以种复杂叶轮为研究对象离心铸造

　　随着航空、航天工业的飞速发展，叶轮等核心动力零件的设计越来越复杂，对于零件的品质要求也越来越高。３Ｄ打印技术又称为快速成型技术，具有不受零件结构约束的优点，运用该技术理论上可成形任意结构的零件。将快速成型技术与传统的铸造技术相结合产生的快速铸造技术，针对结构复杂、制模困难的金属铸件，可以极大地缩短生产周期，提高铸件精度，节约成本。

　　以一种复杂叶轮为研究对象，其三维结构模型见图１。该叶轮上部均匀分布８个叶片，整体外侧均匀分布有１６个旋转叶片，外径约４３５．２ｍｍ，叶片平均壁厚约３ｍｍ，高约为２４５．８ｍｍ。由于叶片过薄，易导致充型不平稳而造成紊流现象，从而引起卷气、缩松、缩孔等缺陷。同时，由于叶轮体外分布有１６个旋转叶片，根据其结构特点，进行砂型分箱或金属型分型都具有很大的 困难，会造成极大误差。因此，选用熔模铸造与低压铸造相结合的方式生产。

　　分析叶轮结构可知，该铸件尺寸较大，形状复杂，尺寸精度要求较高，为了使金属液充型平稳，设置了８个内浇道，此外在 ２４ 个叶片两端各增 设一个冒口，共 计４８个冒口，见图２。

　　叶轮材质为 ＺＬ１０１铝合金，液相线MPa/s。脚脱抖铸件－铸甚幻战型界面传热系数为500Ｗ／（ｍ２·Ｋ），冷却温度为20℃。低压浇注过程各阶段压力与时间数值见表初牺1。

　　图３为叶片充型过程数值模拟。可以看出，金属液沿浇道自下而上进入型腔，充型平稳，无飞溅现象。在ｔ＝２．５ｓ时直浇道内铝液向上充型速度虽然略快于铸件，但充型仍然较为平稳。在ｔ＝４．４ｓ时铝液沿着浇注系统上部直浇道向下部４个内浇道进行充型，再进一步通过上部４ 个内浇道流入铸件进行补 缩。由图 ３ｄ可知，完成充型总耗时约为8.5ｓ，且铝液按顺序充型，后充型的是叶片顶部增设的冒口部位，因此，充型过程无浇不足现象。

　　图４为金属液凝固过程数值模拟。由图４ａ可知，开始凝固的是４８个冒口部位；由图４ｂ可见，铝液沿 叶片薄壁处先凝固，完成凝固后金属液发生液态收缩，凝固状态向内扩散，且在薄壁处凝固速度较快；从图４ｃ可知，铝液凝固顺序为铸件型腔外部至内部、内浇道、直浇道，且铸件上部厚大热节处由上部４个内浇道进行补缩，因此，在厚大热节处出现孤立熔池，且在铸件厚大热节处产生的缩松、缩孔缺陷可转移至内浇道、直浇道。

　　图５为叶片缩松、缩孔缺陷分布模拟图。可以看出，缩松、缩孔缺陷倾向位置在直浇道中部，可通过机加工去除。

　　熔模铸造工艺有蜡型模具设计、蜡模制作修补、涂挂浆料、干燥硬化、脱蜡、型壳焙烧、合金熔炼与浇注等工序，需要耗费大量的人力、物力与时间。采用快速熔模铸造，可利用3D打印机直接进行蜡模的制作，极大地节省了蜡型模具设计及蜡模制作修补所消耗的时间；另一方面，可以利用3D打印出无法用模具制作的复杂零件来替代蜡模，从而大幅降低开发成本。

　　叶轮铸件采用 ＳＬＡ 制作铸件 原型。SLA是增材制造技术发展起来的技术之一，所用原材料为光敏树脂。由计算机控制系统控制特定波长与强度的激光束聚集到树脂槽内液态光敏树脂表面，并进行扫描照射固化使其逐层凝固直至实体模型成型。SLA工艺所制作的零件优点在于表面质量以及精度很高，且可制造结构极其复杂的零件，可很好地与熔模精密铸造相结合。

　　叶轮铸件为中型复杂薄壁件，铸型与浇注系统分别制造，浇注系统采用中温模型用蜡制作，铸件原型为铸造用树脂LPR300-1型光敏树脂，制得原型件表面光洁且精度较高。利用熔点为87.7-93.3℃的162中温蜡制作优化后的浇注系统，将其和 ＳＬＡ 原型通过蜂蜡粘结为一个整体，见图６。

　　将蜡模浸入涂料桶中并转动以及上下移动保证涂料覆盖均匀，若出现未覆盖均匀的小孔和死角，利用细毛刷及时进行填补、撒砂。制做５层半，型壳厚度为８ｍｍ 左右。型壳经干燥后需进行脱蜡、焙烧处理，焙烧后的型壳见图 ７，型壳自然冷却 至 室 温 后 进 行 预热处理，然后浇注。对生产出的叶轮进行 Ｘ 射线无损探伤。检测，发现无明显的缩松、缩孔和气孔等缺陷，铸件外观成形完整，无冷隔、浇不足等缺陷，表面光洁，无粘砂，见图８。

　　针对叶轮铸件结构，并结合实际生产经验设计了８个内浇道，４８个冒口的熔模低压铸造方案。铝液浇注温度为720 ℃，铸 型 预 热 温度为350 ℃，加压速度为0.0015MPa/s利用ＰｒｏＣＡＳＴ软件对浇注过程、凝固过程进行数值模拟，模拟结果预测有较少浇注缺陷 倾向，且缺陷可去除，不会影响铸件的性能。结合 ３Ｄ 打印技术制成原型组合蜡模浇注系统，通过型壳制、低压浇注、脱壳清理、无损探伤等环节，终 获得了无缺陷、性能优良的叶轮铸件。
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