CN104416120B - 大型水轮机叶片的3d打印砂芯造型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法，其无需传统铸造生产的木模制作工序，而是在三维制图软件中设计出多块砂芯模型，采用3D打印机直接将各砂芯打印成型，最后逐层组芯完成造型。本发明造型方法省去传统制模过程，可显著缩短生产周期、降低生产成本，同时具有造型精度高、劳动强度低、环境污染小等特点，尤其适合多品种、小批量的大型水轮机叶片生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法。
背景技术
叶片是水轮机发电设备的主要部件之一，对于几十万千瓦级的水轮机，其叶片轮廓达数米范围，重量在几吨到十几吨不等，采用不锈钢材质，对产品质量要求很高。大型水轮机叶片为三维扭曲变断面结构产品，采用传统铸造造型工艺有以下不足：传统造型需要制作叶片木模，而模具费用高达数十万元，制模周期在一个月以上，往往耗费大量资金和延长铸造生产周期。再者传统手工造型精度不高，定位不易控制，组芯间隙大以及变形等问题而最终影响了铸件尺寸。另外传统造型砂芯尺寸大、重量大，不但人工劳动强度大，还经常需动用大型的翻箱、吊运设备等，对车间设备要求较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种能显著降低铸造成本，缩短生产周期，提高造型精度并且降低劳动强度，减少对大型设备依赖的大型叶片3D打印砂芯造型方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法，其特征在于，包括如下步骤：
1：将大型水轮机叶片的砂型型腔分割成若干部分的砂芯单元，对应于各所述砂芯单元，用制图软件设计出各块砂芯单元的三维模型；
2：将各所述砂芯单元的模型文件导入到3D打印机中，并在打印工作箱中根据模型文件打印成砂芯；
3：对各所述砂芯的钢水接触面进行刷涂料处理；
4：在砂箱或地坑内打底，做出与砂芯定位连接的打底平台；
5：在做好的打底平台上组合第一层砂芯，而后在组合好的该层砂芯外围填覆背砂和铺设直浇道；
6：重复前述步骤5，逐层组芯和填覆背砂，直至所有砂芯组合完成。
所述的大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法中，步骤1中，所述各块砂芯单元的设计采用带加强筋的框架结构，所述框架壁上有定位孔。
所述的大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法中，各块砂芯单元的壁厚为50-100mm。
所述的大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法中，步骤2中，打印材料为铬铁矿砂，打印精度为0.3mm。
所述的大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法中，每块砂芯的重量为100-200公斤。
所述的大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法中，步骤3中，各所述砂芯的内壁为钢水接触面。
所述的大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法中，步骤5与步骤6中，在组芯时，砂芯之间的接触面上涂抹粘接剂，并采用螺栓或钢棒穿过相邻砂芯的壁板上的定位孔，通过预紧或点焊方法对砂芯进行定位固定。
所述的大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法中，各层砂芯组合完成后，在外围填覆背砂并进行直浇道的铺砌操作，最后使背砂填覆高度与该层砂芯等高。
所述的大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法中，所述填覆背砂是常规自硬树脂砂或钢丸。
所述的大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法中：
步骤4中，在所述打底平台内铺设有底返式浇注系统；
步骤5与步骤6中，在组合后的砂芯的高度方向装砌出直浇道。
与现有技术相比较，本发明具有的有益效果是：本发明改变了传统的叶片造型工艺方法限制，可有效降本增效，提高产品质量，同时降低劳动强度，绿色环保，尤其适合多品种、小批量的大型叶片铸造生产，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明砂芯组芯造型立体图；
图2为叶片轮廓示意图。
附图标记说明：1-打底平台；2-砂芯；3-螺栓或钢棒。
具体实施方式
本发明提供一种大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法，结合图1所示，包括如下步骤：
1：根据叶片铸造工艺，将大型水轮机叶片的砂型型腔分割成若干部分的砂芯单元，对应于各部分的砂芯单元，用制图软件设计出各块砂芯单元的三维模型。所述各块砂芯单元的设计采用带加强筋的框架结构，所述框架壁上有定位孔，所述各块砂芯单元的壁厚根据生产需要一般厚度在50-100mm。
2：将各所述砂芯单元的模型文件导入到3D砂芯打印机中，并在打印工作箱中将所述砂芯单元打印成型为砂芯2。打印材料为铬铁矿砂，打印精度为0.3mm，每块砂芯2的重量为100-200公斤为宜。
3：各所述砂芯2的内壁为钢水接触面，对各所述钢水接触面进行刷涂料等处理，备用。
4：在砂箱或地坑内打底，铺设底返式浇注系统，做出与砂芯2定位连接的打底平台1。
5：在做好的打底平台上组合第一层砂芯2，在组芯时，砂芯2之间的壁板上涂抹粘接剂，并采用螺栓或钢棒3穿过相邻砂芯2的壁板上的定位孔，通过预紧或点焊等方法对砂芯2进行定位固定。各层砂芯2组合完成后，在外围填覆背砂并进行直浇道的铺砌操作，最后使背砂填覆高度基本与该层砂芯2等高。填覆背砂可以是常规自硬树脂砂，也可以采用钢丸，提高冷却能力。
6：重复前述步骤5，逐层组芯和填覆背砂，并在高度方向装砌出直浇道，直至所有砂芯2组合完成。
7：合箱、压铁等操作，等待浇注。
本发明使用的时候，将钢水从所述直浇道注入型腔内，待叶片铸件凝固冷却后，拆掉各砂芯2，即得到如图2所示的大型水轮机叶片。
本发明与传统叶片造型工艺相比，有如下优势：
(1)实现无模化造型，可节约制模费用几十万元，同时明显缩短生产周期。
(2)采用3D打印机打印砂芯，尺寸精度高，可达0.3mm，组芯时间隙小、定位准确保证型腔质量。
(3)砂芯设计采用框架结构，降低用砂量，同时保证砂芯强度。砂芯框壁上预留打印定位孔，组芯时相互接触面用粘接剂密封，同时用螺栓或钢棒穿过相邻壁的定位孔固定砂芯，保证整体造型的强度和造型精度。
(4)每块砂芯重量小，在一两百公斤范围，便于操作，无需大型吊运设备，对装备能力要求低，造型劳动强度小。
(5)组芯外围背砂可用常规自硬树脂砂，也可用钢丸增加冷却能力，且回收利用率高。
本发明改变了传统的叶片造型工艺方法限制，可有效降本增效，提高产品质量，同时降低劳动强度，绿色环保，尤其适合多品种、小批量的大型叶片铸造生产，具有很好的应用前景。
以上实施条例仅仅是对本发明进行说明，而非作限制性的概括，本领域普通技术人员在本发明的发明构思的指导下，还可以作出很多常规结构上的修改与替换，这些修改与替换也应当被认为属于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法，其特征在于，包括如下步骤：
1：将大型水轮机叶片的砂型型腔分割成若干部分的砂芯单元，对应于各所述砂芯单元，用制图软件设计出各块砂芯单元的三维模型；
2：将各所述砂芯单元的模型文件导入到3D打印机中，并在打印工作箱中根据模型文件打印成砂芯；
3：对各所述砂芯的钢水接触面进行刷涂料处理；
4：在砂箱或地坑内打底，做出与砂芯定位连接的打底平台；
5：在做好的打底平台上组合第一层砂芯，而后在组合好的该层砂芯外围填覆背砂和铺设直浇道；
6：重复前述步骤5，逐层组芯和填覆背砂，直至所有砂芯组合完成。
2.根据权利要求1所述的大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法，其特征在于，步骤1中，所述各块砂芯单元的设计采用带加强筋的框架结构，所述框架壁上有定位孔。
3.根据权利要求1所述的大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法，其特征在于，各块砂芯单元的壁厚为50-100mm。
4.根据权利要求1所述的大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法，其特征在于，步骤2中，打印材料为铬铁矿砂，打印精度为0.3mm。
5.根据权利要求1所述的大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法，其特征在于，每块砂芯的重量为100-200公斤。
6.根据权利要求1所述的大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法，其特征在于，步骤3中，各所述砂芯的内壁为钢水接触面。
7.根据权利要求1所述的大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法，其特征在于，步骤5与步骤6中，在组芯时，砂芯之间的接触面上涂抹粘接剂，并采用螺栓或钢棒穿过相邻砂芯的壁板上的定位孔，通过预紧或点焊方法对砂芯进行定位固定。
8.根据权利要求7所述的大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法，其特征在于，各层砂芯组合完成后，在外围填覆背砂并进行直浇道的铺砌操作，最后使背砂填覆高度与该层砂芯等高。
9.根据权利要求8所述的大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法，其特征在于，所述填覆背砂是常规自硬树脂砂或钢丸。
10.根据权利要求1所述的大型水轮机叶片的3D打印砂芯造型方法，其特征在于：
步骤4中，在所述打底平台内铺设有底返式浇注系统；
步骤5与步骤6中，在组合后的砂芯的高度方向装砌出直浇道。
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