CN109047660B - 叶轮熔模铸造工艺、叶轮及离心压缩机 - Google Patents

叶轮熔模铸造工艺、叶轮及离心压缩机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种叶轮熔模铸造工艺、叶轮及离心压缩机，其中叶轮熔模铸造工艺包括：步骤1、根据叶轮尺寸设计母模和单片型芯；步骤2、制作母模和单片型芯，将多个单片型芯放在母模中拼装成熔模模具；步骤3、利用熔模模具制作熔模，母模内的单片型芯嵌在熔模中；步骤4、拆除母模，利用熔模制作型壳；步骤5、向型壳中浇铸金属液获取铸件；步骤6、对铸件进行后处理。本发明具有模具精度高、叶轮成型质量好等优点。

Description

叶轮熔模铸造工艺、叶轮及离心压缩机
技术领域
本发明涉及叶轮制造工艺技术领域，尤其涉及一种叶轮熔模铸造工艺、叶轮及离心压缩机。
背景技术
现有技术中叶轮通常采用两种方式加工得到，一种是分体式焊接加工，例如公告号为CN202756297U的实用新型专利，其公开了一种新型高精度加工成形的大型离心压缩机叶轮的制造工艺，采用分体加工轮毂、轮盖，然后将轮毂和轮盖焊接成型，锻件材料利用率低、叶轮加工时间长，且焊接造成叶片变形大、叶轮流道内存在焊瘤、焊接处圆角大、叶轮初始的动平衡量大。
另一种是整体式加工，例如公布号为CN103433435A的发明专利公开了一种钛合金整体叶轮的制造工艺，采用光固化快速成型模型的方式获得整体叶轮，成型时间长、铸件表面粗糙度数值大、铸件尺寸精度差，而且模具制造费用昂贵、模具精度难以保证、铸件脱壳困难。
因此，如何设计一种成型质量好的叶轮熔模铸造工艺是业界亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出一种叶轮熔模铸造工艺、叶轮及离心压缩机。
本发明采用的技术方案是，设计一种叶轮熔模铸造工艺，包括以下步骤：
步骤1、根据叶轮尺寸设计母模和单片型芯，母模的内部拼装有多个单片型芯，母模和多个单片型芯之间的空腔与叶轮的形状相匹配；
步骤2、制作母模和单片型芯，将多个单片型芯放在母模中拼装成熔模模具；
步骤3、利用熔模模具制作熔模，母模内的单片型芯嵌在熔模中；
步骤4、拆除母模，利用熔模制作型壳；
步骤5、向型壳中浇铸金属液获取铸件；
步骤6、对铸件进行后处理。
优选的，母模中相邻两单片型芯之间的夹缝与叶轮的叶片形状相匹配。
优选的，单片型芯和母模之间设有定位结构，定位结构包括：设于单片型芯和母模其中之一的台阶、配套设于单片型芯和母模其中另一个的凹槽；单片型芯与母模拼装时，台阶插入凹槽中。
在优选实施例中，步骤4中利用熔模制作型壳时熔模中的单片型芯保留，步骤5取得铸件后清理铸件内的单片型芯。
在另一可行实施例中，步骤4中利用熔模制作型壳之前先清理熔模中的单片型芯。
优选的，后处理包括热处理，具体为对铸件使用固溶处理及人工时效处理。
优选的，后处理还包括对铸件进行热等静压处理。
优选的，后处理还包括对铸件进行抛光处理，抛光处理为磨粒流抛光。
优选的，后处理还包括对铸件表面进行微弧氧化处理。
优选的，步骤2中单片型芯采用水溶性陶瓷型芯，水溶性陶瓷型芯采用陶瓷芯料压注成型，然后对压制好的水溶性陶瓷型芯进行烧结，最后对水溶性陶瓷型芯涂防水膜。
其中，水溶性陶瓷型芯的陶瓷芯料采用Al2O3、水溶性材料及添加剂配置，每100克陶瓷芯料中包含7~15g Al2O3、60~70g水溶性材料、16~33g添加剂，60~70g的水溶性材料中含有20~30g的K2CO3。
优选的，水溶性陶瓷型芯涂有至少两层防水膜，上一层自然风干时间不小于4小时后再涂覆下一层。
优选的，防水膜包含95%的醇酸清漆和5%的二甲苯。
优选的，步骤3中采用填充类蜡料制作熔模，具体为通过射蜡机将填充类蜡料射入熔模模具中制作熔模，射蜡机射嘴采用导引排气回蜡设计。
优选的，步骤4中利用熔模制作型壳的过程为：熔模清洗后，熔模的面层进行真空沾浆，然后熔模的表层覆盖锆英砂，再将其焙烧成型获得型壳。
优选的，熔模清洗后在真空度50Pa以下的环境中旋转沾浆，熔模的转速为10-25r/min。
优选的，步骤5使用浇注机向型壳中浇铸金属液获取铸件，具体包含以下步骤：
步骤5.1、将型壳固定在密封的坩埚内，向坩埚内通入干燥的压缩空气；
步骤5.2、金属液在气体压力的作用下沿升液管上升，通过型壳的浇口平稳进入型壳；
步骤5.3、型壳充满后，增大坩埚内的压力并保压，直到型壳中的金属液完全凝固为止；
步骤5.4、解除金属液的气体压力，升液管中的未凝固金属液流入坩埚；
步骤5.5、气缸开型并推出铸件。
优选的，升液管中设有金属滤网。
优选的，步骤5.3中型壳的充型时间为6.5~7.5s，保压压力为0.07~0.08MPa，保压时间为4.5~5.0min。
本发明还提出了一种采用上述叶轮熔模铸造工艺制成的叶轮，包括：轮毂、轮盖、设于轮毂和轮盖之间的若干个叶片，轮毂、轮盖和叶片一体化成型。
本发明还提出了一种具有上述叶轮的离心压缩机。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、采用单片型芯和母模拼装形成用以制备熔模的熔模模具，模具尺寸精度高，铸造圆角在R0.3以下且圆角光滑，叶轮整体成型且成型质量好，提高了离心压缩机气动性能，从而提高压缩机能效；
2、采用真空制壳，面层沾浆不会产生气泡，相对于传统熔模铸造铸件点状缺陷降低90%以上；
3、铸件采用磨粒流抛光，叶轮流道内粗糙度数值小，大大提高了离心压缩机的气动性能，从而提高压缩机能效；
4、采用热等静压技术，铸件无裂纹、无缩松、消除针孔、晶粒细化且组织致密，具有较好的抗拉强度和屈服强度，以及良好的耐腐蚀、耐高温性能。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是本发明中叶轮的剖面示意图；
图2是本发明中铸造工艺的流程图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明提出的叶轮熔模铸造工艺，在优选实施例中包括步骤1至步骤6，下面进行详细介绍。
步骤1、根据叶轮尺寸设计母模和单片型芯，母模的内部拼装有多个单片型芯，母模和多个单片型芯之间的空腔为熔模腔，熔模腔的形状与叶轮的形状相同。在优选实施例中，单片型芯呈与叶轮的叶片3旋向相同的螺旋型，母模中相邻两个单片型芯之间的夹缝与叶片3的形状相匹配。从结构上来看，多个单片型芯在母模内部拼装围成一个圆形的型芯模具组，型芯模具组的顶部和母模之间的空腔为叶轮的轮盖2形状，型芯模具组的底部和母模之间的空腔为叶轮的轮毂1形状，型芯模具组中间相邻单片型芯之间的夹缝为叶轮的叶片3形状，母模和型芯模具组拼装完成后即可得到一个内部空腔与叶轮形状相匹配的熔模模具。为了提高单片型芯和母模之间的定位精度，单片型芯和母模之间设有定位结构，定位结构包括：设于单片型芯和母模其中之一的台阶、配套设于单片型芯和母模其中另一个的凹槽，单片型芯与母模拼装时，台阶插入凹槽中，保证熔模模具在压制熔模时单片型芯不会发生偏移影响成型质量。
步骤2、制作母模和单片型芯，将多个单片型芯放在母模中拼装成熔模模具，单片型芯可采用陶瓷芯料或者石膏制作，在优选实施例中，单片型芯采用水溶性陶瓷型芯，水溶性陶瓷型芯的表面更光滑，有利于提高熔模表面成型质量。水溶性陶瓷型芯采用陶瓷芯料压注成型，压注压力为3~3.5MPa，然后对压制好的水溶性陶瓷型芯进行烧结，温度680~720℃，时间30-45min，最后对型芯涂防水膜，水溶性陶瓷型芯涂有至少两层防水膜，上一层自然风干时间不小于4小时后再涂覆下一层，防水膜的成分最优采用95%的醇酸清漆和5%的二甲苯。水溶性陶瓷型芯的陶瓷芯料采用Al2O3、水溶性材料及添加剂配置，每100克陶瓷芯料中包含7~15g Al2O3、60~70g水溶性材料、16~33g添加剂，添加剂一般为粗制聚乙二醇，60~70g的水溶性材料中含有20~30g的K2CO3，更适用于低温浇注的铝合金铸件的水溶性陶瓷型芯。本发明通过改善陶瓷芯料的匹配及制作工艺，有效解决大尺寸水溶性陶瓷型芯易吸水变形、易烧裂的技术难点。
步骤3、利用熔模模具制作熔模，熔模的形状与叶轮完全相同，母模中的单片型芯嵌在熔模中。在优选实施例中，熔模采用填充类蜡料制备，填充类蜡料型号可为百瑞美F32-300等，具体为通过射蜡机将填充类蜡料射入熔模模具中制备熔模，射蜡机射嘴采用导引排气回蜡设计，保证射入量与射蜡压力。
步骤4、拆除母模，利用熔模制作型壳。在优选实施例中，熔模中的单片型芯保留，熔模和嵌在熔模中的水溶性陶瓷型芯作为整体用来制作型壳，先将熔模进行清洗，由于水溶性陶瓷型芯上涂覆有防水膜，因此不会与水接触溶化，再将熔模放入真空沾浆机旋转沾浆，熔模处于真空度50Pa以下的环境中，熔模转速10-25r/min，然后将涂上均匀涂料的熔模伸入淋砂机中多方向翻转，使熔模表面均匀覆上一层锆英砂；重复沾浆、撒砂、干燥过程直至熔模有至少4层锆砂，熔模熔化脱蜡后焙烧成型获得型壳，此处保留的水溶性陶瓷型芯在步骤5取得铸件后利用高压水和振动进行清理，保留水溶性陶瓷型芯的好处是可以使铸件的表面更光滑，成型质量更好。在另一可行实施例中，步骤4中利用熔模制作型壳之前先清理熔模中的单片型芯，再进行熔模清洗、真空沾浆等工序，单片型芯可采用水溶性的蜡基型芯等，与优选实施例相比存在内腔型砂难清理和铸件内表面光洁度稍差的问题。
步骤5、使用浇注机向型壳中浇铸金属液获取铸件，具体包含以下步骤：
步骤5.1、将型壳固定在密封的坩埚内，向坩埚内通入干燥的压缩空气；
步骤5.2、金属液在气体压力的作用下沿升液管上升，通过型壳的浇口平稳进入型壳，为了防止杂质进入型壳中影响叶轮成型质量，升液管中设有金属滤网；
步骤5.3、型壳充满后，增大坩埚内的压力并保压，直到型壳中的金属液完全凝固为止，型壳的充型时间为6.5~7.5s，保压压力为0.07~0.08MPa，保压时间为4.5~5.0min；
步骤5.4、解除金属液的气体压力，升液管中的未凝固金属液流入坩埚；
步骤5.5、气缸开型并推出铸件。
步骤6、对铸件进行后处理，在优选实施例中，后处理包括清洗铸件、热处理、热等静压处理、抛光处理等，热处理具体为对铸件使用固溶处理及完全人工时效处理，以去除铸件的应力，热等静压处理具体是将铸件至于热等静压炉中加压并保温，以使铸件内部结构更致密，抛光处理为磨粒流抛光，以使铸件表面更光滑，为了提高铸件的硬度和耐磨性，还可以对铸件表面进行微弧氧化处理。
如图1所示，本发明还提出了一种采用上述叶轮熔模铸造工艺制成的叶轮，包括：轮毂1、轮盖2、设于轮毂1和轮盖2之间的若干个叶片3，轮毂1、轮盖2和叶片3一体化成型。
本发明还提出了一种具有上述叶轮的离心压缩机。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (24)

1.一种叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据叶轮尺寸设计母模和单片型芯，所述母模的内部拼装有多个单片型芯，单片型芯呈与叶轮的叶片旋向相同的螺旋型，母模中相邻两个单片型芯之间的夹缝与叶片3的形状相匹配，多个单片型芯在母模内部拼装围成一个圆形的型芯模具组，型芯模具组的顶部和母模之间的空腔为叶轮的轮盖形状，型芯模具组的底部和母模之间的空腔为叶轮的轮毂形状，型芯模具组中间相邻单片型芯之间的夹缝为叶轮的叶片形状，所述母模和所述型芯模具组之间的空腔与所述叶轮的形状相匹配；
步骤2、制作母模和单片型芯，将多个单片型芯放在所述母模中拼装成熔模模具；
步骤3、利用熔模模具制作熔模，所述母模内的单片型芯嵌在所述熔模中；
步骤4、拆除母模，利用熔模制作型壳；
步骤5、向型壳中浇铸金属液获取铸件；
步骤6、对铸件进行后处理。
2.如权利要求1所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述单片型芯和母模之间设有定位结构。
3.如权利要求2所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述定位结构包括：设于所述单片型芯和所述母模其中之一的台阶、配套设于所述单片型芯和所述母模其中另一个的凹槽；所述单片型芯与所述母模拼装时，所述台阶插入所述凹槽中。
4.如权利要求1至3任一项所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述步骤4中利用熔模制作型壳时熔模中的单片型芯保留，所述步骤5中取得铸件后清理铸件内的单片型芯。
5.如权利要求1至3任一项所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述步骤4中利用熔模制作型壳之前先清理熔模中的单片型芯。
6.如权利要求1所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述后处理包括热处理，对铸件使用固溶处理及人工时效处理。
7.如权利要求1所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述后处理还包括对铸件进行热等静压处理。
8.如权利要求1所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述后处理还包括对铸件进行抛光处理。
9.如权利要求8所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述抛光处理为磨粒流抛光。
10.如权利要求1所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述后处理还包括对铸件表面进行微弧氧化处理。
11.如权利要求1所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述步骤2中所述单片型芯采用水溶性陶瓷型芯。
12.如权利要求11所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述水溶性陶瓷型芯采用陶瓷芯料压注成型，压注压力3~3.5MPa，然后对压制好的水溶性陶瓷型芯进行烧结，烧结温度为680~720 ℃，烧结时间为30-45min，最后对水溶性陶瓷型芯涂防水膜。
13.如权利要求11所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述水溶性陶瓷型芯的陶瓷芯料采用Al2O3、水溶性材料及粗制聚乙二醇配置，每100克陶瓷芯料中包含7~15g Al2O3、60~70g水溶性材料、16~33g粗制聚乙二醇，60~70g的水溶性材料中含有20~30g的K2CO3。
14.如权利要求11至13任一项所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述水溶性陶瓷型芯涂有至少两层防水膜，上一层自然风干时间不小于4小时后再涂覆下一层。
15.如权利要求14所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述防水膜包含95%的醇酸清漆和5%的二甲苯。
16.如权利要求1所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述步骤3中采用填充类蜡料制作熔模。
17.如权利要求16所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述步骤3中通过射蜡机将填充类蜡料射入熔模模具中制作熔模，所述射蜡机射嘴采用导引排气回蜡设计。
18.如权利要求1所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述步骤4中利用熔模制作型壳的过程为：熔模清洗后，熔模的面层真空沾浆，然后熔模的表层覆盖锆英砂，再将其焙烧成型获得型壳。
19.如权利要求18所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述熔模在真空度50Pa以下的环境中旋转沾浆，所述熔模的转速为10-25r/min。
20.如权利要求1所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述步骤5使用浇注机向型壳中浇铸金属液获取铸件，包含以下步骤：
步骤5.1、将型壳固定在密封的坩埚内，向坩埚内通入干燥的压缩空气；
步骤5.2、金属液在气体压力的作用下沿升液管上升，通过型壳的浇口平稳进入型壳；
步骤5.3、型壳充满后，增大坩埚内的压力并保压，直到型壳中的金属液完全凝固为止；
步骤5.4、解除金属液的气体压力，升液管中的未凝固金属液流入坩埚；
步骤5.5、气缸开型并推出铸件。
21.如权利要求20所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述升液管中设有金属滤网。
22.如权利要求20所述的叶轮熔模铸造工艺，其特征在于，所述步骤5.3中型壳的充型时间为6.5~7.5s，保压压力为0.07~0.08MPa，保压时间为4.5~5.0min。
23.一种采用如权利要求1至22任一项所述叶轮熔模铸造工艺制成的叶轮，包括：轮毂、轮盖、设于所述轮毂和轮盖之间的若干个叶片，其特征在于，所述轮毂、轮盖和叶片一体化成型。
24.一种具有权利要求23所述叶轮的离心压缩机。
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