CN101658900B - 制作叶轮芯的方法 - Google Patents

Abstract

一种制作叶轮芯的方法，包括：分芯设计；对分芯设计的各单元采用无模铸型制造设备制作；制作好的各单元进行表面处理；将各分割单元组装成一个完整的叶轮芯；设无模铸型制造设备的加工空间最大加工尺寸X轴为A、Y轴为B、A＝1.2-1.5B、Z轴为C，叶轮芯出口直径D1＞进口直径D2，高度为H，边圈宽度为S，在分芯设计中：当D1≤B，H≤C时，将叶轮芯整体作为一个加工单元；当D1＞B，H≤C时，将叶轮芯分割为容许放入无模铸型制造设备的X-Y加工平面内的单元；当H＞C时，则对各单元在Z轴方向再次进行分割，使每个单元的高度≤C。本发明采用无模铸型制造设备，实现叶片形状的精确制作，尽量减少分芯的数量，缩短生产周期，降低加工成本。

Description

制作叶轮芯的方法

技术领域

本发明涉及一种制作叶轮芯的方法，特别是采用无模铸型制造设备制作叶轮芯的方法，属于浇铸件的铸型制作技术领域。

背景技术

各种离心泵、轴流泵、真空泵等设备都需要依靠叶轮叶片的转动来实现其功能，图1是一种离心泵叶轮的正面示意图。各种泵的叶轮一般都采用铸造方法制造，这就需要先做出叶轮的铸型。图2是图1所示叶轮的铸型组合图，其通常由三部分组合而成，即：上型100(上部轮廓型)、下型300(下部轮廓型)和芯200(中部流道轮廓型)。其中的上型100和下型300为简单规则曲面，采用传统的有模法即可制作，而对于形状复杂、多样的芯200，传统的有模法主要有整体制芯或组芯工艺。

图3是传统的整体制芯的模具示意图。根据叶轮叶片的形状制成相应的金属模具400，然后填砂，再将模具400取出，制成叶轮叶片的砂型。传统有模法在模具设计中需要考虑拔模斜度，工艺死角、加工死角等因素，往往不能完全体现设计者的意图，不能达到理想的性能参数。在起模时容易使曲率发生变化，影响曲面精度，难以保证叶轮和叶片的理想设计形状和尺寸精度，从而影响叶轮质量的稳定。在制模的过程中有些圆角制作不出来，因此引起叶轮的铸造应力集中，使用中产生水力紊流等，使泵的性能不稳定，降低效率和使用寿命。有些叶片壁厚较薄，约1-3mm，挠曲大，形状复杂，传统有模法还存在无法起模的问题。

图4是传统的组芯铸型示意图，图中的叶轮芯200包含6个长短和曲面均相同的叶片201(参见图1)，将芯200等分成6等份，每份包含一个叶片流道203，然后按叶片流道203形状做模具，再填砂，脱模，制成如图所示的单片芯202，最后组合成一个整体叶轮芯200。这种制芯方式的缺点是模具加工周期长，成本高。对于叶片201长短或曲面不相同的叶轮201’(参见图5)，则要制造多个不同的模具，周期更长，成本更高。而且对于单个叶片流道的模具同样存在拔模斜度、工艺死角、加工死角等问题。特别是当叶片尺寸大于模具加工设备的加工空间时，则模具制造更加困难。

总之，传统有模法对于形状复杂、尺寸超大的叶轮叶片存在加工难、精度低、周期长、成本高等诸多问题。

针对传统有模砂型制造方法的缺点，近年来所谓“无模铸型制造”技术日益受到重视和应用。该技术将铸型数据输入计算机，得到其三维数字模型，计算机再对三维数字模型进行分层，得到每一层截面的二维图形，然后将二维图形数据输入无模铸型制造设备，由该设备将砂粒以分层厚度逐层铺展堆叠在该设备的工作平台上并在每层砂粒上施加粘结剂，使所有二维图形实体范围内的砂粒堆叠粘结成一个三维砂型实体，然后清除实体范围外未粘结的砂粒并对实体进行表面处理，从而得到铸造模具的砂型。该技术省去了先制造模具，然后再用模具翻制成砂型的工序，特别适合具有复杂曲面形状的铸型制造。

发明内容

针对传统有模法制作叶轮芯存在的上述诸多问题和障碍，本发明提供一种制作叶轮芯的方法，该方法采用无模铸型制造设备，实现叶片形状的精确制作，尽量减少分芯的数量，缩短生产周期，降低加工成本。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

一种制作叶轮芯的方法，包括如下步骤：

步骤1：进行分芯设计；

步骤2：对步骤1设计的各单元采用无模成型设备制作；

步骤3：对步骤2制作好的各单元进行表面处理；

步骤4：将各分割单元组装成一个完整的叶轮芯。

设无模铸型制作设备的最大加工空间即X、Y、Z轴的最大加工尺寸为X＝A，Y＝B，A＝1.2-1.5B，Z＝C，叶轮芯出口直径为D1，进口直径为D2，D1＞D2，高度为H，则在步骤1中：

当D1≤B，H≤C时，将叶轮芯整体作为一个加工单元；

当D1＞B，H≤C时，将叶轮芯分割为容许放入无模铸型制造设备的X-Y加工平面内的单元；

当H＞C时，则对各单元在Z轴方向再次进行分割，使每个单元的高度≤C。

具体地，当A≥D1＞B，H≤C时，将叶轮芯分为两个容许放入无模铸型制造设备的X-Y加工平面内的单元。更好地，可分为通过D1和D2圆心进行分割的两个单元。

当2B≥D1＞A，且1/2D1+1/2D2≤A，H≤C时，将叶轮芯先分为通过D1和D2圆心分割的两个单元，然后再将每个单元分为其大小允许放入设备X-Y加工平面内的两个单元。

当2B≥D1＞A，且1/2D1+1/2D2＞A，H≤C时，先将叶轮芯按流道形状分为每个单元包含一个流道或多个流道的单元，然后再继续将每个单元分为其大小允许放入设备X-Y加工平面内的若干单元。

当D1＞2B，H≤C时，先将叶轮芯按流道形状分为每个单元包含一个流道的单元，然后再继续将每个单元分为其大小允许放入设备X-Y加工平面内的若干个单元。

特别地，当D1≤B，H≤C，但叶片挠曲复杂且最小厚度≤3mm，则将叶轮芯在Z轴方向分为其高度能够适应表面处理工艺的单元。

在步骤4中，还包括将分割后只包括叶轮芯边圈部分，且其宽度小于边圈宽度S的单元采用手工填砂工艺制作。

进一步地，在步骤1中还包括对各分割单元的组装连接面上设计相互配合的定位结构。在单元中设计使芯在浇注过程中产生的气体能够排出的通道和用于埋放芯骨的沟槽。

综上所述，本发明提供一种制作叶轮芯的方法，该方法采用无模铸型制造设备，实现叶片形状的精确制作，尽量减少分芯的数量，缩短生产周期，降低加工成本。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细地说明。

附图说明

图1是一种离心泵叶轮的正面示意图；

图2是叶轮的铸型组合图；

图3是传统的整体制芯的模具示意图；

图4是传统的组芯铸型示意图；

图5是叶片长短和曲面不相同的叶轮的正面示意图；

图6是叶轮芯的剖面尺寸示意图；

图7是无模铸型制作设备最大成型空间尺寸示意图；

图8a是本发明实施例1当D1≤B时的几何平面示意图；

图8b是本发明实施例1的叶轮芯的立体示意图；

图9是本发明实施例2当H＞C时叶轮芯的分芯示意图；

图10a是本发明实施例3当A≥D1＞B时的几何平面示意图；

图10b是本发明实施例3的叶轮芯的分芯立体示意图；

图11a是本发明实施例4当2B≥D1＞A，且1/2D1+1/2D2≤A时的几何平面示意图；

图11b是本发明实施例4的叶轮芯的分芯立体示意图；

图12是本发明实施例5的叶轮芯分芯示意图；(分为3块)

图13是本发明实施例6的示意图；(分为2块)

图14是本发明实施例7的示意图；(高度分)

图15是本发明实施例8的示意图；(边圈)

图16是本发明实施例的排气结构、芯骨的示意图；

图17是本发明实施例的V型槽与V型角的配合定位结构示意图；

图18是本发明实施例的方形槽与方形块的的配合定位结构示意图。

具体实施方式

图6是叶轮芯的剖面尺寸示意图，设叶轮芯200出口直径为D1，进口直径为D2，D1＞D2，高度为H，边圈厚度为S。

图7是无模铸型制造设备最大成型空间尺寸示意图，设无模铸型制造设备的最大加工空间即X、Y、Z轴的最大加工尺寸为X＝A，Y＝B，Z＝C，其中A＝1.2-1.5B。一般无模铸型制造设备的加工空间长度A＝1200-1500mm，宽度B＝1000mm，高度C＝500-750mm。

实施例1

图8a是本发明实施例1当D1≤B时的几何平面示意图，图8b是本发明实施例1的叶轮芯200的立体示意图。由图可见，当D1≤B，H≤C时，将叶轮芯整体作为一个加工单元，不必分芯，在无模铸型制造设备中一次完成该叶轮芯的整体加工。这种方法抛开了图3所示的根据叶轮叶片的形状制成金属模具，然后再填砂制芯的模式，因此大大缩短了制芯周期，降低了制芯成本。

实施例2

图9是本发明实施例2的叶轮芯200的分芯示意图，当H＞C时，对叶轮芯在Z轴方向再次进行分割，使每个单元的高度≤C，然后用无模铸型制造设备对各个单元分别加工。

实施例3

图10a是本发明实施例3当A≥D1＞B时的几何平面示意图，图10b是本发明实施例3的叶轮芯200的分芯立体示意图。由图可见，当A≥D1＞B，H≤C时，将叶轮芯分为通过D1和D2圆心进行分割的两个单元，然后用无模铸型制造设备对各个单元分别制作，这种对称分法使两个单元的砂芯的结构强度比较好，也使芯骨的配置比较方便。当然也可以采取不通过圆心平分的方法，将其分为两个大小不同的、能够放入无模铸型制造设备加工平面的单元。

实施例4

图11a是本发明实施例4当2B≥D1＞A，且1/2D1+1/2D2≤A时的几何平面示意图，图11b是本发明实施例4的叶轮芯200的分芯立体示意图。由图可见，当2B≥D1＞A，且1/2D1+1/2D2≤A，H≤C时，将叶轮芯分为四个单元，具体分法是先将叶轮芯通过D1和D2的圆心分割为两个单元，然后再将每个单元分为其大小允许放入设备X-Y加工平面内的两个单元。其中两个单元在X轴方向的长度为1/2D1+1/2D2，在Y轴方向的长度为1/2D1，另外两个单元在X轴和Y轴的长度均小于1/2D1。当1/2D1+1/2D2≤A，1/2D1≤B时，就可将上述的四个单元分别放入无模铸型制造设备中完成制作。当然在理论上，也可以将该实施例均分为四个扇形单元，但实际这样分的结果会使叶轮芯的中部的一部分会沿叶片流道处分开而多出两个单元，变成六个单元，不符合尽量减少分芯数量的原则。采用本实施例的分割方法，是为了不使叶轮芯的中部的一部分被分开，在满足2B≥D1＞A，且1/2D1+1/2D2≤A的条件下，尽量减少分芯的数量。

实施例5

图12是本发明实施例5的分芯示意图。当2B≥D1＞A，且1/2D1+1/2D2＞A，H≤C时，此时叶轮芯200的1/2D1+1/2D2在X轴方向的长度已大于A，已不能按实施例4的分法将其分为四个单元，因此采用先将叶轮芯按流道形状分为每个单元包含一个流道或多个流道的单元，然后再继续将每个单元分为其大小允许放入设备X-Y加工平面内的若干单元的分割方法。本实施例是将叶轮芯按流道形状先分为两个包含两个流道的单元和两个包含一个流道的单元，然后再将包含两个流道的单元分为3块(3个单元)，将包含一个流道的单元分为2块(2个单元)，分为2块的情形参见图13。将两个流道合为一个单元的分割方式是为了尽量减少分芯的数量，当然也可以将上述实施例分为三个包含两个流道的单元，本实施例采用两个双流道单元和两个单流道单元的分法是为了在权利要求1中所述的步骤4的组芯拼合时比较方便操作。此外，如果叶轮芯叶片较多、分布更密，也可以先将三个或更多的流道作为一个单元进行分割，在继续对单元进行分割的时候，分割的块数也是根据设备加工平面的容许条件而定，本实施例分为3块，是因为分2块时设备加工平面装不下，总之，只要设备条件容许，以尽量减少分芯的数量为佳。

实施例6

图13是本发明实施例6的分芯示意图。

当D1＞2B，H≤C时，此时叶轮芯的1/2D1在Y轴方向的长度已大于B，已不能按实施例4的分法将其分为四个单元，虽然也可以按实施例5的分法，但由于D1＞2B，对上述的双流道或多流道单元需分更多块才能放入设备的加工平面，因此本实施例采用先将叶轮芯按流道形状分为每个单元只包含一个流道的单元，然后再继续将每个单元分为两块，分割的块数是根据设备加工平面的容许条件而定，只要设备条件容许，以尽量减少分芯的数量为佳。

此外，在理论上，还可以将该叶轮芯任意分割为允许放入无模铸型制造设备X-Y加工平面内的任何形状的单元并制作出来，但从叶片流道形状以及组芯拼装、配置芯骨、排气道、表面处理等后步工序考虑，采用本发明的分法较佳。

总之，上述的各种分割方法解决了传统有模法对于超大尺寸叶轮芯难以制作模具的问题。

实施例7

图14是本发明实施例7的示意图。当D1≤B，H≤C，但叶片挠曲复杂且最小厚度≤3mm即其在叶轮芯中浇注间隙小于3mm时，尽管用无模铸型制造设备可以进行整体加工，但在后步工序如前所述的步骤3对其表面进行处理时，对叶轮芯200里层的表面，器具难以进入和达到，因此需要将叶轮芯在Z轴方向分为其高度能够适应表面处理工艺的单元。

实施例8

图15是本发明实施例8的示意图，其中未超出无模铸型制造设备X-Y加工平面的边圈用附图标记1000来表示，切除超出加工平面的边圈后剩余的边圈用附图标记2000来表示。当叶轮芯不符合上述的各实施例的情况，即整体或分割后的单元不能完全放入无模铸型制造设备X-Y加工平面，但超出的部分仅仅是叶轮芯的边圈部分，且其宽度小于边圈宽度S(参见图6)的部分时，由于边圈的外形是标准圆形曲面，因此可以对边圈部分用传统的模具方法，先制成模板然后填砂制成，而对其它未超出加工空间的部分采用无模铸型制作设备制作。

图16是本发明实施例的排气结构、芯骨的示意图。其中设有芯骨3000和排气道4000。在叶轮芯砂型浇注过程中，会有气体排出，因此必须在芯中留有排气道4000；为了加强砂型的强度，可以在叶轮芯中加入金属材料制成的芯骨3000。因此需要在叶轮芯单元中设置使芯在浇注过程中产生的气体能够排出的通道和用于埋放芯骨的沟槽，设置芯骨是为了加强叶轮芯的强度，特别适于本发明所述的形状尺寸超过设备加工平面的大型叶轮芯。

在上述的步骤4进行组芯时，为了使各单元互相配合，组成一个精确的整体，需要在各分割单元的组装连接面上设计相互配合的定位结构。

图17是本发明实施例的V形槽与V形角的配合定位结构示意图，如图所示，为了便于多个叶轮芯单元块之间的拼合连接，在不同单元块的相应位置设有V形槽5和V形角6，通过这种嵌入式的连接以便各单元块之间的准确定位。

图18是本发明实施例的方形槽与方形块的的配合定位结构示意图，如图所示，叶轮芯的上下两个部分是通过方形块7和对应设置的方形槽8相互嵌入式连接实现两者的准确定位。

所述的定位结构除上述配合结构外，还可以是圆头或圆柱与圆孔配合结构等。

总之，本发明提出的制作叶轮芯的方法，充分利用无模铸型制造设备的特长，实现叶片形状的精确制作，提高加工精度，减少分芯数量，缩短加工周期，降低加工成本。

Claims (10)

1.一种制作叶轮芯的方法，包括：

步骤1：进行分芯设计；

步骤2：对步骤1设计的各单元采用无模铸型制造设备制作；

步骤3：对步骤2制作好的各单元进行表面处理；

步骤4：将各分割单元组装成一个完整的叶轮芯；

其特征是，设无模铸型制造设备的最大加工空间即X、Y、Z轴的最大加工尺寸为X＝A，Y＝B，A＝1.2-1.5B，Z＝C，叶轮芯出口直径为D1，进口直径为D2，D1＞D2，高度为H，边圈宽度为S，则在步骤1中：

当D1≤B，H≤C时，将叶轮芯整体作为一个加工单元；

当D1＞B，H≤C时，将叶轮芯分割为容许放入无模铸型制造设备的X-Y加工平面内的单元；

当H＞C时，则对各单元在Z轴方向再次进行分割，使每个单元的高度≤C。

2.根据权利要求1所述的制作叶轮芯的方法，其特征是，

当A≥D1＞B，H≤C时，将叶轮芯分为两个容许放入无模铸型制造设备的X-Y加工平面内的单元。

3.根据权利要求2所述的制作叶轮芯的方法，其特征是，所述的两个容许放入无模铸型制造设备的X-Y加工平面内的单元为通过D1和D2圆心分割的两个单元。

4.根据权利要求1所述的制作叶轮芯的方法，其特征是，

当2B≥D1＞A，且1/2D1+1/2D2≤A，H≤C时，将叶轮芯先分为通过D1和D2圆心分割的两个单元，然后再将每个单元分为其大小允许放入设备X-Y加工平面内的两个单元。

5.根据权利要求1所述的制作叶轮芯的方法，其特征是，

当2B≥D1＞A，且1/2D1+1/2D2＞A，H≤C时，先将叶轮芯按流道形状分为每个单元包含一个流道或多个流道的单元，然后再继续将每个单元分为其大小允许放入设备X-Y加工平面内的若干单元。

6.根据权利要求1所述的制作叶轮芯的方法，其特征是，

当D1＞2B，H≤C时，先将叶轮芯按流道形状分为每个单元包含一个流道的单元，然后再继续将每个单元分为其大小允许放入设备X-Y加工平面内的若干个单元。

7.根据权利要求1所述的制作叶轮芯的方法，其特征是，在所述步骤1中，当D1≤B，H≤C，但叶片挠曲复杂且最小厚度≤3mm，则将叶轮芯在Z轴方向分为其高度能够适应叶片表面处理工艺的单元。

8.根据权利要求1-6任一项所述的制作叶轮芯的方法，其特征是，在所述步骤4中还包括将分割后只包括叶轮芯边圈部分，且其宽度小于边圈宽度S的单元采用手工填砂工艺制作。

9.根据权利要求1-7任一项所述的制作叶轮芯的方法，其特征是，在所述步骤1中还包括对各分割单元的组装连接面上设计相互配合的定位结构。

10.根据权利要求1-7任一项所述的制作叶轮芯的方法，其特征是，所述步骤1中还包括在单元中设置使芯在浇注过程中产生的气体能够排出的通道和用于埋放提高叶轮芯强度的芯骨的沟槽。

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