CN106111943B - 大型叶轮低压铸造方法及冷却控制工艺及排气系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型叶轮低压铸造方法及冷却控制工艺及排气系统，对制作的成型元件和型芯进行干燥，并对叶轮低压铸造模具进行预热；将铸造材料置于铸造装置内，进行加热熔化形成铸造溶液，待铸造溶液达至设定温度时；装配叶轮铸造模具，将叶轮铸造模具与铸造装置连接形成叶轮铸造系统；对低压铸造装置沿设定压力曲线进行低压充型；充型结束后，对叶轮低压铸造模具进行冷却；待叶轮低压铸造模具温度降至设定温度，取出叶轮，进行清理。铸造过程调节压力及速度可以改善浇不足，调节铝液温度可以控制铝液氧化，调节冷却过程可以改善缩松。

Description

大型叶轮低压铸造方法及冷却控制工艺及排气系统

技术领域

本发明属于精密铸造技术领域，具体涉及一种大型叶轮低压铸造方法及冷却控制工艺及排气系统。

背景技术

离心式压缩机或离心泵用来为各种流体流动提供加压。这种压缩机或离心泵包含叶轮，当叶轮旋转时，流体轴向方向进入，然后加速进入周向和径向方向，高流速流体进入扩压器，经转换速度后输出高压流体，对此类压缩机或离心泵，所使用的叶轮一般为合金精密铸造大型薄壁叶轮。

低压铸造是一种特种精密铸造方式，低压铸造通过施加较低的压力到金属溶液上，将金属溶液压进铸型中，使铸件在一定压力下充型、凝固，从而获得组织致密铸件。

大型薄壁叶轮的直径尺寸较大，且叶轮的壁比较薄，叶片最薄处小于1.2mm，而整个叶轮的叶片结构部分厚度较小，叶片形状为三维扭曲，结构复杂，目前在对于大型薄壁叶轮进行铸造时，由于叶轮的这些特点，使叶轮铸件产生氧化皮、缩松、砂眼、气孔等缺陷，使成型叶轮铸件无法满足使用需求。

而目前在对大型薄壁叶轮进行低压铸造的过程中，由于大型薄壁叶轮的尺寸较大，低压铸造是在设定的较低的压力下进行充型浇铸，其主要难点在于，由于大型叶轮属于薄壁件，铝液充型(充填)过程中，容易出现窝气、紊流；加之铝液冷却速度快、流动性降低迅速，铝液容易在流动过程中就流不动了，容易出现浇不足，无法成功整体铸造的大型薄壁叶轮；

低压铸造大型薄壁叶轮时，与普通叶轮相比，铸件更大、结构更复杂，从型芯制作到铸造成型，各方面都无法采用跟普通叶轮低压铸造同样的控制方式；

现有的低压铸造方法铸造大型薄壁叶轮时，对于大型薄壁叶轮的冷却速度及冷却时间控制不好，往往在模具的外部和上部冷却较快，其他位置冷却较慢，导致成型的叶轮铸件冷却效果不符合要求，产生缩松等缺陷，影响叶轮铸件的使用性能。高成品率，高质量的叶轮整体低压铸造方法一直是行业难题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种大型叶轮低压铸造方法，铸造方法过程中对充型过程和冷却过程的控制，极大提升叶轮铸件的成品质量，使成品叶轮质量高，铸造缺陷少。在该方法中还可以利用铸造系统模具在排气和冷却上的改进，通过改进后的铸造模具与铸造方法相配合，更好的控制大型叶轮的铸造过程的充型和冷却过程。

还提供一种大型叶轮冷却控制工艺，利用该过程中对叶轮浇铸的冷却过程进行调整控制，使叶轮铸件的冷却速度和冷却效果均一，避免产生缩松等缺陷，提高叶轮铸件的使用性能。

还提供一种大型叶轮低压铸造排气系统，利用该排气系统可以改善叶轮低压铸造过程中的排气，该排气系统可以让大型叶轮铸造过程中排气通畅，保证大型叶轮的成型质量。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种大型叶轮低压铸造方法，包括以下步骤：

步骤1：对制作的成型元件和型芯进行干燥，并对叶轮低压铸造模具进行预热；

步骤2：将铸造材料置于低压铸造装置内，进行加热熔化形成铸造溶液，待铸造溶液达至设定温度时，对铸造溶液进行除渣；

步骤3：装配叶轮低压铸造模具，确保叶轮低压铸造模具各组成部分连接紧固；将叶轮低压铸造模具与低压铸造装置连接形成叶轮铸造系统，开启叶轮低压铸造模具与低压铸造装置之间的加热装置进行加热至设定温度；

步骤4：对低压铸造装置沿设定压力曲线进行低压充型；

步骤5：充型结束后，对叶轮低压铸造模具进行冷却；

步骤6：待叶轮低压铸造模具温度降至设定温度，取出叶轮，进行清理。

大型叶轮是指直径为600mm以上的叶轮。本发明方案的铸造模具经适当修改结构尺寸等条件后，可用于小型叶轮。

所述叶轮低压铸造模具包括上下相对应设置的上模和下模，所述上模和下模形成的型腔内设有成型元件，所述成型元件上部设有用以形成叶轮内腔和叶片的型芯；在所述上模设有用于对叶轮内部进行冷却的第一冷却部，所述上模的顶部设有用于对上模进行喷气冷却的多个第二冷却部，所述上模的下表面设有用于进行排气的多个排气部。模具中采用型芯和成型元件的配合有利于底部铝液保温及对铸件的补缩；在上模上设置的冷却环和冷却锥可以很好的提高铸件的冷却速度，改善缩松；在上模上设置环槽可以排出铸造产生的气体，改善了叶轮铸造的排气。

成型元件可以为砂型，也可以为石膏型，还可以为陶瓷型或其他材料。陶瓷型和石膏型可以达到对铝液保温及对铸件补缩的功能，且陶瓷型和石膏型都比砂型保温性能好。

优选的，所述上模和下模为金属模，所述型芯为石膏型芯；通过金属模和成型元件相配合进行浇注，可以避免普通模具制成的铸件有砂眼、缩松等质量缺陷。

所述第一冷却部为冷却锥，在第一冷却部内通入冷却介质。在铸造充型完毕后，由第一冷却部通入冷却气，对叶轮内部进行降温。

为实现本发明对叶轮内部冷却的目的，冷却锥可以替代为冷却孔，也可以替代为其他能供冷却介质进入的空腔型结构；为向第一冷却部内通入冷却介质，可以在冷却锥或冷却孔内插设通入冷却气体的进气管，在进气管内通入冷却气体，进而对叶轮内部进行冷却。

所述第二冷却部为冷却环，冷却环的数量大于4个，在所述冷却环底部开有对上模上表面进行吹气的开口；第二冷却部可以使用一个回旋结构的冷却环，在冷却环中通入冷却空气后，从开口中吹出，对上模上表面冷却。采用多个冷却环的设置方式，可以在模具冷却阶段，先在最外侧的冷却环中通入冷却介质，之后，向内依次向其他的冷却环中通入冷却介质，最终向冷却锥中通入介质，形成一个从外向内的冷却梯度。

上述开口可以是在冷却环底部间隔布设的多个开孔，也可以是在冷却环底部开设的狭缝，或者其他能从冷却环底部对上模吹气的结构。

所述第二冷却部为螺旋状结构，在所述螺旋状结构底部开有对上模上表面进行吹气的开口；在冷却环中通入冷却空气后，从开口中吹出，对上模上表面冷却。

所述第二冷却部可以为蛇形结构或波浪形结构或以其他任意形式布设，也可以是S型结构或V型结构或W型结构。

所述排气部为环槽状结构，所述环槽状结构的数量大于3条，环槽状结构的数量根据需要进行设置，环槽状结构之间间距不易过大，本发明模具中设置3条以上环槽状结构排气效果更好，在每条所述环槽状结构上间隔布设多个排气孔，所述排气孔中设置排气塞；在环槽状结构上布设排气孔，改善模具的排气，同时在排气孔上设置排气塞，实现只排气不排铸造溶液。

根据排气的需要，可以在模具上开设曲折式缝隙作为排气通道；也可以在模具中设置排气针进行排气，或者在设置排气针和排气塞的位置处改成设置排气砂，即在排气孔中填入砂，利用砂的透气性进行排气；也可以在模具中设置排气片进行排气。

所述排气部为螺旋状结构，在所述螺旋状结构上间隔布设多个排气孔，所述排气孔中设置排气塞；在环槽上布设排气孔，改善模具的排气，同时在排气孔上设置排气塞，实现只排气不排铸造溶液。

所述上模下表面设置集渣包，集渣包在铝液流动的最末端，能够起到聚集氧化皮、外来夹杂的作用，在叶轮加工时将其去除。

所述下模在浇口布设处可拆卸设有模芯环，所述模芯环与下模之间设置密封件；在下模上可拆卸设置模芯环，在出现铸造溶液凝固堵口时，方便将模芯环拆卸进行清理。

所述密封件为石墨盘；在模芯环和下模之间设置石墨盘，可以有效防止铸造溶液漏出。

优选的，所述下模下表面设有多个环形凹槽；减少下金属模同铸造平台之间的接触面积，使模具在铸造平台上放置的更加平稳，保证铸造过程中模具的稳固性。

所述成型元件底部设置支撑型芯的支撑件，支撑件之间设有供铸造溶液进入的浇道；支撑件可以采用台阶形式或其他可能的块状、阶梯状等形式，成型元件的台阶支撑型芯，在台阶之间的浇道供铸造溶液进入模具内成型。支撑件可以设置3个以上。

优选的，所述成型元件顶部设有支撑定位型芯的支撑定位件，所述型芯具有与支撑定位件相配合的定位件；成型元件上设置的支撑定位件，型芯底部的定位件和支撑定位件可以相配合，在装配成型元件和型芯时，通过将定位件直接卡合到支撑定位件内，即可实现成型元件和型芯的定位。

为实现成型元件对型芯的定位支撑作用，支撑定位件可以为在成型元件顶部设置的凹槽，定位件可以为在型芯上设置的支撑台；也可以将支撑定位件设置成支撑台，而将定位件设置成凹槽；还可以将支撑定位件和定位件设置成凹凸配合状结构，或者其他任何可以定位的结构。

所述型芯侧面与成型元件之间具有用以形成叶轮下盖板的第一设定间隙；型芯侧面与成型元件之间的缝隙形成叶轮下盖板，用以形成封闭式叶轮结构。

所述型芯上表面与上模之间具有用以形成叶轮上盖板的第二设定间隙；型芯上表面和上模之间的间隙形成叶轮上盖板，用以形成封闭式叶轮结构。

所述型芯内部设有多条用以形成叶轮叶片的缝隙；在型芯内设置上多个与叶轮的叶片形状相适配的缝隙，用以在铸造过程中形成叶轮的叶片。

所述下模在成型元件周边设有外框，所述外框顶部具有限定上模位置的第一限位元件，所述上模下部设有与第一限位元件相配合的第二限位元件；通过外框与上模和下模的配合，形成封闭的铸造模具结构，同时外框和上模通过第一限位元件和第二限位元件的限定作用，固定上模的位置。

为了实现外框对上模的限位作用，可以将第一限位元件设置为限位台，而将第二限位元件设置为与限位台配合的限位块；也可以将第一限位元件设置为限位块，而将第二限位元件设置为与限位块配合的限位台；还可以将第一限位元件和第二限位元件设置成其他任何可以相互配合或卡合或契合等的结构。

在所述下模设有供铸造溶液进入的浇口，所述低压铸造装置与叶轮低压铸造模具之间设有对浇口处铸造溶液进行加热的加热装置(中间加热器)；避免铸造溶液在下模的浇口处凝固堵塞浇口。

所述低压铸造装置包括支撑所述模具的铸造平台，所述铸造平台下部设置加热装置，加热装置顶部设有盖板，所述盖板上通有升液管，升液管与模具的浇口连接。

所述加热装置内置有坩埚，所述盖板上插设有进气管。

优选的，所述坩埚与加热装置之间设有空气层或传热层；使坩埚和加热装置之间通过空气层或传热层隔离，避免加热装置直接对坩埚进行加热造成坩埚的损坏。

所述升液管与盖板之间通过升液管圆盘固定连接。

优选的，所述升液管上部与中间加热器连接，所述中间加热器穿过铸造平台与浇口连接；在升液管连接到浇口处设置中间加热器，对升液管内的铸造溶液进行加热，避免铸造溶液在下模的浇口处凝固堵塞浇口。

所述成型元件为砂型，砂型为利用砂型模具制作而成。

所述砂型模具包括砂型模底板，所述砂型模底板周边固定有竖直的砂型外框，所述砂型外框顶部与砂型模顶板固定连接，所述砂型模顶板和砂型模底板之间配合有砂型模，砂型模底板、砂型外框、砂型模顶板与砂型模之间的空隙为砂型型腔。

优选的，所述砂型模包括与砂型模顶板固接的上砂型模，所述上砂型模底部与下砂型模固定连接，所述下砂型模底部设有与砂型模底板相配合的凸起；将砂型模分为上砂型模和下砂型模，上砂型模和下砂型模通过连接件固定，方便进行加工。

所述砂型模底板中心具有通孔，所述通孔与凸起相配合；通过下砂型模凸起和砂型模底板通孔的配合，使下砂型模和砂型模底板连接，同时也由凸起限定形成砂型底部的通孔。

优选的，所述上砂型模和下砂型模的配合面处设有限位台阶Ⅰ；由限位台阶Ⅰ限定上砂型模和下砂型模的接触位置，保证上砂型模和下砂型模接触配合可靠，同时也能快速将上砂型模和下砂型模定位准确。

所述下砂型模下部设有至少3个用于形成砂型台阶的凹槽；设置凹槽，使砂型形成台阶，支撑型芯，并在台阶之间形成淌道。

优选的，所述砂型模底板底部设有环形凹槽；减少下模同平台之间的接触面积，使模具在平台上放置的更加平稳，保证铸造过程中模具的稳固性。

优选的，所述上砂型模外侧下部具有用于形成砂型凹槽的限位台阶Ⅱ；设置限位台阶Ⅱ，形成砂型上的砂型凹槽以与型芯底部的支撑台相配合，在装配和砂型和型芯时，通过将支撑台直接卡合到砂型凹槽内，即可实现砂型和型芯的定位。利用砂型模具制作砂型的步骤为：

1)：将砂型模与砂型模顶板连接，翻模，将砂型模顶板平放于地面上，将砂型外框与砂型模顶板连接；

2)：制作砂型配料，将砂型配料填入砂型模和砂型外框之间，捣实，刮平，静置固化4小时以上；

3)：待固化完全后将砂型模底板扣于砂型外框上，紧固，翻模，将砂型模取出备用在进行大型叶轮铸造过程中砂型模底板、砂型外框和砂型是一起使用的，即在砂型干燥和叶轮铸造过程中可以认为砂型模底板、砂型外框和砂型是一体的。

所述步骤2)的砂型配料包括树脂砂、树脂和固化剂，所述树脂砂、树脂和固化剂的比例为：100:(1-1.2):(0.4-0.5)。

当型芯采用石膏型芯时，其制作方法包括以下步骤：

(1)、将铸造成型的叶轮叶片镶嵌在石膏型模具中；

(2)、混合制成石膏浆料,将除气泡的石膏浆料在真空条件下灌注到石膏型模具中，且边灌注边对石膏浆料振动脱泡；

(3)、对灌注结束后的石膏型模具继续振动脱泡设定的时间，且对石膏型进行修整和固化；

(4)、将固化后的石膏型按照设定的温度控制曲线进行干燥；

(5)、对干燥后石膏型脱模修型。

进一步的，步骤(2)中所述的石膏浆料包括石膏粉和纯净水，所述的石膏粉和纯净水的比例为1.43-1.73:1；且纯净水的温度控制在15-25℃之间。

进一步的，步骤(4)中，干燥温度的控制方法如下：

步骤(4-1)使石膏型在设定的时间内快速升温到设定的温度；

步骤(4-2)在步骤1设定的温度下对石膏型进行保温一段时间，使其中的低熔点合金(熔模)彻底熔化、流出；

步骤(4-3)在步骤4-2保温完成后，使石膏型降温到某个设定温度后，然后一直保温到干燥结束直至出炉。

步骤(1)中叶轮叶片的成型方法，包括以下步骤：

①：清理叶片铸造模具组成部分各表面，组装叶片铸造模具待用，在叶片铸造模具内表面涂覆脱模剂；

②：按设定需求称取铸造原料，清理铸造原料表面灰尘；

③：将叶片铸造模具置于干燥机内预热，使用测温模块监控叶片铸造模具的温度直至设定要求温度停止预热；

④：加热铸造原料使其融化形成铸造原料溶液，使用测温模块监控铸造原料溶液的温度直至设定要求温度，停止加热；

⑤：去除铸造原料溶液表面杂质，将铸造原料溶液倒入叶片铸造模具内，监测叶片铸造模具各表面温度，对叶片铸造模具表面进行冷却；

⑥：到达设定启模时间后，取出叶片，观察叶片表面质量。

步骤1中对叶轮低压铸造模具的上模和低压铸造装置的升液管进行预热。

进一步的，所述步骤1的具体步骤为：

将型芯放于干燥机内进行干燥8-20h，将成型元件放于干燥机内进行干燥2-4h；利用加热装置对叶轮低压铸造模具进行预热2-4h。

进一步的，所述步骤2中除渣的过程包括以下步骤：

向铸造溶液内加入打渣剂，并进行捞渣；向低压铸造装置内充入惰性气体，并对铸造溶液进行除气除渣处理。将惰性气体通入铝液后，可以将铝液中的气体如O₂、H₂等气体带出，溢出铝液，达到除气的目的；打渣剂能够使铝液中的夹杂物聚集、便于去除。

进一步的，所述步骤4进行低压充型时，充型过程产生的气体经由叶轮低压铸造模具的上模下表面的排气部进行排气。

进一步的，所述步骤5对叶轮低压铸造模具冷却时，在叶轮低压铸造模具的上模顶部的第二冷却部内通入冷却气体，冷却气体由第二冷却部的出气口喷出对上模上表面进行降温冷却；经由上模的第一冷却部通入冷却介质对叶轮内部进行冷却。

进一步的，所述步骤6中设定温度为80-100℃；对叶轮进行清理的过程包括清理成型元件及型芯，并对叶轮进行清洗。

成型元件为砂型时的清理过程为：拆模后，将铸件吊离砂型，使用气铲将砂型铲碎，用铁锹将碎砂型清出砂型模。

型芯为石膏型芯时的清理过程为：当铸件自然冷却后，将铸件使用高压水枪清洗，将内部石膏清理干净。

大型叶轮低压铸造充型中，所采用的压力及速度的确定过程为：设计工装及参数，使用3D软件作出叶轮模型，并使用铸造模拟软件进行模拟，如发现压力及速度不合理则进行调整，并再次模拟，直至得到最优结果为止。根据最优参数进行加工模具、铸造叶轮，并结合试验结果进行优化。

设定的叶轮低压铸造压力曲线分为升液、充型、增压、保压过程。升液是指铝液由坩埚经升液管到浇道处；充型是指铝液由浇道进入型腔到型腔充满；增压是指凝固阶段的铸件加强补缩；保压是指增压结束到铸件完全凝固。利用充型过程中对压力及速度的调节过程，改善大型叶轮在铸造中的浇不足等情况，改善大型叶轮铸件的质量。通过大型叶轮铸造模具结构排气的改进和充型控制过程的相配合，更好的控制叶轮铸造过程的充型压力及速度，获得质量更优的叶轮铸件。

步骤4中低压充型前叶轮低压铸造模具温度控制在220-250℃之间，成型元件温度控制在80-120℃之间。其温度控制方法：控制步骤1中的干燥温度；控制步骤3中的装配时间，防止由于组装时间过长造成降温过多。

步骤4中设定压力曲线依次分为升液阶段、充型阶段、增压阶段和保压阶段，升液阶段的升液速度为0.0009-0.003MPa/s，升液压力为0.01-0.05MPa；

充型阶段的充型速度为0.012-0.025MPa/s，充型压力为0.08-0.10MPa；

增压阶段的增压速度为0.015-0.035MPa/s，增压压力为0.20-0.40MPa；

保压阶段的保压压力为0.20-0.40MPa。

一种大型叶轮低压铸造冷却控制工艺，包括以下步骤：在叶轮低压铸造模具的上模顶部的第二冷却部内通入冷却气体，冷却气体由第二冷却部的出气口喷出对上模上表面进行降温冷却；经由上模的第一冷却部通入冷却介质对叶轮内部进行冷却，使叶轮冷却过程符合由上到下、由外到里的冷却梯度。

对于冷却的调控需要通过设计冷却锥、冷却环等装置来进行，当铝液充型完成后，立即向冷却环通入冷却气体进行降温，使冷却过程符合从上到下的冷却梯度。

一种大型叶轮低压铸造排气系统，包括叶轮铸造模具，所述叶轮铸造模具包括上下相对应设置的上模和下模，所述上模和下模形成的型腔内设有成型元件和型芯，所述上模的下表面设有用于对铸造过程中产生的气体进行排气的多个排气部，所述排气部为环槽状结构或螺旋状结构，在所述排气部上间隔布设多个排气孔，所述排气孔中设置排气塞。

本发明的有益效果为：

1、本发明铸造系统模具的上模中设置环槽和排气塞改善排气，在上模上设置冷却锥及在上模上表面设置冷却环来提高铸件冷却速度，同时在石膏型芯底部使用砂型有利于底部铝液保温及对铸件的补缩。

2、本发明铸造系统模具的模具上通过改善排气和冷却的能够实现对薄壁大尺寸的叶轮的整体铸造程序，成型质量好，精度高。

3.本发明铸造系统模具在下模上配合设置可拆卸的模芯环和石墨盘，在出现铸造溶液凝固堵口时，方便将模芯环拆卸进行清理，并能有效防止铸造溶液漏出。

4.本发明铸造系统将改进后的模具和铸造装置结合，能够满足叶轮铸造过程中的排气和冷却需求，利用该铸造系统生产的叶轮成品质量好。

5.本发明铸造方法中调节压力及速度可以改善浇不足，调节铝液温度可以控制铝液氧化，调节冷却过程可以改善缩松。

附图说明

图1为本发明叶轮低压铸造系统的结构示意图；

图2为本发明叶轮铸造模具的结构示意图；

图3为叶轮铸造模具的俯视图；

图4为砂型模具的结构示意图；

图5为型芯模具的结构示意图；

图6为叶轮低压铸造压力曲线图；

图中，1上模，2下模，3成型元件，4型芯，5冷却锥，6浇口，7冷却环，8环槽，9进气管，10集渣包，11模芯环，12石墨盘，13环形凹槽，14台阶，15凹槽，16支撑台，17外框，18限位台，19铸造平台，20加热装置，21盖板，22升液管，23升液管圆盘，24坩埚，25进气管，26中间加热器，27垫子，28排气孔，29缝隙，30砂型模底板，31砂型外框，32砂型模顶板，33上砂型模，34下砂型模，35通孔，36凸起，37限位台阶Ⅰ，38环形凹槽，39限位台阶Ⅱ，40灌注口，41吊装孔，42凹槽，43下模，44限位台，45限位台，46限位台，47底环，48出气口，49上模。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1所示，叶轮低压铸造系统，包括叶轮铸造模具和低压铸造装置，低压铸造装置包括支撑所述模具的铸造平台19，铸造平台19固定在地面上，其上放置有上下金属模具，铸造平台19中心中空，中间加热器26从中穿出。铸造平台19下部设置加热装置20，加热装置20顶部设有盖板21，加热装置20内置有坩埚24，用于对坩埚及内部的铝进行加热。加热装置20可以与坩埚24之间直接接触，也可以通过空气层、传热层隔离。加热装置可以为加热套等。

坩埚24内部插设有升液管22，盖板21上设有进气管25，提供压力，将坩埚内的铝液沿升液管填充到模具中。升液管22上部设有升液管圆盘23，用以固定连接在盖板21上，升液管22的上部出口同中间加热器26底部连接，中间加热器26穿过铸造平台19与浇口6连接，中间加热器26和模芯环11之间设置垫子27。

如图2-图3所示，叶轮低压铸造模具，其特征是，包括上下相对应设置的上模1和下模2，上模1和下模2形成的型腔内设有成型元件3和型芯4；在上模1设有用于对叶轮内部进行冷却的冷却锥5，在下模2设有供铸造溶液进入的浇口6，上模1的顶部设有用于对上模1进行喷气冷却的多个冷却环7，上模1的下表面设有用于对铸造过程中产生的气体进行排气的多个环槽8。模具中采用型芯和成型元件的配合有利于底部铝液保温及对铸件的补缩；在上模上设置的冷却环和冷却锥可以很好的提高铸件的冷却速度，改善缩松；在上模上设置环槽对铸造产生的气体排出，改善了叶轮铸造的排气。

将上模1和下模2选择金属模，型芯4选择石膏型芯，上模和下模也可以选择其他材质，最好采用金属材质；型芯也可以采用其他材质，如陶瓷、耐高温高分子材料、砂型等。

上模1中部凹陷，中空，并设有冷却锥5，冷却锥5为一个空腔。冷却锥5中插有进气管9，在铸造填充完毕后，通入冷却气，对叶轮内部进行降温。

冷却环7的数量大于4个，冷却环7中空，在冷却环7底部具有多个对上模1上表面进行吹气的出气口；在冷却环中通入冷却空气后，从出气口中吹出，对上金属模上表面冷却。冷却环7可以替换成螺旋状结构或蛇形结构或波浪形结构，也可以是S型结构或V型结构或W型结构，或以其他任意结构形式布设。出气口可以是在冷却环7底部间隔布设的多个开孔，也可以是在冷却环底部开设的狭缝，或者其他能从冷却环底部对上模吹气的结构。

在上模1下表面设置集渣包10；下模2在浇口6布设处可拆卸设有模芯环11，模芯环11与下模2之间设置密封件；优选的密封件为石墨盘12；下模2底部可拆卸设有模芯环11，模芯环11和下模2连接在一起，在下模2上分体设置模芯环11，可以在出现铸造溶液凝固堵口时，方便拆卸、清理：同时在模芯环11中间有石墨盘12，可以有效防止漏铸造溶液。

下模2下表面设有多个环形凹槽13；减少下模2同铸造平台19之间的接触面积，使模具在铸造平台上放置的更加平稳。

下模2内部设有成型元件3，成型元件3上部填充有型芯4，型芯4底部放置在砂型3的台阶14上，台阶14数量大于等于3个，两个台阶14之间设有淌道，铝液从其中进入到模具内部。本实施例中，成型元件采用砂型。成型元件也可以采用石膏型或陶瓷型。

成型元件3顶部设有支撑定位型芯4的凹槽15，型芯4具有与凹槽15相配合的支撑台16；型芯4放置在成型元件3台阶14上，型芯4外侧下边缘轴向设有支撑台16，对应放置在凹槽15内。

型芯4下表面同成型元件3之间留有一定距离空隙，用以形成叶轮的下盖板，其距离根据叶轮下盖板厚度设定。型芯4上表面与上模1之间具有用以形成叶轮上盖板的设定间隙，用以形成叶轮的上盖板，其距离根据叶轮上盖板的厚度设定；用以形成封闭式叶轮。型芯4设有多条缝隙29，用以形成叶轮的叶片的填充。

下模2上在成型元件3周边设有外框17，外框17顶部具有限定上模1位置的限位台18，上模1下部设有与限位台18相配合的限位块，上模1放置在下模2的外框17上，通过外框17顶部的限位台18固定其位置。

上模1下表面设置环槽8以改善排气，环槽8的数量大于3条，在每条环槽8上间隔一定距离布设多个排气孔28，排气孔28中设置排气塞，实现只排气不排溶液。排气塞的由耐热材料制备而成，中间设有很小排气缝隙，保证不漏铸造溶液。环槽8也可以设置成螺旋状结构。

根据排气的需要，可以在模具上开设曲折式缝隙作为排气通道；也可以在模具中设置排气针进行排气，或者在设置排气针和排气塞的位置处改成设置排气线；也可以在模具中设置排气片进行排气。

在铸造过程中，通过调节冷却空气的进量控制模具的温度、调节加热装置的温度控制铝液温度700-740℃、控制进气压力控制充型压力及速度、保压时间等参数来改善铸造缺陷、提高铸造质量。

实施例2：

本实施例中，成型元件采用砂型；型芯采用石膏型芯，型芯也可以采用其他材质；铸造材料采用铝。

大型叶轮低压铸造方法，包括以下步骤：

步骤1：利用砂型模具制作砂型；

步骤2：利用石膏型模具制作石膏型芯；

步骤3：将石膏型芯放于干燥机内进行干燥8-20h，将砂型放于干燥机内进行干燥2-4h；开启燃气加热装置对上模进行预热2-4h；

步骤4：将铝锭放入到坩埚中，通过加热装置对其加热，熔化铝锭。待铝液到达设定温度(700-740℃)时，将打渣剂撒入铝液中，并使用专用漏勺捞渣；开启氩气，并对铝液进行除气除渣处理；

步骤5：将上金属模、石膏型芯、砂型、冷却环及冷却锥进行装配，将各部分紧固。在各个部分与铝液接触的表面涂耐高温涂料；将叶轮铸造模具与铸造装置连接形成叶轮铸造系统；

步骤6：将设定好的压力曲线输入铸造机，开始充型；充型结束后，将装配体吊离铸造平台，放于架子上冷却；

步骤7：充型结束后，在冷却环中通入冷却气体，从出气口中吹出，对上金属模上表面进行降温，再向冷却锥中通入冷却介质对叶轮内部进行冷却；

步骤8：待金属模温度降至80-100℃以下时，将叶轮取出，清理砂型及石膏，并对叶轮进行清洗。

所述步骤1制作砂型的步骤为：

步骤1-1：将砂型模与与砂型模顶板连接，翻模，将砂型模顶板平放于地面上，将砂型外框与砂型模顶板连接；

步骤1-2：制作砂型配料，将砂型配料填入砂型模和砂型外框之间，捣实，刮平，静置固化4小时以上；

步骤1-3：待固化完全后将砂型模底板扣于砂型外框上，紧固，翻模备用。

所述步骤1-2的砂型配料包括树脂砂、树脂和固化剂，所述树脂砂、树脂和固化剂的比例为：100:(1-1.2):(0.4-0.5)。

称取树脂砂(实际使用300KG)，并按照比例称取树脂(实际5000ml)、固化剂(实际1500ml)，将三者混合均匀后填入模具中。

所述步骤2的具体步骤为：

1)、将铸造成型好的低熔点合金叶片镶嵌在石膏型模具中；

2)、称取石膏粉50-60Kg，称取25-35Kg纯净水，混合制成石膏浆料，水温控制在15-25℃之间，混合好后放入真空搅拌机中；

3)、当真空搅拌机真空度达到0.1Mpa后，使用真空搅拌机对混合后的石膏浆料进行抽真空及振动搅拌。转速250-300rpm，搅拌时间5±1min，振动频率为1-5Hz，使石膏搅拌均匀，并将石膏中的气泡排出；

4)、将除气泡的石膏浆料在真空条件下灌注到石膏型模具中，灌注结束后使用振动机振动脱泡，振动频率1-3Hz，振动20-30s；

5)、灌注完毕后的石膏型利用刮板等工具将上端刮平，石膏型常温静置固化120min±10min，此过程中禁止挪动；

6)、将固化后的石膏型放置在专用的石膏型干燥托架上；

7)、将托架和石膏型一同放入到干燥机内，在250±10℃温度条件下干燥，石膏出炉温度为160-170℃，共干燥时间50h，石膏型干燥温度控制曲线如下图所示。

8)、将石膏型和托架取出，分开，将低熔点合金收集重复利用，将石膏型放置于修整架上，修复型芯表面瑕疵、去除多余杂质。

9)、对石膏型进行检测后进行使用。

低熔点合金叶片的铸造步骤过程为：

1、清理模具腔体内各面，组装待用；

2、称取所需重量的合金，擦净表面灰尘待用。

2、将模具置于干燥机内预热，利用电热套对合金加热使其融化。使用热电偶对两者进行测温，控制模具、合金熔液至所需温度。

3、去除合金熔液表面杂质，将其迅速倒入模具内，观测模具各面温度。同时对模具表面进行冷却，其冷却方式可包括风冷、水冷。

4、到达指定启模时间后，取出叶片，观察叶片表面质量。

步骤6中低压充型前叶轮低压铸造模具温度控制在220-250℃之间，砂型温度控制在80-120℃之间；步骤6进行低压充型时，充型过程产生的气体经由叶轮低压铸造模具的上模下表面的环槽8进行排气。

如图4所示，上述步骤1中采用的砂型模具包括砂型模底板30，砂型模底板30周边固定有竖直的砂型外框31，砂型外框31顶部与砂型模顶板32固定连接，砂型模顶板32和砂型模底板30之间配合有砂型模，砂型模底板30、砂型外框31、砂型模顶板32与砂型模之间的空隙为砂型型腔。

砂型模包括与砂型模顶板32固接的上砂型模33，上砂型模33底部与下砂型模34固定连接，下砂型模34底部设有与砂型模底板30相配合的凸起36，凸起36插入到砂型模底板30中心圆孔中；砂型模底板30中心具有通孔35，通孔35与凸起36相配合。上砂型模33、下砂型模具34之间通过螺栓等固定连接在一起，方便进行加工。砂型模顶板32同上砂型模33、砂型外框31均用螺栓等固定连接。

上砂型模33和下砂型模34的接触配合面处设有限位台阶Ⅰ37，限定接触位置；下砂型模34下部设有至少3个用于形成砂型台阶14的凹槽。

砂型模底板30底部设有环形凹槽38；上砂型模33外侧下部具有用于形成砂型凹槽15的限位台阶Ⅱ39。

如图5所示，上述步骤2采用的石膏型模具包括上模49、下模43和底环47，上模49放置在底环47上，在上模49底部中心位置设置与底环配合的下模43；上模49、下模43和底环47三者形成叶轮石膏型的成型腔；在成型腔内放置低熔点合金叶轮叶片，然后用于后续的石膏成型。

进一步的，下模43上表面为同叶轮下壁形状吻合的曲面；下模43上表面设有多个用以放置叶轮叶片模的凹槽，凹槽沿下模曲面延伸；下模43的底部中心为中空设置；使用时，通过在下模43型芯上设置的低熔点合金叶片，能够在石膏灌注成型时，将叶片固定在叶轮内部；

进一步的，上模49的下表面为与叶轮上表面形状吻合的曲面，在上模49曲面上设有用于成型石膏型芯凸起部分的环槽，环槽的正上方设有与成型腔连通的出气口。

进一步的，底环47与上模49之间通过限位台46进行限位约束；底环47与下模43之间通过限位台44、限位台45进行限位约束；同时底环与上模之间、底环47与下模43之间通过螺钉等连接装置进行进一步的固定连接。

进一步的，底环47与上模49之间设有凹槽42，这里的凹槽42可以减少底环47同上模49之间接触面的配合面积，防止因为配合面的不平整、变形导致底环47同上模49的装配精度降低。

大型叶轮低压铸造充型中，所采用的压力及速度的确定过程为：设计工装及参数，使用3D软件作出叶轮模型，并使用铸造模拟软件进行模拟，如发现压力及速度不合理则进行调整，并再次模拟，直至得到最优结果为止。根据最优参数进行加工模具、铸造叶轮，并结合试验结果进行优化。

设定的叶轮低压铸造压力曲线分为升液、充型、增压、保压过程。升液是指铝液由坩埚经升液管到浇道处；充型是指铝液由浇道进入型腔到型腔充满；增压是指凝固阶段的铸件加强补缩；保压是指增压结束到铸件完全凝固。

叶轮低压铸造压力的四个阶段的速度和压力按下表进行设置：

阶段	速度MPa/s	压力MPa
			升液阶段	0.0009-0.003	0.01-0.05
充型阶段	0.012-0.025	0.08-0.10
			增压阶段	0.015-0.035	0.20-0.40
保压阶段	0	0.20-0.40

叶轮低压铸造的升液、充型、增压阶段可如图6所示进行设置：

升液阶段：升液速度为：0.002MPa/s；升液阶段最高压力为0.03MPa。

充型阶段：充型速度为：0.019MPa/s；充型阶段最高压力为0.09MPa。

增压阶段：增压速度为：0.025MPa/s；增压阶段最高压力为0.3MPa。

保压阶段：保压速度为：0；增压阶段压力为0.3MPa。

实施例3：

本实施例中，将实施例2中的成型元件由砂型换为石膏型；型芯采用石膏型芯；铸造材料采用铝。

大型叶轮低压铸造方法，包括以下步骤：

步骤1：制作石膏型；

步骤2：利用石膏型模具制作石膏型芯；

步骤3：将石膏型芯放于干燥机内进行干燥8-20h，将石膏型放于干燥机内进行干燥2-4h；开启燃气加热装置对上模进行预热2-4h；

步骤4：将铝锭放入到坩埚中，通过加热装置对其加热，熔化铝锭。待铝液到达设定温度(700-740℃)时，将打渣剂撒入铝液中，并使用专用漏勺捞渣；开启氩气，并对铝液进行除气除渣处理；

步骤5：将上金属模、石膏型芯、石膏型、冷却环及冷却锥进行装配，将各部分紧固。在各个部分与铝液接触的表面涂耐高温涂料；将叶轮铸造模具与铸造装置连接形成叶轮铸造系统；

步骤6：将设定好的压力曲线输入铸造机，开始充型；充型结束后，将装配体吊离铸造平台，放于架子上冷却；

步骤7：充型结束后，在冷却环中通入冷却气体，从出气口中吹出，对上金属模上表面进行降温，再向冷却锥中通入冷却介质对叶轮内部进行冷却；

步骤8：待金属模温度降至80-100℃以下时，将叶轮取出，清理砂型及石膏，并对叶轮进行清洗。

需要注意的是：由于石膏型是用浆料进行灌注、且需要彻底干燥，所以替换成石膏型时，需要保证灌注时各部分配合不能漏浆料、干燥过程中石膏型不会受力变形和裂纹。

实施例4：

本实施例中，将实施例2中的成型元件由砂型换为陶瓷型，型芯采用石膏型芯；铸造材料采用铝。

大型叶轮低压铸造方法，包括以下步骤：

步骤1：制作陶瓷型；

步骤2：利用石膏型模具制作石膏型芯；

步骤3：将石膏型芯放于干燥机内进行干燥8-20h，将石膏型放于干燥机内进行干燥2-4h；开启燃气加热装置对上模进行预热2-4h；

步骤4：将铝锭放入到坩埚中，通过加热装置对其加热，熔化铝锭。待铝液到达设定温度(700-740℃)时，将打渣剂撒入铝液中，并使用专用漏勺捞渣；开启氩气，并对铝液进行除气除渣处理；

步骤5：将上金属模、石膏型芯、石膏型、冷却环及冷却锥进行装配，将各部分紧固。在各个部分与铝液接触的表面涂耐高温涂料；将叶轮铸造模具与铸造装置连接形成叶轮铸造系统；

步骤6：将设定好的压力曲线输入铸造机，开始充型；充型结束后，将装配体吊离铸造平台，放于架子上冷却；

步骤7：充型结束后，在冷却环中通入冷却气体，从出气口中吹出，对上金属模上表面进行降温，再向冷却锥中通入冷却介质对叶轮内部进行冷却；

步骤8：待金属模温度降至80-100℃以下时，将叶轮取出，清理砂型及石膏，并对叶轮进行清洗。

实施例5：

大型叶轮低压铸造冷却控制过程，包括以下步骤：在叶轮低压铸造模具的上模顶部的第二冷却部内通入冷却气体，冷却气体由第二冷却部的出气口喷出对上模上表面进行降温冷却；经由上模的第一冷却部通入冷却介质对叶轮内部进行冷却，使叶轮冷却过程符合由上到下、由外到里的冷却梯度。

实施例6：

大型叶轮低压铸造排气系统，包括叶轮铸造模具，叶轮铸造模具包括上下相对应设置的上模和下模，上模和下模形成的型腔内设有成型元件和型芯，上模的下表面设有用于对铸造过程中产生的气体进行排气的多个排气部，排气部为环槽状结构或螺旋状结构，在排气部上间隔布设多个排气孔，排气孔中设置排气塞。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种大型叶轮低压铸造方法，其特征是，用于大型薄壁叶轮铸造，包括以下步骤：

步骤1：对制作的成型元件和型芯进行干燥，并对叶轮低压铸造模具进行预热；

步骤2：将铸造材料置于低压铸造装置内，进行加热熔化形成铸造熔液，待铸造熔液达至设定温度时对铸造熔液进行除渣；

步骤3：装配叶轮低压铸造模具，将叶轮低压铸造模具与低压铸造装置连接形成叶轮铸造系统，开启叶轮低压铸造模具与低压铸造装置之间的加热装置进行加热至设定温度；

步骤4：对低压铸造装置沿设定压力曲线进行低压充型；

步骤4中设定压力曲线依次分为升液阶段、充型阶段、增压阶段和保压阶段，升液阶段的升液速度为0.0009-0.003MPa/s，升液压力为0.01-0.05MPa；

充型阶段的充型速度为0.012-0.025MPa/s，充型压力为0.08-0.10MPa；

增压阶段的增压速度为0.015-0.035MPa/s，增压压力为0.20-0.40MPa；

保压阶段的保压压力为0.20-0.40MPa；

步骤5：充型结束后，对叶轮低压铸造模具进行冷却；

所述步骤5对叶轮低压铸造模具冷却时，在叶轮低压铸造模具的上模顶部的第二冷却部内通入冷却气体，冷却气体由第二冷却部的出气口喷出对上模上表面进行降温冷却；经由上模的第一冷却部通入冷却介质对叶轮内部进行冷却；

步骤6：待叶轮低压铸造模具温度降至设定温度，取出叶轮，进行清理。

2.如权利要求1所述的大型叶轮低压铸造方法，其特征是，所述成型元件为砂型，砂型为利用砂型模具制作而成；所述砂型模具包括砂型模底板，所述砂型模底板周边固定有竖直的砂型外框，所述砂型外框顶部与砂型模顶板固定连接，所述砂型模顶板和砂型模底板之间配合有砂型模，砂型模底板、砂型外框、砂型模顶板与砂型模之间的空隙为砂型型腔。

3.如权利要求2所述的大型叶轮低压铸造方法，其特征是，所述砂型模包括与砂型模顶板固接的上砂型模，所述上砂型模底部与下砂型模固定连接，所述下砂型模底部设有与砂型模底板相配合的凸起。

4.如权利要求2所述的大型叶轮低压铸造方法，其特征是，利用砂型模具制作砂型的步骤为：

1)：将砂型模与与砂型模顶板连接，翻模，将砂型模顶板平放于地面上，将砂型外框与砂型模顶板连接；

2)：制作砂型配料，将砂型配料填入砂型模和砂型外框之间，静置固化4小时以上；

3)：待固化完全后将砂型模底板扣于砂型外框上，紧固，翻模备用。

5.如权利要求1所述的大型叶轮低压铸造方法，其特征是，所述步骤1的具体步骤为：

将型芯放于干燥机内进行干燥8-20h，将成型元件放于干燥机内进行干燥2-4h；利用加热装置对叶轮低压铸造模具进行预热2-4h。

6.如权利要求1所述的大型叶轮低压铸造方法，其特征是，所述步骤2中除渣的过程包括以下步骤：

向铸造熔液内加入打渣剂，并进行捞渣；向低压铸造装置内充入惰性气体，并对铸造溶液进行除气除渣处理。

7.如权利要求1所述的大型叶轮低压铸造方法，其特征是，步骤4中低压充型前叶轮低压铸造模具温度控制在220-250℃之间，成型元件温度控制在80-120℃之间；步骤4进行低压充型时，充型过程产生的气体经由叶轮低压铸造模具的上模下表面的排气部进行排气。

8.如权利要求1所述的大型叶轮低压铸造方法，其特征是，所述步骤6中设定温度为80-100℃；对叶轮进行清理的过程包括清理成型元件及型芯，并对叶轮进行清洗。

9.如权利要求1所述的大型叶轮低压铸造方法，其特征是，所述叶轮低压铸造模具包括上下相对应设置的上模和下模，所述上模和下模形成的型腔内设有成型元件和型芯，所述上模的下表面设有用于对铸造过程中产生的气体进行排气的多个排气部，所述排气部为环槽状结构或螺旋状结构，在所述排气部上间隔布设多个排气孔，所述排气孔中设置排气塞。