大型多孔止回阀体铸造过程缺陷分析及工艺优化

铸㊀造

大型多孔止回阀体铸造过程缺陷分析及工艺优化

蔡洪刚

(四川优机实业股份有限公司ꎬ四川６１００００)

摘要:采用有限元方法对大型多孔止回阀充型和凝固过程进行数值模拟分析ꎬ结果表明造成铸件带状缺陷的主要原因为金属补缩量不够ꎬ最终通过优化铸件结构㊁增加浇铸重量以及增加冒口数量消除缺陷ꎮ

关键词:止回阀ꎻ砂型铸造ꎻ铸造缺陷ꎻ冒口中图分类号:ＴＧ２４㊀㊀文献标志码:Ｂ

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ｐｏｕｒｉｎｇｗｅｉｇｈｔａｎｄｒｉｓｅｒｑｕａｎｔｉｔｙ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｈｅｃｋｖａｌｖｅꎻｓａｎｄｃａｓｔｉｎｇꎻｃａｓｔｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓꎻｒｉｓｅｒ

收稿日期:２０１８－０８－２９

㊀㊀阀体类零件要求在承受多变高压负载情况下实现精准的液压传动和控制ꎬ是液压传动设备的关键零部件ꎬ因此质量要求非常高[１－３]ꎮ大型阀体类零件结构复杂㊁批量小ꎬ一般采用砂型铸造方式单件生产ꎬ阀体铸造工艺直接影响零件最终质量及生产周期ꎬ而铸造缺陷是大型阀体类零件失效的主要原因之一[４－５]ꎮ采用有限元方法对大型阀体类零件铸造充型和凝固过程进行数值模拟ꎬ

从而确定最佳工艺方案ꎬ避免铸造缺陷产生ꎬ提高浇铸效率ꎬ提高铸件质量ꎬ具有重要的理论意义和实际应用价值[６－８]ꎮ

轴流式止回阀是通过改变入口流量来实现启闭件开启与关闭的一种止回阀ꎬ被广泛应用于城市输水系统ꎬ降低止回阀能耗是当前国内外阀设计的一项重要指标ꎮ传统的轴流式止回阀结构阀内容易产生复杂涡流ꎬ导致流阻增大以及能耗增加ꎻ新型多孔止回阀通过优化阀门内部结构ꎬ减小了单孔的密封面积ꎬ更有利于阀板的密封ꎬ可以有效的降低流通阻力ꎬ增大流量ꎬ对实现流动减阻具有十分重要的意义ꎮ多孔止回阀有效降低了能耗ꎬ但对阀体铸件的质量要求更高ꎬ增加了产品的生产难度ꎮ

１㊀大型多孔止回阀铸造工艺要求

某大型多孔止回阀体铸件产品如图１所示ꎬ最大外形尺寸为２.８ｍꎬ重量单体１４ｔꎮ零件属于大型压力容器部件ꎬ阀体零件设计工作压力为５.０ＭＰａꎮ根据零件特点采用木模砂型铸造方式成形ꎬ产品超声检测需符合ＡＳＴＭＡ６０９２级ꎻ磁粉检测需符合ＡＳＴＭＡ９０３３级ꎻ产品外观需符合ＭＳＳＳＰ５５要求ꎮ

铸件材料为ＡＳＴＭＡ２１６ＷＣＢꎬ化学成分必须

符合表１要求ꎮ为提高钢水质量ꎬ需要使用ＬＦ炉进行精炼ꎮ

图１㊀止回阀示意图

Ｆｉｇｕｒｅ１㊀Ｓｋｅｔｃｈｏｆｍｕｌｔｉ￣ｈｏｌｅｃｈｅｃｋｖａｌｖｅ

２㊀铸造工艺分析及优化

根据多孔止回阀体铸件结构特点及壁厚差异初步设计零件铸造工艺方案ꎮ由于多孔止回阀体

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«大型铸锻件»

Ｎｏ.３ＨＥＡＶＹＣＡＳＴＩＮＧＡＮＤＦＯＲＧＩＮＧＭａｙ２０１９

表１㊀ＡＳＴＭＡ２１６ＷＣＢ化学成分(质量分数ꎬ％)

Ｔａｂｌｅ１㊀ＣｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆＡＳＴＭＡ２１６ＷＣＢ(ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎꎬ％)

Ｃ

Ｍｎ

Ｓｉ

Ｓ

Ｐ

Ｃｒ

Ｎｉ

Ｍｏ

Ｃｕ

Ｖ

０.１８~０.２５

０.８０~１.２０

ɤ０.６０

ɤ０.０３０

ɤ０.０３０

ɤ０.３０

ɤ０.４０

ɤ０.１２

ɤ０.３０

ɤ０.０３０

图２㊀止回阀阀体浇铸工艺模拟

Ｆｉｇｕｒｅ２㊀Ｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｃｈｅｃｋｖａｌｖｅｂｏｄｙ

图３㊀止回阀铸造工艺方案示意图

Ｆｉｇｕｒｅ３㊀Ｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｐｒｏｊｅｃｔｓｋｅｔｃｈｏｆｃｈｅｃｋｖａｌｖｅ

图４㊀止回阀凝固过程分析

Ｆｉｇｕｒｅ４㊀Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｈｅｃｋｖａｌｖｅ

为对称的圆周结构ꎬ在上法兰面设计４个均匀分布的冒口ꎮ对初始方案进行铸造充型和凝固过程数值模拟ꎬ发现在多孔止回阀体铸件四周位置容易出现以疏松及缩孔为主的带状缺陷(见图２)ꎮ从铸件冷凝过程及温区的变化可知ꎬ造成带状缺陷的原因是６个凸台位置及中心位置冷凝较快ꎬ而阀体四周的补缩量不够ꎮ此外ꎬ浇铸金属重量不足也会导致补缩的液体不够ꎬ最终导致铸件四周出现带状缺陷ꎬ因此必须增加浇铸重量以及冒口数量ꎮ

㊀㊀为保证补缩的均匀性ꎬ减少铸件内部疏松及缩孔ꎬ在凸台处和中心位置增补冒口至１２个ꎬ如图３所示ꎮ再次数字模拟(见图４)发现ꎬ在凝固过程中每个冒口都起到了一定的补缩作用ꎬ阀体铸件四周带状缺陷完全消失ꎬ没有新的缺陷产生ꎮ３㊀产品试制

采用图３工艺方案开展大型止回阀铸件生产ꎬ对热处理后铸件进行超声检测ꎬ铸件内部无明显的疏松ꎮ铸件表面经过磁粉检测未发现缺陷ꎬ验证了铸造过程数值模拟在大型多孔止回阀体铸造工艺优化方面的可行性ꎮ４㊀结论

采用数值模拟分析方法对大型多孔止回阀体砂型铸造工艺原始方案进行分析ꎬ发现造成铸件

四周出现以疏松及缩孔为主的带状缺陷的主要原因为金属补缩量不够ꎬ最终通过优化铸件结构㊁增加浇铸重量以及冒口数量消除缺陷ꎮ采用模拟结果制定的工艺方案完成大型多孔止回阀体铸件生产ꎬ零件符合设计要求ꎮ

参考文献

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Ｎｏ.３«大型铸锻件»

Ｍａｙ２０１９ＨＥＡＶＹＣＡＳＴＩＮＧＡＮＤＦＯＲＧＩＮＧ