CN108044053B - 一种窄流道闭式叶轮精铸方法 - Google Patents

一种窄流道闭式叶轮精铸方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种窄流道闭式叶轮精铸方法，包括：步骤1.根据窄流道闭式叶轮的设计结构，设计叶轮型模和浇注型模；步骤2.根据设计要求制作叶轮型模和浇注型模，将所制作叶轮型模的一端端面的轴心部位以填蜡方式堵实；将制作好的叶轮型模和浇注型模组树，使浇注型模的浇道连接在叶轮型模的堵实端面上；步骤3.在组好的型模树上进行陶瓷型壳制备；步骤4.脱型模，得到具有符合窄流道闭式叶轮设计结构的浇注型腔的陶瓷型壳；步骤5.将陶瓷型壳预热；采用合金材料对陶瓷型壳的浇注型腔进行浇注；冷却后脱壳，其中窄流道区域的陶瓷型壳以碱煮方式去除，得叶轮的铸造坯件。本发明具有技术难度小、精度高、效率高、合格率高、成本低等特点。

Description

一种窄流道闭式叶轮精铸方法
技术领域
本发明涉及精密铸造技术，具体是一种窄流道闭式叶轮的精密铸造成型方法。
背景技术
叶轮作为动力设备-例如离心泵的核心部件，其成型精度和内部质量极大地影响着动力设备的能量转化效率、稳定性及使用寿命。
叶轮按其成型结构的不同而分为开式叶轮、半开式叶轮和闭式叶轮。参见图1所示，闭式叶轮1主要由组成整体的前盖板11、叶片12和后盖板13组成，前盖板11、后盖板13和相邻叶片12之间构成流道14。在使用中，闭式叶轮具有做功效率高的特点，然而，其亦存在制造难度较大的技术问题，这尤其是以窄流道的闭式叶轮最为凸显。
长期以来，窄流道闭式叶轮主要是以焊接的方式成型的，基于窄流道闭式叶轮的流道窄（通常只有几毫米）、流道设计复杂的特性，使得焊接质量难以保证，焊接技术难度大。目前，亦有对窄流道闭式叶轮以砂型铸造（通常为尺寸较大且要求较低的叶轮成型采用）或熔模铸造（通常为尺寸较小且要求较高的叶轮成型采用）的方式成型的，但是，同样因为窄流道闭式叶轮的流道窄、流道设计复杂的特性，使得所成型铸造模具的浇注型腔无法稳定、可靠地成型，一直以来的铸造合格率都很低。
综上所述，对于窄流道闭式叶轮的制造成型，目前尚无成熟的高精度、高效率的成型技术。
发明内容
本发明的技术目的在于：针对上述窄流道闭式叶轮的特殊性和现有技术的不足，自主研发一种成型成型难度小、成型精度高、成型效率高、成品合格率高的窄流道闭式叶轮精铸方法。
本发明采用如下技术方案实现其技术目的，一种窄流道闭式叶轮精铸方法，所述精铸方法包括下列步骤：
步骤1. 根据窄流道闭式叶轮的设计结构，设计叶轮型模和浇注型模；
步骤2. 根据设计要求制作叶轮型模和浇注型模，将所制作叶轮型模的一端端面的轴心部位以填蜡方式堵实；将制作好的叶轮型模和浇注型模组树，使浇注型模的浇道连接在叶轮型模的堵实端面上；
步骤3. 在组好的型模树上进行陶瓷型壳制备，具体是，首先以粘度22～26s的氧化铝粉浆料+100目熔融石英细砂制得面层，其次以粘度16～20s的熔融石英粉浆料+100目熔融石英细砂制得第二层，然后以粘度16～20s的熔融石英粉浆料+46目熔融石英细砂依次制得第三至第七层，以此在型模树上得陶瓷型壳；
步骤4. 脱型模，得到具有符合窄流道闭式叶轮设计结构的浇注型腔的陶瓷型壳；
步骤5. 将陶瓷型壳预热；采用合金材料对陶瓷型壳的浇注型腔进行浇注；冷却后脱壳，其中窄流道区域的陶瓷型壳以碱煮方式去除，得叶轮的铸造坯件。
作为优选方案之一，步骤5中的合金材料为ZG2Cr13，所述ZG2Cr13合金材料的浇注工艺为，先将陶瓷型壳预热至1050～1100℃，再将ZG2Cr13材料在1560～1100℃的温度下浇注。
作为优选方案之一，步骤3中的陶瓷型壳制备过程中，熔融石英细砂以撒砂的方式粘附成型。
作为优选方案之一，步骤2中的叶轮型模和浇注型模是以压制蜡模的方式成型；或者，步骤2中的叶轮型模和浇注型模是以3D打印树脂模的方式成型。
作为优选方案之一，步骤2中的叶轮型模和浇注型模的组树结构是，在两个叶轮型模的堵实端面之间轴向连接浇注型模的内浇道，在所述内浇道的中部通过直浇道竖向举升浇口杯，以此组成型模树。进一步的，所述浇口杯与两侧叶轮型模之间分别设有加强筋；或者，所述浇口杯与两侧内浇道的端部之间分别设有加强筋。所述内浇道与直浇道结合部位的底部设有缓冲半球。
本发明的有益技术效果是：上述精铸方法针对窄流道闭式叶轮的结构特性，以与之相匹配的熔模精密铸造工艺对其标准化成型，其不仅陶瓷型壳成型技术难度小，而且陶瓷型壳的浇注型腔成型结构稳定、可靠、精准，以此所浇注而成的窄流道闭式叶轮铸件具有成型技术难度小、成型精度高、成型效率高、成品合格率高、制造成本低等特点，且铸件内部无缩松等宏观缺陷，成型质量高，从而使得本发明具有非常可观的经济效益及社会效益。
附图说明
图1是窄流道闭式叶轮的一种结构示意图。
图2是本发明所组型模树的一种结构示意图。
图3是图2 的侧视图。
图中代号含义：1—叶轮；11—前盖板；12—叶片；13—后盖板；14—流道；2—叶轮型模；3—浇注型模；31—浇口杯；32—直浇道；33—内浇道；34—缓冲半球；35—加强筋。
具体实施方式
本发明涉及精密铸造技术，具体是一种窄流道闭式叶轮的精密铸造成型方法。下面以多个实施例对本发明的技术内容进行清楚、详细的说明，其中，实施例1结合说明书附图-即图1、图2和图3对本发明的技术内容进行详细、清楚地说明，其它实施例虽未单独绘制附图，但其主体结构仍可参照实施例1的附图。
实施例1
参见图1所示，本发明所针对的窄流道闭式叶轮1主要由整体的前盖板11、叶片12和后盖板13组成，前盖板11、后盖板13和相邻叶片12之间构成窄间隙（例如7mm）的流道14。本发明采用合金材料ZG2Cr13对设计结构的窄流道闭式叶轮进行精密铸造，包括下列步骤：
步骤1. 根据窄流道闭式叶轮的设计结构，通过数值模拟对设计结构叶轮进行分析而获得对应的铸造热节、收缩趋势及充型状态，从而确定出以叶轮流道中线面和叶轮轴线面的交点为收缩中心点，并确定出以收缩中心点进行X（为设计结构叶轮的轴向方向）、Y（为设计结构叶轮的径向）、Z（为设计结构叶轮的径向）三个方向缩尺调整的收缩率，通常X向的缩尺约为2%，Y向和Z向的缩尺分别约为1.2%；
依据收缩中心点和收缩率而确定出组模方式、制壳参数、浇注参数、模壳材料选择等精铸参数，依据这些精铸参数设计叶轮型模和浇注型模；
步骤2. 根据设计要求，以压制蜡模的方式制作叶轮型模和浇注型模，将所制作叶轮型模的一端端面的轴心部位以填蜡方式堵实，以消除后续浇注过程中的环向厚大部位的密集缩孔、缩松缺陷；
将制作好的叶轮型模和浇注型模组树，具体参见图2和图3所示，叶轮型模2和浇注型模3的组树结构是，在两个叶轮型模2的堵实端面之间轴向连接浇注型模3的内浇道33，即使浇注型模3的内浇道33连接在叶轮型模2的堵实端面上，以此将两个叶轮型模2轴向连接在一起，再在内浇道33的中部通过直浇道32竖向举升浇口杯31，内浇道33与直浇道32的结合部位的底部设有缓冲半球34，浇口杯31与两侧叶轮型模2的内侧之间分别设有加强筋35，以此组成型模树；
步骤3. 在组好的型模树上进行陶瓷型壳制备，具体是：
首先，以粘度24s的氧化铝粉浆料+100目熔融石英细砂制得面层，熔融石英细砂以撒砂的方式粘附成型，若流道内部出现熔融石英细砂虚搭，禁止手动清理；
其次，以粘度18s的熔融石英粉浆料+100目熔融石英细砂制得第二层，熔融石英细砂以撒砂的方式粘附成型，若流道内部出现熔融石英细砂虚搭，禁止手动清理；
然后，以粘度18s的熔融石英粉浆料+46目熔融石英细砂依次制得第三至第七层，熔融石英细砂以撒砂的方式粘附成型，若流道内部出现熔融石英细砂虚搭，禁止手动清理；
以此在型模树上得陶瓷型壳；由陶瓷型壳的制备过程可见，本发明采用熔融石英砂制壳，其在不影响铸造缺陷控制时可以便于后序清壳；
步骤4. 焙烧、脱型模，得到具有符合窄流道闭式叶轮设计结构的浇注型腔的陶瓷型壳；
步骤5. 将陶瓷型壳预热，预热至1050℃；
将ZG2Cr13合金材料在1580℃的温度下浇注进预热好的陶瓷型壳的浇注型腔内；
冷却后脱壳，其中，窄流道区域的陶瓷型壳以碱煮方式去除；
得到符合设计结构的窄流道闭式叶轮的铸造坯件。
实施例2
本发明所针对的窄流道闭式叶轮主要由整体的前盖板、叶片和后盖板组成，前盖板、后盖板和相邻叶片之间构成窄间隙（例如7mm）的流道。本发明采用合金材料ZG2Cr13对设计结构的窄流道闭式叶轮进行精密铸造，包括下列步骤：
步骤1. 根据窄流道闭式叶轮的设计结构，通过数值模拟对设计结构叶轮进行分析而获得对应的铸造热节、收缩趋势及充型状态，从而确定出以叶轮流道中线面和叶轮轴线面的交点为收缩中心点，并确定出以收缩中心点进行X（为设计结构叶轮的轴向方向）、Y（为设计结构叶轮的径向）、Z（为设计结构叶轮的径向）三个方向缩尺调整的收缩率，通常X向的缩尺约为2%，Y向和Z向的缩尺分别约为1.2%；
依据收缩中心点和收缩率而确定出组模方式、制壳参数、浇注参数、模壳材料选择等精铸参数，依据这些精铸参数设计叶轮型模和浇注型模；
步骤2. 根据设计要求，以3D打印树脂模的方式制作叶轮型模和浇注型模，将所制作叶轮型模的一端端面的轴心部位以填蜡方式堵实，以消除后续浇注过程中的环向厚大部位的密集缩孔、缩松缺陷；
将制作好的叶轮型模和浇注型模组树，具体的，叶轮型模和浇注型模的组树结构是，在两个叶轮型模的堵实端面之间轴向连接浇注型模的内浇道，即使浇注型模的内浇道连接在叶轮型模的堵实端面上，以此将两个叶轮型模轴向连接在一起，再在内浇道的中部通过直浇道竖向举升浇口杯，内浇道与直浇道的结合部位的底部设有缓冲半球，浇口杯与两侧叶轮型模的内侧之间分别设有加强筋，以此组成型模树；
步骤3. 在组好的型模树上进行陶瓷型壳制备，具体是：
首先，以粘度22s的氧化铝粉浆料+100目熔融石英细砂制得面层，熔融石英细砂以撒砂的方式粘附成型，若流道内部出现熔融石英细砂虚搭，禁止手动清理；
其次，以粘度16s的熔融石英粉浆料+100目熔融石英细砂制得第二层，熔融石英细砂以撒砂的方式粘附成型，若流道内部出现熔融石英细砂虚搭，禁止手动清理；
然后，以粘度16s的熔融石英粉浆料+46目熔融石英细砂依次制得第三至第七层，熔融石英细砂以撒砂的方式粘附成型，若流道内部出现熔融石英细砂虚搭，禁止手动清理；
以此在型模树上得陶瓷型壳；由陶瓷型壳的制备过程可见，本发明采用熔融石英砂制壳，其在不影响铸造缺陷控制时可以便于后序清壳；
步骤4. 脱型模，得到具有符合窄流道闭式叶轮设计结构的浇注型腔的陶瓷型壳；
步骤5. 将陶瓷型壳预热，预热至1080℃；
将ZG2Cr13合金材料在1560℃的温度下浇注进预热好的陶瓷型壳的浇注型腔内；
冷却后脱壳，其中，窄流道区域的陶瓷型壳以碱煮方式去除；
得到符合设计结构的窄流道闭式叶轮的铸造坯件。
实施例3
本发明所针对的窄流道闭式叶轮主要由整体的前盖板、叶片和后盖板组成，前盖板、后盖板和相邻叶片之间构成窄间隙（例如7mm）的流道。本发明采用合金材料ZG2Cr13对设计结构的窄流道闭式叶轮进行精密铸造，包括下列步骤：
步骤1. 根据窄流道闭式叶轮的设计结构，通过数值模拟对设计结构叶轮进行分析而获得对应的铸造热节、收缩趋势及充型状态，从而确定出以叶轮流道中线面和叶轮轴线面的交点为收缩中心点，并确定出以收缩中心点进行X（为设计结构叶轮的轴向方向）、Y（为设计结构叶轮的径向）、Z（为设计结构叶轮的径向）三个方向缩尺调整的收缩率，通常X向的缩尺约为2%，Y向和Z向的缩尺分别约为1.2%；
依据收缩中心点和收缩率而确定出组模方式、制壳参数、浇注参数、模壳材料选择等精铸参数，依据这些精铸参数设计叶轮型模和浇注型模；
步骤2. 根据设计要求，以压制蜡模的方式制作叶轮型模和浇注型模，将所制作叶轮型模的一端端面的轴心部位以填蜡方式堵实，以消除后续浇注过程中的环向厚大部位的密集缩孔、缩松缺陷；
将制作好的叶轮型模和浇注型模组树，具体的，叶轮型模和浇注型模的组树结构是，在两个叶轮型模的堵实端面之间轴向连接浇注型模的内浇道，即使浇注型模的内浇道连接在叶轮型模的堵实端面上，以此将两个叶轮型模轴向连接在一起，再在内浇道的中部通过直浇道竖向举升浇口杯，内浇道与直浇道的结合部位的底部设有缓冲半球，浇口杯与两侧内浇道的端部之间分别设有加强筋，以此组成型模树；
步骤3. 在组好的型模树上进行陶瓷型壳制备，具体是：
首先，以粘度26s的氧化铝粉浆料+100目熔融石英细砂制得面层，熔融石英细砂以撒砂的方式粘附成型，若流道内部出现熔融石英细砂虚搭，禁止手动清理；
其次，以粘度20s的熔融石英粉浆料+100目熔融石英细砂制得第二层，熔融石英细砂以撒砂的方式粘附成型，若流道内部出现熔融石英细砂虚搭，禁止手动清理；
然后，以粘度20s的熔融石英粉浆料+46目熔融石英细砂依次制得第三至第七层，熔融石英细砂以撒砂的方式粘附成型，若流道内部出现熔融石英细砂虚搭，禁止手动清理；
以此在型模树上得陶瓷型壳；由陶瓷型壳的制备过程可见，本发明采用熔融石英砂制壳，其在不影响铸造缺陷控制时可以便于后序清壳；
步骤4. 焙烧、脱型模，得到具有符合窄流道闭式叶轮设计结构的浇注型腔的陶瓷型壳；
步骤5. 将陶瓷型壳预热，预热至1100℃；
将ZG2Cr13合金材料在1600℃的温度下浇注进预热好的陶瓷型壳的浇注型腔内；
冷却后脱壳，其中，窄流道区域的陶瓷型壳以碱煮方式去除；
得到符合设计结构的窄流道闭式叶轮的铸造坯件。
实施例4
本发明所针对的窄流道闭式叶轮主要由整体的前盖板、叶片和后盖板组成，前盖板、后盖板和相邻叶片之间构成窄间隙（例如7mm）的流道。本发明采用合金材料ZG2Cr13对设计结构的窄流道闭式叶轮进行精密铸造，包括下列步骤：
步骤1. 根据窄流道闭式叶轮的设计结构，通过数值模拟对设计结构叶轮进行分析而获得对应的铸造热节、收缩趋势及充型状态，从而确定出以叶轮流道中线面和叶轮轴线面的交点为收缩中心点，并确定出以收缩中心点进行X（为设计结构叶轮的轴向方向）、Y（为设计结构叶轮的径向）、Z（为设计结构叶轮的径向）三个方向缩尺调整的收缩率，通常X向的缩尺约为2%，Y向和Z向的缩尺分别约为1.2%；
依据收缩中心点和收缩率而确定出组模方式、制壳参数、浇注参数、模壳材料选择等精铸参数，依据这些精铸参数设计叶轮型模和浇注型模；
步骤2. 根据设计要求，以压制蜡模的方式制作叶轮型模和浇注型模，将所制作叶轮型模的一端端面的轴心部位以填蜡方式堵实，以消除后续浇注过程中的环向厚大部位的密集缩孔、缩松缺陷；
将制作好的叶轮型模和浇注型模组树，具体的，叶轮型模和浇注型模的组树结构是，在叶轮型模的堵实端面上轴向连接浇注型模的直浇道，使浇注型模的直浇道在叶轮型模的堵实端面上竖立，再在直浇道上竖向举升浇口杯，以此组成型模树；
步骤3. 在组好的型模树上进行陶瓷型壳制备，具体是：
首先，以粘度24s的氧化铝粉浆料+100目熔融石英细砂制得面层，熔融石英细砂以撒砂的方式粘附成型，若流道内部出现熔融石英细砂虚搭，禁止手动清理；
其次，以粘度18s的熔融石英粉浆料+100目熔融石英细砂制得第二层，熔融石英细砂以撒砂的方式粘附成型，若流道内部出现熔融石英细砂虚搭，禁止手动清理；
然后，以粘度18s的熔融石英粉浆料+46目熔融石英细砂依次制得第三至第七层，熔融石英细砂以撒砂的方式粘附成型，若流道内部出现熔融石英细砂虚搭，禁止手动清理；
以此在型模树上得陶瓷型壳；由陶瓷型壳的制备过程可见，本发明采用熔融石英砂制壳，其在不影响铸造缺陷控制时可以便于后序清壳；
步骤4. 焙烧、脱型模，得到具有符合窄流道闭式叶轮设计结构的浇注型腔的陶瓷型壳；
步骤5. 将陶瓷型壳预热，预热至1065℃；
将ZG2Cr13合金材料在1590℃的温度下浇注进预热好的陶瓷型壳的浇注型腔内；
冷却后脱壳，其中，窄流道区域的陶瓷型壳以碱煮方式去除；
得到符合设计结构的窄流道闭式叶轮的铸造坯件。
以上各实施例仅用以说明本发明，而非对其限制；尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：本发明依然可以对上述各实施例中的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种窄流道闭式叶轮精铸方法，其特征在于，所述精铸方法包括下列步骤：
步骤1. 根据窄流道闭式叶轮的设计结构，设计叶轮型模和浇注型模；
步骤2. 根据设计要求制作叶轮型模和浇注型模，将所制作叶轮型模的一端端面的轴心部位以填蜡方式堵实；将制作好的叶轮型模和浇注型模组树，使浇注型模的浇道连接在叶轮型模的堵实端面上；
步骤3. 在组好的型模树上进行陶瓷型壳制备，具体是，首先以粘度22～26s的氧化铝粉浆料+100目熔融石英细砂制得面层，其次以粘度16～20s的熔融石英粉浆料+100目熔融石英细砂制得第二层，然后以粘度16～20s的熔融石英粉浆料+46目熔融石英细砂依次制得第三至第七层，以此在型模树上得陶瓷型壳；
步骤4. 脱型模，得到具有符合窄流道闭式叶轮设计结构的浇注型腔的陶瓷型壳；
步骤5. 将陶瓷型壳预热；采用合金材料对陶瓷型壳的浇注型腔进行浇注；冷却后脱壳，其中窄流道区域的陶瓷型壳以碱煮方式去除，得叶轮的铸造坯件。
2.根据权利要求1所述窄流道闭式叶轮精铸方法，其特征在于，步骤5中的合金材料为ZG2Cr13，所述ZG2Cr13合金材料的浇注工艺为，先将陶瓷型壳预热至1050～1100℃，再将ZG2Cr13材料在1560～1600℃的温度下浇注。
3.根据权利要求1所述窄流道闭式叶轮精铸方法，其特征在于，步骤3中的陶瓷型壳制备过程中，熔融石英细砂以撒砂的方式粘附成型。
4.根据权利要求1所述窄流道闭式叶轮精铸方法，其特征在于，步骤2中的叶轮型模和浇注型模是以压制蜡模的方式成型；或者，步骤2中的叶轮型模和浇注型模是以3D打印树脂模的方式成型。
5.根据权利要求1或4所述窄流道闭式叶轮精铸方法，其特征在于，步骤2中的叶轮型模和浇注型模的组树结构是，在两个叶轮型模的堵实端面之间轴向连接浇注型模的内浇道，在所述内浇道的中部通过直浇道竖向举升浇口杯，以此组成型模树。
6.根据权利要求5所述窄流道闭式叶轮精铸方法，其特征在于，所述浇口杯与两侧叶轮型模之间分别设有加强筋；或者，所述浇口杯与两侧内浇道的端部之间分别设有加强筋。
7.根据权利要求5所述窄流道闭式叶轮精铸方法，其特征在于，所述内浇道与直浇道结合部位的底部设有缓冲半球。
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