中國(guó)報(bào)告大廳網(wǎng)訊，在2025年，齒輪泵行業(yè)技術(shù)持續(xù)演進(jìn)，尤其是在航空領(lǐng)域，齒輪泵作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能和質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。航空齒輪泵鋁合金復(fù)雜殼體因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大尺寸薄壁等特點(diǎn)，在鑄造過(guò)程中面臨諸多挑戰(zhàn)，嚴(yán)重制約生產(chǎn)與質(zhì)量，亟待工藝優(yōu)化。

  一、齒輪泵殼體鑄造工藝現(xiàn)狀與問(wèn)題

  航空齒輪泵殼體是鋁制鑄造件，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、載荷較高，采用金屬型傾轉(zhuǎn)鑄造工藝。該工藝能減少鋁液澆注時(shí)湍流和氣體卷入，保證組織致密和表面質(zhì)量良好。工藝中使用 7 個(gè)砂芯形成內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，其中 4 個(gè)砂芯組合成一組組合芯，澆注時(shí)先整體下芯，另外 3 個(gè)砂芯單獨(dú)配裝下芯。然而，由于殼體內(nèi)腔復(fù)雜、異型結(jié)構(gòu)多、壁厚各異且局部尺寸突變大，導(dǎo)致砂芯數(shù)量多，工藝性差。

  《2025-2030年中國(guó)齒輪泵行業(yè)市場(chǎng)深度研究與戰(zhàn)略咨詢分析報(bào)告》通過(guò)統(tǒng)計(jì)2024年全年齒輪泵殼體缺陷情況，發(fā)現(xiàn)其合格率僅為 22.2%。其中，澆不足缺陷占不合格品的 45.3%，其余缺陷包括不規(guī)則氣孔、夾渣、打磨傷等無(wú)規(guī)律缺陷。解決澆不足缺陷成為改善鑄件質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。

  二、齒輪泵殼體工藝性深入剖析

  (一)鑄件結(jié)構(gòu)對(duì)工藝的影響

  從帶冒口鑄件形狀三維圖可看出，薄壁油濾罐部位遠(yuǎn)離鑄件本體，鋁液在此處充型結(jié)束后基本孤立，且該部位是非加工面，上方無(wú)冒口設(shè)置。鋁液充型凝固時(shí)，熱量既無(wú)法從料斗補(bǔ)充，也無(wú)法從冒口傳遞到薄壁部位，導(dǎo)致澆注和后續(xù)凝固時(shí)溫度不足，易產(chǎn)生澆不足缺陷。

  (二)基于仿真的鑄造過(guò)程分析

  數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定：為提升工藝分析改進(jìn)效果，利用 Anycasting 鑄造仿真軟件。在建立齒輪泵殼體毛坯及模具砂芯三維模型后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分(約 900 萬(wàn)均勻網(wǎng)格)、參數(shù)設(shè)置。ZL101A 鋁合金材料和模具材料 H13 熱物理性能參數(shù)選擇內(nèi)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。傾轉(zhuǎn)速度作為鑄造關(guān)鍵因素，將充型過(guò)程劃分為 7 個(gè)階段，設(shè)定 7 個(gè)典型傾轉(zhuǎn)速度參數(shù)。

  數(shù)值模擬結(jié)果分析：從充型 20%、40%、60% 的流場(chǎng)模擬圖片可知，鋁液隨傾轉(zhuǎn)角度增大緩慢從料斗進(jìn)澆到型腔，充型過(guò)程平穩(wěn)，流速未超 50 cm/s，避免了氣渣孔缺陷。從充型模擬溫度場(chǎng)看，充型 30% 時(shí)鋁液剛進(jìn)入薄壁油濾罐部位，充型 70% 時(shí)該部位基本充型完畢，但此時(shí)缺陷處溫度比其他部位明顯低，約 590℃，而其余部位在 640℃以上。該鑄件材料相變溫度范圍為 555℃ - 615℃，說(shuō)明鋁液剛充型至缺陷位置就開(kāi)始凝固，降低了鋁液流動(dòng)性。從凝固 5%、10%、30% 的模擬圖片可見(jiàn)，油濾罐部位溫度下降最快，最先開(kāi)始凝固，且在各凝固階段溫度始終最低，出現(xiàn)冷隔甚至澆不足缺陷概率極大。

  (三)模具結(jié)構(gòu)對(duì)工藝的影響

  從凝固模擬結(jié)果可知，整個(gè)凝固階段鑄件薄壁油濾罐部位溫度最低，溫度下降速度最快。主要影響因素有：該部位是大尺寸薄壁部位(Φ120 mm×145 mm，壁厚 4 mm);受鑄件結(jié)構(gòu)限制無(wú)法在上方設(shè)置冒口;模具鋼(H13)熱傳導(dǎo)率高(40 W/m?℃)。這些因素導(dǎo)致鋁液在該部位充型及凝固時(shí)熱量散失快且得不到有效補(bǔ)充，最終形成澆不足缺陷。

  三、針對(duì)齒輪泵殼體的工藝改進(jìn)行動(dòng)

  綜合上述分析，澆不足缺陷源于鋁液充型時(shí)熱量散失過(guò)快，充型到缺陷位置時(shí)溫度降至相變溫度以下，充型受阻。因此，工藝改進(jìn)重點(diǎn)是提高充型時(shí)鋁液溫度并減少熱量散失。通過(guò)綜合分析與試驗(yàn)，采取以下三項(xiàng)改進(jìn)措施：

  提高澆注溫度：將澆注溫度由 730℃提高到工藝規(guī)程規(guī)定上限 740℃。

  優(yōu)化模具預(yù)熱方式和溫度：工藝改進(jìn)前模具整體預(yù)熱 300℃ - 350℃，改進(jìn)后除整體預(yù)熱外，單獨(dú)對(duì)鋼芯和外模 I 處位置的型腔預(yù)熱至 380℃ - 400℃。

  改進(jìn)型腔涂料噴涂工藝：工藝改進(jìn)前每爐批生產(chǎn)前噴涂一次，生產(chǎn)時(shí)有掉涂進(jìn)行補(bǔ)噴;改進(jìn)后每爐批生產(chǎn)前噴涂一次，澆注 5 件時(shí)用干冰打掉鋼芯處所有涂料重新噴涂，噴涂厚度 0.2 mm - 0.3 mm，生產(chǎn)時(shí)有掉涂及時(shí)補(bǔ)噴。鋼芯噴涂保溫涂料前后冷卻速率對(duì)比試驗(yàn)表明，不噴涂時(shí)模具冷卻速率為 30℃/min，噴涂后為 10℃/min，保溫效率提升 3 倍，凸顯了保溫涂料對(duì)鑄件質(zhì)量的重要性。

  四、齒輪泵殼體工藝改進(jìn)成效展示

  工藝改進(jìn)后充型 67%、凝固 5% 的溫度場(chǎng)模擬圖片顯示，油濾罐部位充型完畢后溫度保持在 700℃左右，較改進(jìn)前明顯升高。雖然鋁液仍先從油濾罐部開(kāi)始凝固，但工藝改進(jìn)后鋁液充型溫度高，能充分流動(dòng)。凝固同樣比例為 5% 時(shí)，改進(jìn)前用時(shí) 42.5 s，改進(jìn)后用時(shí) 46.6 s，有效避免了冷隔甚至澆不足缺陷。

  工藝改進(jìn)措施實(shí)施后，澆不足缺陷從改進(jìn)前的 45.3% 降低至 8.4%，鑄件合格率由 22.2% 大幅提升至 68.7%，顯著提高了鑄件質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

  總結(jié)

  通過(guò)對(duì)航空齒輪泵鋁合金復(fù)雜殼體鑄造工藝的研究，利用 Anycasting 仿真軟件對(duì)鋁液充型過(guò)程中的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，精準(zhǔn)預(yù)判了澆不足缺陷產(chǎn)生的位置及原因。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，制定并實(shí)施了提高鋁液澆注溫度、優(yōu)化模具預(yù)熱溫度及方式、改進(jìn)型腔涂料噴涂工藝等措施，有效改善了澆不足缺陷，提高了鑄件合格率。這一研究成果為2025年齒輪泵行業(yè)技術(shù)在高精度鋁合金鑄件生產(chǎn)方面提供了重要參考，有助于提升產(chǎn)品質(zhì)量一致性，推動(dòng)航空齒輪泵及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

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