抛丸机叶片铸造工艺优化研究

马亚鑫 门正兴 岳太文 刘瑞林 王晓霞

(成都航空职业技术学院，四川610100)

1 抛丸机叶片的铸造工艺分析

抛丸机铸造叶片是抛丸机中的核心关键部件，它在一定程度上代表了抛丸机的水平，要求其具有良好的耐磨性和强韧性。选用中碳高铬铸铁作为抛丸机叶片的材料，要求铸件表面应光滑，去除毛刺和锐边，不允许有砂眼、气孔、夹杂等明显缺陷。铸件的整体尺寸为150 mm×105 mm×25 mm，重量约为1.5 kg。铸件整体轮廓相对简单，没有复杂曲面轮廓，如图1所示。采用粘土砂造型，一箱4件，选取叶片上表面为分型面，采用底注式浇注系统。各阻流截面∑S内∶∑S横∶∑S直=1∶1.1∶1.15，其中S内≈0.615 cm2。为了加强补缩，可设立暗冒口，建立如图2所示的浇注系统模型。

2 抛丸机叶片数值模拟及分析

2.1 前处理

(1)三维建模及网格划分。采用CATIA软件对抛丸机叶片及其铸造工艺进行实体三维建模。将三维模型导出为*.stl格式的文件，将其导入模拟分析软件Anycasting中进行网格划分，共划分了130 872个单元。

图1 零件实体模型Figure 2 Solid model of part

图2 浇注系统模型Figure 2 Pouring system model

(2)界面换热系数及热物性参数的确定。Anycasting软件自带各种材料之间的传热系数，只需要根据实际的情况选择即可。设置铸件和砂模之间的传热系数为41.868 W/(m2·K)。砂型采用Anycasting自带的Green Sand。

(3)浇注工艺参数的确定。砂型的初始温度设为20℃，浇注温度设为1420℃，充型速度为0.472 m/s。

2.2 充型过程模拟

模拟铸造过程中金属液在型腔中的充型过程，可以得到浇注过程中是否有紊流、浇不足等现象，预判充型不良区域等，从而判断浇注系统设计是否合理[1-4]。充型过程如图3所示。从充型顺序来看，正对着横浇道的两个型腔最先开始充型而且充型也不是很平稳，这种情况可能导致铸件产生气泡、夹渣等缺陷。

图3 充型过程模拟Figure 3 Simulation of mold filling process

2.3 凝固模拟

凝固过程及缺陷模拟如图4所示。可以看出，凝固后铸件中心部位出现缺陷的概率接近0.9，而且缺陷的分布不均匀。另外，从铸件凝固时间可以看出，内浇道先于铸件凝固，即铸件的补缩通道被阻断，说明铸件中心区域极有可能存在由于补缩不足导致的缩孔、缩松等缺陷。由于抛丸机叶片工作时与钢砂发生摩擦，因此对叶片表面的耐磨性能有一定要求，如果在铸件中心区域有这种缺陷存在，则其使用寿命会大幅下降。

(a)凝固时间(b)凝固后缺陷概率及分布图4 凝固过程及缺陷模拟Figure 4 Solidification process and defect simulation

3 工艺方案的改进

由原始方案模拟结果可知：型腔的充型过程及其不平稳；内浇道补缩通道先于铸件凝固，铸件未补缩到位；铸件中心区域出现大量缺陷。基于上述原因，对冒口进行了加大处理，对内浇道做了缩短处理，同时把横浇道放在了冒口的下方。改进后模拟结果如图5所示。改进后充型过程变得更平稳，同时铸件缺陷由中心区域转移到铸件侧耳且相对分散，但缺陷仍然存在。

结合工艺方案二，将暗冒口与直浇道结合作进一步优化，如图6所示，凝固后缺陷概率基本为0。

4 结语

采用Anycasting软件对铸造抛丸机叶片的充型及凝固过程进行数值模拟，预测其缺陷产生的部位并分析缺陷产生的原因。在此基础上对生产抛丸机叶片的工艺进行了优化，结果表明：对冒口进行加大处理，对内浇道进行缩短处理，同时把横浇道放在冒口的下方，改进后充型过程变得更平稳，同时铸件缺陷由中心区域转移到铸件侧耳且相对分散，但缺陷仍然存在。将暗冒口与直浇道结合进一步优化，可有效消除缺陷，减少在铸造抛丸机叶片重要部位产生缺陷的概率，对相关企业生产具有一定的指导意义。

(a)工艺方案二(b)充型过程(c)凝固后缺陷概率及分布

图5 工艺方案二及充型凝固模拟Figure 5 Process plan II and simulation of mold filling and solidification

图6 工艺方案三及凝固模拟
Figure 6 Process plan III and solidification simulation

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