CN108326236A - 一种轮体整体精密铸造方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及精密铸造和材料制备领域，具体为一种轮体整体精密铸造方法及其应用。首先压制蜡件，接着组焊蜡型，而后在一定的温湿度条件下，按特定的制壳工艺参数制备型壳的面层和背层，最后按特定的铸造工艺参数在真空下浇注成型，并在热处理炉中随炉冷到室温。本发明是一次性将轮体整体铸造出来，彻底摆脱以往组合式轮体的焊接工序，除了少量的机械加工外，其它所有部位都不需要任何额外的加工，不仅可以保证不锈钢材料的成分、组织与性能的均匀一致性，而且可以保证轮体的静质量平衡与动质量平衡，提高轮体的使用寿命与安全可靠性，具有长远的应用前景。此外，该技术显著缩短制造周期，降低成本，具有较高的经济效益。

Description

一种轮体整体精密铸造方法及其应用

技术领域：

本发明涉及精密铸造和材料制备领域，具体为一种轮体整体精密铸造方法及其应用。

背景技术：

轮体类零件在航天科技领域应用广泛，是航天器姿态控制系统和储能装置的核心部件，是决定飞行产品寿命和可靠性的关键因素。轮体在运动过程中，承受高速旋转造成的巨大的离心力、剪切力、拉压应力以及振动和偏摆等作用，这就要求飞轮具有足够的刚度和转动惯量、较高的强度和抵抗变形的能力。如果轮体结构强度低，就容易因各种应力作用导致轮体内微裂纹的萌生和扩展，尤其当轮体各部分之间的连接区和转接区的性能达不到使用要求时，就会导致轮体变形，裂纹产生，甚至开裂。

自1957年人类第一颗人造卫星诞生以来，航天技术飞速发展，轮体在材料和制备技术等方面不断改进和更新。早期的飞行器结构简单，所用的材料主要是木材、布和绳索等，采用嵌锁、编织等工艺制备。后来使用钢铁、铝合金和镁合金等，采用切割、嵌锁组装、焊接等工艺制备。但是存在不可避免的构造缺陷，使其难以满足航天器不断发展的更强、更快、更准、更远的要求。

目前，轮体类产品还都使用组合式轮体，尤其是大型轮体类零件(直径0.5～1mm)，采用轮辐式结构，主要由轮缘、轮辐、轮毂等部分组成，它们之间是通过焊接技术组合在一起的。但在使用时经常出现焊接接头过早失效、轮体变形和开裂等问题，至今没有彻底解决。

近年来，随着精密铸造技术在航天领域上的成功应用，使轮体整体铸造成型成为可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轮体整体精密铸造方法及其应用，该方法一次成型，工序短，成本低，适用于所有金属材料的轮体类零件。

本发明的技术方案是：

一种轮体整体精密铸造方法，包括如下步骤：

(1)对蜡件进行变形控制：设计出冷蜡筋，并在模具中固定，用来抑制轮缘部位产生凹鼓变形，压制环形蜡件；

(2)组焊蜡型：在室温下，将浇注系统组焊到蜡件上，形成蜡型模组；组合时间在12～48h范围内，进入到制壳工序前放置时间不超过72h；

(3)制备型壳的面层和背层，总层数7～10层；

(4)型壳在真空下浇注成型，并在500～800℃的热处理炉中随炉冷到室温。

所述的轮体整体精密铸造方法，压制环形蜡件前，在模具中固定冷蜡筋，冷蜡筋为圆弧形，内圈直径为845mm，厚度3～7mm。

所述的轮体整体精密铸造方法，压制环形蜡件时，压蜡温度75～82℃，压力2.5～3.5MPa，保压时间150～300s。

所述的轮体整体精密铸造方法，环形蜡件取出后，立即放入室温下的水池中20～30分钟，水温与室温之间相差值≤3℃。

所述的轮体整体精密铸造方法，组焊后的蜡型模组在温度22～24℃、湿度40～60％的环境下制备型壳。

所述的轮体整体精密铸造方法，型壳面层粘度28～36s，光洁度≤2.0μm，面层层数1～3层。

所述的轮体整体精密铸造方法，型壳背层粘度10～20s，强度1～3MPa，层数5～7层。

所述的轮体整体精密铸造方法，浇注成型在真空炉中进行，浇注温度在1550～1650℃，浇注时间6～9s。

所述的轮体整体精密铸造方法，型壳静置5～15分钟后移出真空炉，型壳移出真空炉后，立即放入500～800℃的热处理炉中，随炉冷却到室温。

所述的轮体整体精密铸造方法的应用，该方法适用于所有金属材料的轮体类零件。

本发明的设计思想是：

本发明受到近年来先进精密铸造技术能够获得直接应用或接近应用的零件表面的启发而设计出来的。该发明是将一个轮体整体铸造出来，不需要焊接、铆合等其它工序，不像以前，需要将各部分分别制造出来，再组合在一起。它是一种一次性净近成型过程，除了少量的机械加工外，其它所有部位都不需要任何额外的加工。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明轮体整体精密铸造技术，解决组合式轮体在工程应用中发生的失效、轮体变形和开裂等问题。

2.本发明采用精密铸造技术将轮体整体铸造出来，除了少量的机械加工外，其它所有部位都不需要任何额外的加工。不仅可以保证不锈钢材料的成分、组织与性能的均匀一致性，而且可以保证轮体的静质量平衡与动质量平衡，提高轮体的使用寿命与安全可靠性，具有长远的应用前景。

3.本发明轮体整体精密铸造技术，该技术彻底摆脱焊接工序，显著缩短制造周期，降低成本，具有较高的经济效益。

附图说明：

图1为一种不锈钢轮体的：(a)模型图像；(b)内部结构和尺寸；(c)蜡型形貌。

图2为一种不锈钢轮体的：(a)浇注系统结构的主视图；(b)浇注系统结构的俯视图；(c)内浇道蜡型；(d)横浇道蜡型；(e)组合上浇注系统的蜡型。

图3为一种不锈钢轮体型壳的形貌。

图4为一种整铸的不锈钢轮体形貌。

图5为一种整铸的不锈钢轮体的组织形貌；其中，(a)低倍；(b)高倍。

图6为一种锻造的组合式不锈钢轮体的组织形貌；其中，(a)低倍；(b)高倍。

具体实施方式：

在具体实施过程中，不锈钢轮体的形状和尺寸如图1(a)所示，不锈钢轮体的直径为1m，最薄处为轮辐，壁厚仅为0.8mm；最厚处为轮毂，壁厚20mm；轮缘处壁厚为15mm，如图1(b)所示。其整体精密铸造技术过程如下：

首先对蜡件进行变形控制：设计出冷蜡筋，并在模具中固定，用来抑制轮缘部位产生凹鼓变形，按特定的压蜡工艺参数压制蜡件。然后组焊蜡型：将浇注系统组合到蜡件上，组合时间在12～48h范围内，进入到制壳工序前放置时间不超过72h，而后在一定的温湿度条件下，按特定的制壳工艺参数制备型壳的面层和背层，总层数7～10层。最后按特定的铸造工艺参数在真空下浇注成型，并在500～800℃的热处理炉中随炉冷到室温。

下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。

实施例1

本实施例中，按照本发明技术方案中所描述的方法制备整体式轮体。首先在模具中放置冷蜡筋，其内圈直径为845mm，厚度3mm。接着在压蜡温度82℃，压力3.1MPa，保压时间180s的工艺条件下压制蜡件，取出后放入室温下水池中23分钟后(水温22℃、室温24℃)，取出蜡件，放到校正胎上备用，如图1(c)所示。然后将浇注系统组合到蜡件上，组合时间28h，组合后放置28h进入到制壳工序，浇注系统结构与形状见图2(a)和(b)，内浇道形状见图2(c)，横浇道形状见图2(d)，组合后的模组见图2(e)。而后在温度24℃、湿度55％的环境下制备型壳，使用5号流量杯测量面层和背层粘度，分别为32.1s和15.8s，面层和背层分别涂制3层和5层，型壳形貌见图3。最后在浇温为1550℃时，7s浇注完毕，静置10分钟后在800℃的热处理炉中随炉冷到室温，制备的铸件见图4。

如图5(a)和(b)所示，锻造组织为奥氏体，其上分布锻造过程中形成的亚结构组织，晶界上分布块状的碳化物。如图6(a)和(b)所示，铸件组织也为奥氏体，晶界上也分布块状的碳化物。从表1整铸不锈钢轮体和锻造的组合式不锈钢轮体的力学性能与技术标准的对比可以看出，二者的主要差别是铸造的奥氏体晶粒较为细小，在室温拉伸性能上比锻造的有所提高。同时，从表1整铸不锈钢轮体的表面光洁度可以看出，整体铸造轮体各部分的表面光洁度较高，满足轮体的表观质量要求。

表1

表2

表面光洁度μm	测量点1	测量点2	测量点3	测量点4	测量点5
						轮缘	0.65	1.06	1.08	1.12	0.91
轮辐	0.86	0.95	0.87	0.88	0.69
						轮毂	0.76	0.91	0.79	0.98	1.06

实施例2

本实施例中，按照本发明技术方案中所描述的方法制备整体式轮体。首先在模具中放置冷蜡筋，其内圈直径为845mm，厚度5mm。接着在压蜡温度79℃，压力3.1MPa，保压时间300s的工艺条件下压制蜡件，取出后放入室温下水池中26分钟后(水温21℃、室温24℃)，取出蜡件，放到校正胎上备用。然后将浇注系统组合到蜡件上，组合时间31h，组合后放置24h进入到制壳工序。而后在温度22℃、湿度50％的环境下制备型壳，使用5号流量杯测量面层和背层粘度，分别为28.8s和12.5s，面层和背层分别涂制2层和7层。最后在浇温为1580℃时，6s浇注完毕，静置10分钟后在800℃的热处理炉中随炉冷到室温，制备的铸件满足轮体的技术标准要求。

实施例3

本实施例中，按照本发明技术方案中所描述的方法制备整体式轮体。首先在模具中放置冷蜡筋，其内圈直径为845mm，厚度7mm。接着在压蜡温度75℃，压力2.5MPa，保压时间150s的工艺条件下压制蜡件，取出后放入室温下水池中20分钟后(水温21℃、室温23℃)，取出蜡件，放到校正胎上备用。然后将浇注系统组合到蜡件上，组合时间46h，组合后放置24h进入到制壳工序。而后在温度24℃、湿度45.5％的环境下制备型壳，使用5号流量杯测量面层和背层粘度，分别为30.9s和19.5s，面层和背层分别涂制1层和9层。最后在浇温为1650℃时，10s浇注完毕，静置10分钟后在800℃的热处理炉中随炉冷到室温。制备的铸件满足轮体的技术标准要求。

实施例结果表明，本发明轮体整体精密铸造技术及其应用，通过压制蜡件、组焊蜡型、制备型壳、浇注成型等工序，将轮体一次性整体铸造出来，彻底摆脱以往组合式轮体的焊接工序，除了少量的机械加工外，其它所有部位都不需要任何额外的加工。该技术制备的零件满足轮体的技术标准要求，不仅可以保证不锈钢材料的成分、组织与性能的均匀一致性，而且可以保证轮体的静质量平衡与动质量平衡，提高轮体的使用寿命与安全可靠性，具有长远的应用前景和较高的经济价值，适用于所有金属材料的轮体类零件。

Claims (10)

1.一种轮体整体精密铸造方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对蜡件进行变形控制：设计出冷蜡筋，并在模具中固定，用来抑制轮缘部位产生凹鼓变形，压制环形蜡件；

(2)组焊蜡型：在室温下，将浇注系统组焊到蜡件上，形成蜡型模组；组合时间在12～48h范围内，进入到制壳工序前放置时间不超过72h；

(3)制备型壳的面层和背层，总层数7～10层；

(4)型壳在真空下浇注成型，并在500～800℃的热处理炉中随炉冷到室温。

2.按照权利要求1所述的轮体整体精密铸造方法，其特征在于，压制环形蜡件前，在模具中固定冷蜡筋，冷蜡筋为圆弧形，内圈直径为845mm，厚度3～7mm。

3.按照权利要求1所述的轮体整体精密铸造方法，其特征在于，压制环形蜡件时，压蜡温度75～82℃，压力2.5～3.5MPa，保压时间150～300s。

4.按照权利要求3所述的轮体整体精密铸造方法，其特征在于，环形蜡件取出后，立即放入室温下的水池中20～30分钟，水温与室温之间相差值≤3℃。

5.按照权利要求1所述的轮体整体精密铸造方法，其特征在于，组焊后的蜡型模组在温度22～24℃、湿度40～60％的环境下制备型壳。

6.按照权利要求1或5所述的轮体整体精密铸造方法，其特征在于，型壳面层粘度28～36s，光洁度≤2.0μm，面层层数1～3层。

7.按照权利要求1或5所述的轮体整体精密铸造方法，其特征在于，型壳背层粘度10～20s，强度1～3MPa，层数5～7层。

8.按照权利要求1所述的轮体整体精密铸造方法，其特征在于，浇注成型在真空炉中进行，浇注温度在1550～1650℃，浇注时间6～9s。

9.按照权利要求8所述的轮体整体精密铸造方法，其特征在于，型壳静置5～15分钟后移出真空炉，型壳移出真空炉后，立即放入500～800℃的热处理炉中，随炉冷却到室温。

10.一种权利要求1至9之一所述的轮体整体精密铸造方法的应用，其特征在于，该方法适用于所有金属材料的轮体类零件。