CN108817315A - 一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法 - Google Patents

一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法 Download PDF

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王琳
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吴晓明
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Abstract

一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，涉及熔模精密铸造技术领域；包括如下步骤：步骤(一)、制作6个相同的分体式水溶假芯；步骤(二)、对分体式水溶假芯进行压制处理；步骤(三)、将6个压制后的分体式水溶假芯装入组芯工装，进行组合装配，获得整体式水溶假芯；步骤(四)、对整体式水溶假芯外表面进行压制形成整体式水溶芯蜡模；步骤(五)、将整体式水溶芯蜡模中的整体式水溶假芯水解；步骤(六)、对整体式水溶芯蜡模进行制壳；步骤(七)、将制壳后的整体式水溶芯蜡模依次进行脱蜡、焙烧处理，获得脱蜡后的型壳；步骤(八)、对型壳进行熔炼浇注处理，最终成型；本发明解决了狭窄内腔结构叶轮的批量生产及精准化制作难题。

Description

一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法
技术领域
本发明涉及一种熔模精密铸造技术领域，特别是一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法。
背景技术
涡轮泵是泵压式液体火箭发动机系统的“心脏”，担负着向发动机推力室主系统、燃气发生器等副系统输送高压推进剂的重任，直接影响发动机的性能高低。其中闭式离心轮是涡轮泵的关键零件，直接影响涡轮泵的工作效率及扬程。当前闭式叶轮制造方法有熔模精密铸造、电火花加工、数控铣削整体加工等方法。
闭式叶轮由中柱、上盖板、下盖板、长叶片、短叶片组成，其中叶片呈三维扭曲结构，出口端叶片开口尺寸小，流道结构复杂。数控铣削叶片时，易产生刀具干涉，加工难度极大。电火花加工时，加工路径为空间复杂曲线，数控加工程序的编制与校验复杂，加工轨迹不易确定，其次需反复更换电极，制造成本高，生产效率低。熔模精密铸造是一种应用广泛的净近成形技术，不受产品材料、结构限制，生产效率高，成本远低于数控铣削、电火花加工，故在高精度、复杂结构零件制造领域呈现巨大的应用前景。
熔模精密铸造工艺中，蜡模制造是整个工艺技术控制的核心部分和关键环节，直接影响产品的表面质量、尺寸精度和生产周期。传统叶轮蜡模制备技术主要分为激光选区烧结快速成形技术、整体熔模压型成形技术以及陶瓷芯复合成形技术。激光选区烧结快速成形技术因激光烧结时不均匀温度场，导致表面存在分层扫描时形成的台阶，表面质量差，无法满足叶片表面设计要求。整体熔模压型成形技术则因叶片开口的限制，金属型芯抽拔困难。陶瓷复合成形技术则因叶片厚度、结构限制，长叶片易变形扭曲，成形难度极大。三种技术均存在客观条件限制，难以实现狭小内腔叶轮成形。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，解决了狭窄内腔结构叶轮的批量生产及精准化制作难题。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，包括如下步骤：
步骤(一)、制作6个相同的分体式水溶假芯；
步骤(二)、对分体式水溶假芯进行压制处理；
步骤(三)、重复步骤(二)，获得6个压制后的分体式水溶假芯；将6个压制后的分体式水溶假芯装入组芯工装，进行组合装配，获得整体式水溶假芯；
步骤(四)、对整体式水溶假芯外表面进行压制形成整体式水溶芯蜡模；
步骤(五)、将整体式水溶芯蜡模中的整体式水溶假芯水解；
步骤(六)、采用硅溶胶制壳工艺对整体式水溶芯蜡模进行制壳；
步骤(七)、将制壳后的整体式水溶芯蜡模依次进行脱蜡、焙烧处理，获得型壳；
步骤(八)、对型壳进行熔炼浇注处理，最终成型。
在上述的一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，所述步骤(一)中，所述分体式水溶假芯采用蜡材料。
在上述的一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，所述步骤(二)中，对分体式水溶芯模具进行压制处理的方法为：将分体式水溶芯模具水平放置，采用50吨IP50DC压蜡机对分体式水溶芯模具进行压制处理；分体式水溶芯模具上表面和下表面的加热温度均为35-40℃；化蜡温度为75～80℃；保温温度为68-72℃；保温时间不小于8h；射蜡温度为66-70℃；射蜡压力为3.45-3.55MPa；保压时间为30s；冷却时间为5min。
在上述的一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，所述步骤(三)中，6个分体式水溶假芯进行组合装配的方法为：
S1：在圆盘(27)的上表面同心固定安装定位环(26)；
S2：将6个压制后的分体式水溶假芯呈环形放置在定位环(26)的定位槽内；
S3：在定位环(26)的上表面，6个压制后的分体式水溶假芯的环状外侧，对应插入定位销(25)，紧固六角螺钉(24)；
S4：将卡环(23)箍紧6个分体式水溶假芯的中柱；从上至下将定位导柱(22)插入卡环(23)的上表面的中心位置；旋紧定位导柱(22)上的六角螺钉(21)；
S5：用砂纸打磨相邻2个分体式水溶假芯上表面的突起处；
S6：吹除表面蜡屑，获得整体式水溶假芯。
在上述的一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，所述步骤(四)中，对整体式水溶假芯外形进行压制形成整体式水溶芯蜡模的方法为：
采用IP99DC压蜡机进行压制；化蜡温度为75～80℃；保温温度为73-77℃；保温时间不小于8h；射蜡温度为65-69℃；射蜡压力为3-4MPa；射蜡时间为60s；保压时间为300s；冷却时间为10min。
在上述的一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，所述步骤(五)中，水解整体式水溶假芯的方法为：
配制质量分数为10％的，柠檬酸纯度为99％的柠檬酸溶液；将整体式水溶芯蜡模浸入柠檬酸溶液中，每隔三小时改变蜡模位置；环境温度为19-25℃；环境湿度为40-70％。
在上述的一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，所述步骤(六)、对整体式水溶芯蜡模进行制壳时，层数为8层；硅溶胶粘度为38-55s；第一层和第二层的砂粒目数为80/100目；第三层和第四层的砂粒目数为40/60目；第五层和第八层的砂粒目数为20/40目；第一层干燥时间为36-42h；第二层至第八层干燥时间为22～26h；第九层的封浆时间为不小于≥48h。
在上述的一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，所述步骤(七)中，对制壳后的整体式水溶芯蜡模进行脱蜡处理时，脱蜡温度为160-180℃；保压压力为0.55-0.70MPa；保压时间为8-12min；焙烧温度为980-1020℃；焙烧时间不小于4h。
在上述的一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，所述步骤(八)中，选用50kg熔炼炉对型壳进行熔炼浇注处理；浇注温度为1490-1500℃；浇注时间为5-10s。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明提供了一种更为可靠、廉价的技术方案，与电火花、铣削加工相比，无需复杂刀具、夹具，极大缩短制作周期，成本明显降低；
(2)本发明生产的叶轮尺寸精度可控制在CT7以内，满足设计要求，表面粗糙度可达到6.3μm，无需磨粒流、三元振动等表面光整处理即可满足设计要求。与传统制模工艺CT8的尺寸精度以及6.3μm以上的表面粗糙度相比，铸件尺寸精度、稳定性以及生产效率明显提高。其次分体式水溶芯成形方案克服了开口尺寸的限制，彻底解决了狭窄内腔结构叶轮的批量生产及精准化制作难题；
(3)本发明与传统制模工艺(激光选区烧结工艺、陶瓷复合成形工艺)相比，无有害气体(PSB模料高温分解时的一氧化碳气体)及有毒液体(陶芯化学去除时的氰化物)产生，符合环保要求。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明分体式水溶假芯结构示意图；
图3为本发明整体式水溶假芯结构示意图；
图4为本发明分体式水溶假芯组合装配俯视图；
图5为本发明分体式水溶假芯组合装配侧视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供了一种分体式水溶芯复合成形技术，这是一种预先用水溶蜡成形产品特殊结构部位的假芯，组合装配后完成外形压制，采用一定手段去除假芯后获得与铸件结构一致的蜡模成形工艺。
基于分体-组合制造理念，以叶轮轴向中心线为基准，均分叶片型腔区域，分步成形型腔假芯，借助定位系统，实现分体假芯的精确重组。分体式假芯成形方案消除了厚大、扭曲部位的收缩变形，克服了叶片开口尺寸小的成形限制，解决了复杂狭窄扭曲内腔结构叶轮蜡模的制作难题，其次组芯工装、定位芯头等多形式定位系统的合理应用，减小了装配过程尺寸波动，实现了蜡模的高效、精准、快速成形。
如图1所示为流程示意图，由图可知，一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，包括如下步骤：
步骤(一)、制作6个相同的分体式水溶假芯；分体式水溶假芯采用蜡材料，结构如图2所示。
步骤(二)、对分体式水溶假芯进行压制处理；对分体式水溶芯模具进行压制处理的方法为：将分体式水溶芯模具水平放置，采用50吨IP50DC压蜡机对分体式水溶芯模具进行压制处理；分体式水溶芯模具上表面和下表面的加热温度均为35-40℃；化蜡温度为75～80℃；保温温度为68-72℃；保温时间不小于8h；射蜡温度为66-70℃；射蜡压力为3.45-3.55MPa；保压时间为30s；冷却时间为5min。
对分体式水溶假芯进行精修，精修部位包括：a、用刀片切除水溶芯上定位芯头12残留蜡道，与金属芯头端面齐平，b、用刀片刃边刮除水溶芯长、短叶片部位分模线、叶片活块11、下定位芯头15处批缝，c、去除下模活块转轴产生的凸起。
步骤(三)、重复步骤(二)，获得6个压制后的分体式水溶假芯；将6个压制后的分体式水溶假芯装入组芯工装，进行组合装配，获得整体式水溶假芯；
6个分体式水溶假芯进行组合装配的方法为：
S1：在圆盘27的上表面同心固定安装定位环26；
S2：将6个压制后的分体式水溶假芯呈环形放置在定位环26的定位槽内；
S3：在定位环26的上表面，6个压制后的分体式水溶假芯的环状外侧，对应插入定位销25，紧固六角螺钉24；
S4：将卡环23箍紧6个分体式水溶假芯的中柱；从上至下将定位导柱22插入卡环23的上表面的中心位置；旋紧定位导柱22上的六角螺钉21；
S5：用砂纸打磨相邻2个分体式水溶假芯上表面的突起处；
S6：吹除表面蜡屑，获得整体式水溶假芯；整体式水溶假芯结构如图3所示。
步骤(四)、对整体式水溶假芯外表面进行压制形成整体式水溶芯蜡模；对整体式水溶假芯外形进行压制形成整体式水溶芯蜡模的方法为：
采用IP99DC压蜡机进行压制；化蜡温度为75～80℃；保温温度为73-77℃；保温时间不小于8h；射蜡温度为65-69℃；射蜡压力为3-4MPa；射蜡时间为60s；保压时间为300s；冷却时间为10min。
步骤(五)、将整体式水溶芯蜡模中的整体式水溶假芯水解；水解整体式水溶假芯的方法为：
配制质量分数为10％的，柠檬酸纯度为99％的柠檬酸溶液；将整体式水溶芯蜡模浸入柠檬酸溶液中，每隔三小时改变蜡模位置；环境温度为19-25℃；环境湿度为40-70％。
进行蜡模精修
蜡模精修步骤包括：a、用刀片刃口去除蜡模残留飞边或批缝，小飞边可直接擦除，b、用蜂蜡修复蜡模凹处，修补位置打磨光滑，c、挑破表面气泡，用蜂蜡修复凹陷，d、压缩空气吹除表面蜡屑。
步骤(六)、采用硅溶胶制壳工艺对整体式水溶芯蜡模进行制壳；对整体式水溶芯蜡模进行制壳时，层数为8层；硅溶胶粘度为38-55s；第一层和第二层的砂粒目数为80/100目；第三层和第四层的砂粒目数为40/60目；第五层和第八层的砂粒目数为20/40目；第一层干燥时间为36-42h；第二层至第八层干燥时间为22～26h；第九层的封浆时间为不小于≥48h。
步骤(七)、将制壳后的整体式水溶芯蜡模依次进行脱蜡、焙烧处理，获得型壳；对制壳后的整体式水溶芯蜡模进行脱蜡处理时，脱蜡温度为160-180℃；保压压力为0.55-0.70MPa；保压时间为8-12min；焙烧温度为980-1020℃；焙烧时间不小于4h。
步骤(八)、对型壳进行熔炼浇注处理，选用50kg熔炼炉对型壳进行熔炼浇注处理；浇注温度为1490-1500℃；浇注时间为5-10s，待铸件冷却后进行后处理。后处理工序包括：落壳、打磨精修、吹砂、热处理、内部质量检查、表面质量检查以及尺寸检查等工序。最终成型。
本发明为实现高转动、大扭曲、复杂内腔叶轮成形提供了一种更为可靠、经济的技术方案，解决了狭窄内腔结构叶轮的批量生产及精准化制作难题。呈现以下特点：(1)与电火花、铣削加工相比，无需复杂刀具、夹具，极大缩短制作周。(2)铸件尺寸精度高，表面粗糙度满足设计要求，可直接使用，无需磨粒流、三元振动等表面光整处理，提高了铸件尺寸稳定性以及生产效率，为产品的批量化生产奠定了基础。(3)与传统制模工艺相比，无有毒气体、液体产生，符合环保要求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(一)、制作6个相同的分体式水溶假芯；
步骤(二)、对分体式水溶假芯进行压制处理；
步骤(三)、重复步骤(二)，获得6个压制后的分体式水溶假芯；将6个压制后的分体式水溶假芯装入组芯工装，进行组合装配，获得整体式水溶假芯；
步骤(四)、对整体式水溶假芯外表面进行压制形成整体式水溶芯蜡模；
步骤(五)、将整体式水溶芯蜡模中的整体式水溶假芯水解；
步骤(六)、采用硅溶胶制壳工艺对整体式水溶芯蜡模进行制壳；
步骤(七)、将制壳后的整体式水溶芯蜡模依次进行脱蜡、焙烧处理，获得型壳；
步骤(八)、对型壳进行熔炼浇注处理，最终成型。
2.根据权利要求1所述的一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，其特征在于：所述步骤(一)中，所述分体式水溶假芯采用蜡材料。
3.根据权利要求2所述的一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，其特征在于：所述步骤(二)中，对分体式水溶芯模具进行压制处理的方法为：将分体式水溶芯模具水平放置，采用50吨IP50DC压蜡机对分体式水溶芯模具进行压制处理；分体式水溶芯模具上表面和下表面的加热温度均为35-40℃；化蜡温度为75～80℃；保温温度为68-72℃；保温时间不小于8h；射蜡温度为66-70℃；射蜡压力为3.45-3.55MPa；保压时间为30s；冷却时间为5min。
4.根据权利要求3所述的一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，其特征在于：所述步骤(三)中，6个分体式水溶假芯进行组合装配的方法为：
S1：在圆盘(27)的上表面同心固定安装定位环(26)；
S2：将6个压制后的分体式水溶假芯呈环形放置在定位环(26)的定位槽内；
S3：在定位环(26)的上表面，6个压制后的分体式水溶假芯的环状外侧，对应插入定位销(25)，紧固六角螺钉(24)；
S4：将卡环(23)箍紧6个分体式水溶假芯的中柱；从上至下将定位导柱(22)插入卡环(23)的上表面的中心位置；旋紧定位导柱(22)上的六角螺钉(21)；
S5：用砂纸打磨相邻2个分体式水溶假芯上表面的突起处；
S6：吹除表面蜡屑，获得整体式水溶假芯。
5.根据权利要求4所述的一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，其特征在于：所述步骤(四)中，对整体式水溶假芯外形进行压制形成整体式水溶芯蜡模的方法为：
采用IP99DC压蜡机进行压制；化蜡温度为75～80℃；保温温度为73-77℃；保温时间不小于8h；射蜡温度为65-69℃；射蜡压力为3-4MPa；射蜡时间为60s；保压时间为300s；冷却时间为10min。
6.根据权利要求5所述的一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，其特征在于：所述步骤(五)中，水解整体式水溶假芯的方法为：
配制质量分数为10％的，柠檬酸纯度为99％的柠檬酸溶液；将整体式水溶芯蜡模浸入柠檬酸溶液中，每隔三小时改变蜡模位置；环境温度为19-25℃；环境湿度为40-70％。
7.根据权利要求6所述的一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，其特征在于：所述步骤(六)、对整体式水溶芯蜡模进行制壳时，层数为8层；硅溶胶粘度为38-55s；第一层和第二层的砂粒目数为80/100目；第三层和第四层的砂粒目数为40/60目；第五层和第八层的砂粒目数为20/40目；第一层干燥时间为36-42h；第二层至第八层干燥时间为22～26h；第九层的封浆时间为不小于≥48h。
8.根据权利要求7所述的一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，其特征在于：所述步骤(七)中，对制壳后的整体式水溶芯蜡模进行脱蜡处理时，脱蜡温度为160-180℃；保压压力为0.55-0.70MPa；保压时间为8-12min；焙烧温度为980-1020℃；焙烧时间不小于4h。
9.根据权利要求8所述的一种分体式水溶芯复合成形闭式叶轮的成型方法，其特征在于：所述步骤(八)中，选用50kg熔炼炉对型壳进行熔炼浇注处理；浇注温度为1490-1500℃；浇注时间为5-10s。
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