部內(nèi)孔處有缺陷產(chǎn)生，如圖5b）所示。

綜合分析后，決定采用添加冷鐵的方式改善缺陷，其實質(zhì)是改變鑄件的凝固順序，使鑄件部分能得到充分補縮。根據(jù)圖4、圖5 鑄件凝固順序圖、概率缺陷參數(shù)圖，分析得到在鑄件中心內(nèi)孔表面及底部圓盤表面添加冷鐵塊，設(shè)計得到冷鐵的大小、形狀和位置如圖6 所示。將添加冷鐵后的鑄件進行數(shù)值模擬，得到添加冷鐵后的鑄件凝固順序圖7，可發(fā)現(xiàn)鑄件凝固順序發(fā)生改變，鑄件整體先凝固，澆道后凝固。觀察添加冷鐵后的概率缺陷參數(shù)圖8，得到鑄件底部無缺陷產(chǎn)生，整個鑄件內(nèi)部無缺陷產(chǎn)生，其缺陷主要集中在冒口位置處和澆道位置處，由因補縮而產(chǎn)生的縮松縮孔等缺陷移至了冒口。

圖4 凝固順序

圖5 概率缺陷參數(shù)

圖6 冷鐵位置

圖7 凝固順序

圖8 概率缺陷參數(shù)

按照圖6 添加冷鐵的方法進行實際澆注，經(jīng)過加工處理后得到實際水閥鑄件圖9，對實際鑄件采用X 光探傷檢測，分析得到鑄件內(nèi)部基本無缺陷產(chǎn)生，鑄件頂部冒口位置處有少量縮松縮孔等缺陷產(chǎn)生。

圖9 水閥鑄件

4 結(jié)論

通過對某法蘭球閥進行結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計得到了合理的砂芯組合方案，采用冷芯盒方法進行砂芯造型；分析球閥結(jié)構(gòu)確定了澆注位置，設(shè)計得到了合理澆注系統(tǒng)；通過AnyCasting 進行鑄造過程的數(shù)值模擬，確定了鑄件凝固順序及缺陷產(chǎn)生的位置，采用添加冷鐵方式來消除缺陷，分析確定了冷鐵的添加位置；再次對鑄件進行數(shù)值模擬分析及對實際鑄件進行檢測，其內(nèi)部無缺陷產(chǎn)生，故該鑄造工藝方案具有可行性。