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3D打印砂型在叶轮体铸件开发中的应用
来源:[铸造工程] 作者:[赵颖烈] 发布时间:2020-09-25 16:08 浏览:

在开发新铸件阶段一般需要的样件数量较少,采用传统铸造方式制造需要投入金属模具,制作费用高昂,且模具制作周期在1.5~3个月。如果新产品开发过程中遇到客户更改图纸,铸造工艺有时也需要修改,有时甚至需要更改模具,当遇到模具修改难度大或无法修复时会造成模具报废,经济损失很大,同时开发金属模具从工艺设计到加工完成周期较长,无法快速响应客户需求。

传统铸造过程中遇到复杂铸件形状无法出模,需要大量的砂芯或活块去弥补这些形状,需要数套芯盒制作砂芯后组装成型,铸造工序繁复,而且尺寸精度较低。而3D打印技术可以较好解决这些问题,实现无模铸造,快速制作砂型。

作为新兴技术,3D打印技术优势已经凸显,打印过程中几乎不受空间限制,可以打印出形状复杂的部件。笔者采用3D打印砂型,结合模拟仿真技术,实现了一种多曲面叶轮体铸件样件的快速开发。


1  铸造工艺设计

1.1  铸件结构分析

叶轮体铸件如图1所示。客户要求铸件材料为QT500-7,最大外形尺寸Φ660 mm×202 mm,铸件质量105 kg,叶片壁厚21 mm。铸件中心存在大热节,铸件有6片叶片是扭曲曲面,采用传统的组芯工艺,每片叶片至少需要2个砂芯拼装,整个铸件需要至少12个砂芯,而且组装砂芯浇注后缝隙产生大量飞边,打磨困难,极易因打磨过量造成叶片曲面形状过渡时不光滑,从而影响叶轮部件性能。因铸件壁厚差较大内部容易产生缩孔类铸造缺陷,需要进行快速浇注。

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图1  叶轮体铸件
Fig.1 Impeller body casting


1.2  浇冒口设计

综合考虑叶轮体铸件结构特点和材料特性,需要快速浇注和对厚大热节补缩。为此采用以下冒口补缩设计进行模拟验证:

(1)铸件中心有厚度180 mm的厚大圆柱结构,用单个顶冒口补缩设计方案进行模拟验证发现,冒口体很大,冒口颈直径几乎接近中心圆柱才可以把缩孔、缩松引入冒口,这样大的冒口直接设置在大热节上,会造成更大的人为热节,导致中心局部过热,还会造成冒口根部金相组织粗大,后续去除困难。

(2)考虑到快速浇注要求,如果在每个叶片上设计内浇口,内浇口首先会造成叶片形状不规则,其次铁液进入型腔紊流严重,而且后续清理会造成叶片打磨问题。

(3)基于以上这些不利因素,设计两个顶冒口进行浇注和补缩,中心热节底面设置冷铁激冷,以实现顺序凝固的工艺方案。浇注方案如图2,在中心圆柱顶面设计两个小冒口,两个冒口位置不在圆柱正中心,这样即可补缩冒口,也可减小人为热节,使后续去除较为容易。同时,在中心圆柱底面设置冷铁用于激冷,实现厚大部位顺序凝固;其次这两个小冒口上部放置泡沫陶瓷过滤块作为浇道,泡沫陶瓷过滤块可以起到过滤铁液和梳流、缓流的作用。考虑到始终在一个冒口中浇注铁液,过滤块可能会被冲坏,因此在两个顶冒口中放置过滤块,浇注时在一个冒口浇注一段时间后改用另一个冒口。

图3为铸造方案凝固模拟结果,模拟验证缩孔、缩松转移进冒口中,虽然冒口颈根部有部分缩松和缩孔,根据以往经验由于从冒口直接浇注,冒口是过热的,这些缩孔和缩松完全可以引入冒口中。

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图2  叶轮体浇注方案
Fig.2 Casting solution of the impeller body


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图3  铸造方案凝固模拟结果
Fig.3 Simulation results of casting solidification


2  3D打印砂型

2.1  砂型设计

根据铸造工艺方案设计打印砂型,图4为砂型数模。分型面选择在叶片中间位置,吃砂量预留40~50 mm;上下两半砂型之间设计3处砂锥定位,在保证砂型壁厚前提下尽量减少砂型体积,减少打印量。砂型侧面预留搬运、合型扣手,在分型面设计不与型腔贯通的排气孔,尽可能在浇注过程中使砂型燃烧时排气。叶轮体铸件铸造收缩率设定为0.8%,涂料层预设0.2 mm。

采用3D打印叶轮体砂型需要上下两个砂型就可以实现扭曲叶片砂型成形,而传统铸造无法出模的形状需要用大量的砂芯补形,砂型分块越少,精度越高,浇注后飞边越少,外观越洁净。通过3D打印实现无模铸造和柔性生产,样品制造成本下降,制作周期可以缩短到20天。

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图4  砂型数模
Fig.4 Sand digital mold


2.2  快速制作砂型

此次叶轮体铸件是为客户产品开发用实验品,要求浇注3件,采用3D打印砂型。根据设计好的砂型数模发送到3D打印服务厂商进行定制化打印砂型,打印砂芯公差等级执行CT7~CT8级,砂芯强度要求常温抗拉强度≥1.5 MPa。砂型返厂后对砂型成形面涂刷醇基涂料,涂层厚度控制在0.15~0.2 mm,点火烘干。冷铁材料为45钢,成形面刷醇基涂料,用火焰烘烤。图5为3D打印砂型,图6为刷涂后砂型,图7为泡沫陶瓷过滤块和冷铁。

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图5  3D打印砂型
Fig.5 3D-printed sand mold


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图6  刷涂后砂型
Fig.6 After brushed the sand mold


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图7  泡沫陶瓷过滤块和冷铁
Fig.7 Foamed ceramic filter block and chill


3  铸件浇注和加工验证

由于浇注箱重达126 kg,为防止浇注过程跑火,砂型合型后进行埋箱,浇注完成铸件进行去冒口、打磨、抛丸处理,尺寸检测合格,外观光洁,超声探伤检测合格。图8为浇注落砂后的铸件。浇注3件送客户加工验证合格,图9为加工完成的样件。

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图8  浇注落砂后的铸件
Fig.8 Casting after pouring and sand falling


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图9  加工完成的样件
Fig.9 Finished sample


4  结束语

应用3D打印砂型,结合模拟仿真技术,成功实现叶轮体铸件的快速开发;连续浇注3件,表面质量优良,加工验证合格,客户反馈满意。

采用3D打印砂型实现复杂铸件快速开发,特别在样品件准备中的应用前景广阔,可以实现复杂产品低成本,高精度的快速制造。

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