整体精铸不锈钢涡管熔模铸造工艺优化_陈凯整体精铸不锈钢涡管熔模铸造工艺优化_陈凯 精密铸造 特种铸造及有色合金 ,,,,年第,,卷第,期 整体精铸不锈钢涡管熔模铸造工艺优化 陈 凯, 汪东红, 刘淑梅, 李 贺, 李 飞, (上海工程技术大学材料工程学院;上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室),(,( 摘 要 医用不锈钢涡管结构较为复杂、壁厚不均，存在孤立热节，熔模铸造时存在局部缩松，影响铸件的正常使用，产品合格在分析原有工艺方案的基础上，对浇注系统的结构可以进行了重新设计，新的浇注系统为铸件边缘率低。借助,,,,,,,软件，部分提供金属补缩，解...
整体精铸不锈钢涡管熔模铸造工艺优化_陈凯 精密铸造 特种铸造及有色合金 ,,,,年第,,卷第,期 整体精铸不锈钢涡管熔模铸造工艺优化 陈 凯, 汪东红, 刘淑梅, 李 贺, 李 飞, (上海工程技术大学材料工程学院;上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室),(,( 摘 要 医用不锈钢涡管结构较为复杂、壁厚不均，存在孤立热节，熔模铸造时存在局部缩松，影响铸件的正常使用，产品合格在
的基础上，对浇注系统的结构可以进行了重新设计，新的浇注系统为铸件边缘率低。借助,,,,,,,软件，部分提供金属补缩，解决了涡管铸件热节处的缩松缺陷，提高了产品的合格率。关键词 涡管;熔模铸造;工艺优化,,,,,,,; :,中图分类号 ,(,,,,(,,,,(,,(,,,,,,,(,;,,,,,(,, 文献标志码 , ,,，,,(,,,,,, ,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ————————————————————————————————————————————————————— ,,,,, ，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ，, ， ,,,， (，;,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,;, ,,,,,,, ，),(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,, :，,,,,,,;,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,, ,,，，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,;,,,,,;,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ，,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,————————————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,(,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ？,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,;;,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,, ，,,,,,;,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,( ,,？ :，，,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,, ,,, 管壁外侧含有大量 涡管铸件为超薄涡轮管型结构， 其曲面薄壁循环叶片。涡管多用于输送各种医用废液，醋酸等有机强酸。因此，要求涡管材料有中常含甲酸、 较高的耐腐蚀和抗老化性能，且涡管内壁流道表面光洁，以提高 ,, ————————————————————————————————————————————————————— 。传统的砂型铸造不足以满足要求，因此需耐侵蚀的能力, ,, 。要采用熔模铸造工艺生产, 对于复杂涡管，管体壁厚不均，涡管外壁叶片间距传统方法制壳完成后，叶片间距被充满砂浆，形成较小， 极度影响叶片表面散热，铸造完成后，叶片表一个整体， 面及根部极易出现缩松、缩孔等缺陷。涡管结构不允许确定涡管材料后，其浇注工艺参数可变范围进行更改; 也很小。合格率低的产品往往一定要通过优化浇注系统 ;收稿日期:修改稿收到日期:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ););基金项目:上海工程技术大学科研启动项目(校启,上海工程技术大学研究生科研创新项目(上海高校青年教师培养资助
项目,,,,,,,,,,,,,, ();()航天支撑基金资助项目,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, )，:第一作者简介:陈凯，男，硕士研究生，上海工程技术大学材料工程学院，上海(电话:;,,,,,,,,,,,,,年出生，,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,(;,,,, )，，:通信作者:汪东红，男，讲师，上海工程技术大学材料工程学院，上海(电话:,,,,年出生，,,,,,,,,,,,,————————————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,(;,, 手工方式完成，检测结果受到人的因素影响和限制。 ()精密铸件品质形成可知可控，过程能力显著提, 高。工艺过程分析是找出问
关键因素的最快捷的方需要格外的重视工艺过程在品质控制中的法之一。因此， 作用。认识甚至控制过程的变化，以及过程之间的相互主动、准确、实时的参与到过程的变化与作用中，作用， 可以切实提升产品品质。先进检测技术在这方面就起到了很大的作用。 ()检测设备已经普遍的使用，但是由于有关标准更, 这些设备没有纳入铸件的检验测试标准，因而没新的滞后， 有统一的检验测试标准，使得这些设备的推广使用不足。()这些设备多数对操作人员和控制软件有严格, 要求，数据采集快速，然而在后续的数据处理往往花费因为操作者水平不同，结果也会有很大差别。较长， 参 考 文 献 ,,,,广东省实施我国汽车铸造检测技术现代化的设想,,,,( 何明必( 铸造?压铸新技术交流会
集,,,(,,,,:,,,,(, ,,——庆祝中国机械工程学会无损检射线检测技术在中国—, 倪培君( ,():测分会成立三十周年,不伤害原有设备的检测，,(,,,,，,,,————————————————————————————————————————————————————— ,,,,,,(, (编辑:刘 卫) ,,, 整体精铸不锈钢涡管熔模铸造工艺优化 陈 凯 等 设计，增加另外辅助措施调节凝固过程，提升产品的合 ,, 。某医用不锈钢涡管，格率,内部质量发展要求极高，需要 图。液态金属从型腔顶部引入，在浇注和凝固过程中，铸件上部和下部温度高于中部，有利于中部向上下两个方向顺序凝固，可以有明显效果地地发挥顶部和侧边浇注系统的补缩作用;液流流量大，充型时间短，充型能力强;造型浇注系统和冒口消耗金属少，浇注系统切割工艺简单， 清理容易。但是用该浇注方案生产的铸件，发现涡管管体叶片根部有缩松，影响铸件的使用性能 。 进行耐水压测试，涡管体积较大，结构较为复杂，壁厚差异大，叶片间距小，局部常出现缩松缺陷，成品率低。本课 ,, 题利用,,,,,,,软件对其浇注系统来进行优化设计,， 改变浇注系统的内浇道形状及位置，为铸件凝固提供补缩，减少产品内部缩松，以提升产品合格率。 , 涡管结构及现用浇注方案分析 ————————————————————————————————————————————————————— ,(, 涡管结构 图,为医用整体精铸不锈钢涡管的三维模型。所用材料为,,,,不锈钢。该铸件最大轮廓尺寸为,,,平均壁厚为,,,，涡管铸件结,,×,,,,×,,,,，构复杂，中间部分为空心，并且涡管外壁含有厚大热节，涡管外壁叶片间距较小，属于多热节铸件 。 图, 现用浇注系统 ,,,,,,软件对原方案的浇注过程进行模 利用, 浇注温度为,型壳预热温度为,充拟:,,,?，,,,?， 型速度根据浇口面积和充型时间计算得到。图,为现有工艺下涡管充型过程，能够准确的看出金属液由浇口充填后，主体通过直浇道到达型壳底部，由型壳底部内浇道进入涡管，完成自下而上的充填过程。由于金属液从直底部充型过程中金属浇道进入底部内浇道时速度较快， 液面波动较大，在液面逐渐上升后趋于平稳。 管体中部凝 图,为充型完成的固相率。能够准确的看出，固最彻底，其次是管壁两端，而管体与底部及顶部交接该处凝固完成后易形成缩松。图, 为涡处仍为液相区， 图, 涡管三维模型 ,(, 现有工艺方案分析 图,为采用顶注式，侧注式浇注系统的方案示意 ()充填,,,(,,()充填,,,(,,()充填,;,,————————————————————————————————————————————————————— ()充填,,,,, 图, 现有工艺涡管充型过程 管凝固完成后的缩松分布。能够准确的看出，涡管顶部与横浇道接触部分面积较小，涡管内部金属液凝固时得不到足够补缩，管壁产生较大缩松，同时在其他热节处也出现小范围的缩松、缩孔。由,,,,,,,,,,,软件可以测得,, ,，铸件内部缩松、缩孔体积为,(其中孔隙体,,,,,,;, , ，积为,(在实际使用中会造成断裂、变形等,,,,,,;, 质量上的问题。涡管内壁在工作过程中受力较大，因此该处缩孔缺陷对铸件质量影响较大，不适宜最产生的缩松、终的批量生产 。 图, 涡管充型结束后 的固相率分布 图, 涡管凝固完成后的缩松分布 ,,, 特种铸造及有色合金 ,,,,年第,,卷第,期 , 工艺方案分析与优化 对于以上问题一般都会采用复杂的浇注系统及增大浇冒口来解决。由于浇注系统庞大，工艺出品率低，制造难度大，造成原材料和能源的浪费且制造相当困难，所以使此类零件熔模铸造成形受到限制。针对————————————————————————————————————————————————————— 数值模拟后出现的问题，采用优化浇注系统以减少铸件凝固过程中产生的缩松。?将原浇注系统与横浇道相连的内浇道改为环形，增大了浇注系统与铸件的接触面，为前期的金属液充填以及后期的凝固补缩提供便利;?将原浇注系统底部的内浇道改为与涡管管壁垫块相连的内浇道，可通过重力作用，使铸件底部完成充填。优化后的浇注系统见图, 。 图, 优化设计后的浇注系统 ,,,,,,软件对优化后的方案进行模拟分析， 利用, 。由图,可见，得出铸件铸造过程中的充填顺序，见图,金属液由底部直浇道进入铸件时，由于重力作用，优先进入底部垫块中，完全填充后继续向上填充金属液。能够准确的看出，环形 浇 图,为浇注后铸件的凝固顺序， ()充填,,,(,,()充填,,,(,,()充填,;,,()充填,,,,, 图, 优化后涡管充填过程 道体积较大，能够更好的起到冒口作用，铸件凝固时，补缩作用结果显示有效消除了热节处的缩松。图,为凝固明显， 缩松主要在浇注完成后涡管内的缩松分布。能够准确的看出， 系统和涡管底部垫块中，优化后铸件内部缩孔、缩松体 ,, ，，积为,(孔隙体积为,(较优,,,,,,;,,,,,,————————————————————————————————————————————————————— ,;, , 结 论 ()优化浇注系统后，环形内浇道可提高金属液在, 易于型壳脱蜡及铸件凝固时的内部腔体内部的流动性， 金属补缩，生产的铸件质量符合标准要求。 ()优化前铸件内部缩孔、缩松体积为,(,,,,,,, ,,，，优化后铸件内部缩孔、缩松体积为,(,,,,,,;,;, 优化浇注系统对铸件充型效果有明显改善，且缩松主要出现在涡管底部管壁外侧的垫块上。 )(根据优化后数值模拟结果可知，当浇注温度为, 型壳预热温度为,铸件品质最好。,,,,?，,,,?时， 参 考 文 献 ,,,季楚凌，陈磊，等(气固两相流下球阀磨损特性研究,,,(中 李长俊， ():国安全生产科学技术，,,,,,,,,(, ,,徐秀利，王玉灵，等(熔模精密铸造技术在航空工业的应用, 樊振中， ,():及发展,,(特种铸造及有色合金，,,,,，,,,,,,,,,(, ,,,佘永卫(熔模铸造的工艺过程及防止缺陷产生的方法,,,( 杨树川， ():农机化研究，,,,,,,,,,,,(, ————————————————————————————————————————————————————— ,,胡红军，罗静(基于,,,,,,,,软件的熔模铸造计算机模拟 王春欢， ,,():,(铸造技术，,,,,，,,,,,,,,,,,,( , 化前有了明显改善，且垫块部位不是主要受力点，因此对铸件质量无显著影响 。 图, 浇注后铸件的 凝固顺序 图, 凝固完成后涡管 内的缩松分布 , 生产验证 用优化设计后的方案按原有生产的全部过程进行批量生产，抽样检验测试发现，铸件的合格率显著提升。 (编辑:刘 卫) ,,, —————————————————————————————————————————————————————
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