CN109773124B - 一种混流式水轮机转轮整体铸造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混流式水轮机转轮铸件，其技术特点为：使用3D打印方法制作转轮通流部分的整体砂芯；所述砂芯3D打印实体的叶片区预留防裂筋，砂型预留侧部吊装槽、顶部定位槽、双基定位芯头等；吊装及下芯过程，借助专有环形吊具及定位工装以保障定位精度。浸、刷涂料并烘干后与上冠上箱砂型、下环下箱砂型组合，再浇注钢液而制造出整体转轮。该整体铸造工艺与先铸后组焊的工艺相比具有周期短、精度高、质量好、成本优的特点。
Description
技术领域
本发明属于铸造工艺领域，涉及一种混流式水轮机转轮整体铸造工艺，具体是一种砂型重力浇注方式(也可离心浇注方式)生产的混流式水轮机转轮铸件。
背景技术
鉴于中、小型混流式水轮机转轮制作周期长，尤其是铸造小叶片加工后中心缩松区裸露，修补困难，转轮运行过程中叶片磨损、汽蚀严重。而传统整铸转轮进出口尺寸偏差大，叶片型线误差大，转轮整体尺寸精度差，不能满足设计及使用要求。基于上述考虑，本发明依托3D打印技术在铸造领域的发展和应用开发出混流式水轮机转轮整体铸造新工艺，该产品具有周期短、精度高、质量好、成本优的特点。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种质量好且金属利用率高、工序简单、精度高、成本低、生产周期短，能够一体成型的混流式水轮机转轮铸造方法。使用3D打印机打印转轮流道砂芯，转轮流道砂芯浸涂耐高温涂料并烘干，将该砂芯通过多级定位工装与上冠上箱砂型、下环下箱砂型组合后浇注钢液，钢液凝固冷却后，经落砂，清理，切割浇冒口，成为混流式水轮机转轮铸件毛坯。
为实现上述目的，本发明提供了一种混流式水轮机转轮整体铸造工艺，该铸造工艺包括以下步骤：
步骤一，设计三维模型：应用三维设计软件，设计出混流转轮流道芯三维模型，预留下侧部吊装槽、顶部定位槽、双基定位芯头等。
步骤二，3D打印转轮流道砂芯：将三维模型输入至3D打印机，打印树脂砂转轮流道砂芯。
步骤三，转轮流道砂芯刷涂料、烘干：砂芯刷水基或醇基锆英粉涂料，烘干温度100℃-300℃，烘干时间不低于3小时，烘干后放置时间不大于12小时；
步骤四，造型：对上冠上箱砂型和下环下箱砂型造型，采用水玻璃砂刮板造型或实样造型，或采用树脂砂实样造型等方式；造型后刷醇基锆英粉涂料或类似功能涂料，点燃并用火焰烘烤。
步骤五，合箱：转轮流道砂芯通过侧部吊装槽11、底部吊装板12及定位工装13与含底座的下环下箱砂型、含冒口的上冠上箱砂型组合；利用预留的侧部吊装槽将3D打印砂芯吊起，将砂芯、底部吊装板与定位工装装配后，吊起定位盘，利用顶部吊装槽、定位工装、双基定位芯头下芯，砂芯与上冠上箱砂型和下环下箱砂型组合，放压铁等以实现紧固。
步骤六，熔炼、浇注制造出整体转轮：按照合同要求的化学成分使用电炉冶炼钢液配合炉外精炼，满足出炉温度后进行浇注。
步骤七，落砂、清理：铸件保温至0-600℃，开箱、落砂；
步骤八，切割：切割铸件浇口、冒口以及飞边。
所述步骤二中转轮流道砂芯通过整体3D打印或分块3D打印再组合。
所述步骤二中3D打印转轮流道砂芯时，预留底部吊装板12、定位工装13、底部预留大、小双基定位芯头15，其拔模斜度为1:4～40，实现X、Y方向的2级限位；转轮流道砂芯顶部预留顶部定位槽16，满足与上冠上箱砂型的定位。
所述步骤二中分块3D打印时预留分块组合芯头18，所述分块组合芯头18的拔模斜度为1:4～40。
所述涂料为锆英粉或类似的耐高温涂料，需要刷2层，厚度均匀，总厚度控制在0.2～0.6mm。
所述步骤四中上冠上箱砂型和下环下箱砂型采用水玻璃砂刮板造型或树脂砂实样造型。
所述步骤五中侧部吊装槽11配合含3～4条等长、均布式吊臂的特制环形吊具吊装，便于使转轮流道砂芯平稳吊起。下芯前，将底部吊装板12、定位工装13与转轮流道砂芯装配，将装配好的转轮流道砂芯放置定位平台，退出特制环形吊具；下芯过程，通过吊起定位工装13顶部的吊装盘19下芯，先后对准大、小双基定位芯头15，实现与下环下箱砂型的底座组合，上冠上箱砂型通过圆周方向限位的止口17实现与下环下箱砂型的定位，联合双基定位芯头15及顶部定位槽16，其拔模斜度为1:4～40，实现Z方向的定位。
所述定位工装13中轴为低合金钢管加工而成，底部含三圈以上外螺纹与底部吊装板12配合；中轴上、下配合两个可双向锁紧及调节距离的调紧定位盘20，用于锁紧转轮流道砂芯的底端和顶端；中轴顶端吊装盘19含3～4个均布的吊耳24，下部设有4个均布的螺丝25，可保障转轮流道砂芯平稳下落。
所述转轮流道砂芯下环区域内芯可填做排气处理的干砂、水玻璃砂或树脂砂，中部需填做排气处理的水玻璃砂。
所述转轮流道砂芯设计成多数带有防裂筋30。
底部吊装板12为低合金钢加工而成，中间含三圈以上内螺纹，钢板做出透气孔。
特制环形吊具含3-4条等长、均布式吊臂31，并设有限位档21、配径环22和吊环23，其中限位档21防止串位，配径环22稍大于内芯上沿直径而防止损坏砂芯。
工艺要求应满足：
1)刮板或实样造型。若刮板造型，上、下箱刮板各1件(轴杠截面＞70mm×70mm，刮板高度H＝h铸件+200mm～500mm，h铸件为铸件高度，单位mm；明冒口实样1个，其拔模斜度为1:4～40，暗冒口实样2个；设置适宜的冒口根部尺寸、拔模斜度及冒口高度，以排除铸造热节。
2)加工和打磨余量：上冠加工面+10mm,过流面+3mm；下环下表面+10mm,其余加工面+8mm，过流面+3mm；叶片进水边及正背面各+2mm，出水边+3mm。
3)缩尺依据材料，一般为10～30‰，刮板采用水玻璃砂造型。
4)浇注系统：直浇道Φ50～Φ100mm，横浇道Φ40～Φ80mm，内浇道Φ40～Φ70mm(2-n道)扁口砖底返；上冠最外圆放吊耳；其中n为叶片数量。
5)工艺出品率大于55％。
6)试块：外浇基尔试块，无特殊规定，2个/件。
本发明优点：
本发明具有周期短、精度高、质量好、成本优的特点。因其工序简单，定位精准，金属利用率高，是能够一体成型的混流式水轮机转轮的铸造方法。
附图说明
为了更清楚的说明本发明的技术方案，将技术方案描述中所需使用的附图作简单的介绍。
图1：整体3D打印转轮流道砂芯示意图；
图2：分块3D打印转轮流道砂芯示意图；
图3：下环下箱砂型示意图；
图4：3D打印转轮流道砂芯示意图；
图5：特制环形吊具示意图；
图6：3D打印转轮流道砂芯定位工装示意图；
图7：3D打印转轮流道砂芯底部吊装板示意图；
图8：3D打印转轮流道砂芯定位图；
图9：3D打印转轮流道砂芯下芯图；
图10：3D打印转轮流道砂芯下芯后去定位工装图；
图11：3D打印转轮流道砂芯下芯后填内芯图；
图12：上冠上箱砂型示意图；
图13：转轮工艺图；
图14：加工后的混流转轮实物图。
其中，底部吊装板12、定位工装13、双基定位芯头15、顶部定位槽16、分块组合芯头18、圆周方向限位的止口17、吊装盘19、调紧定位盘20、限位档21、配径环22、吊环23、吊耳24、螺丝25、造型集砂沟26、保温暗冒口27、冒口切割线28、冷铁29、防裂筋30、吊臂31。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围不受实施例的限制，如果该领域的技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
一种混流式水轮机转轮，材质为ZG04Cr13Ni5Mo，公称直径
净重1380kg，15片相同型号叶片均匀布置于转轮流道内，叶片扭曲呈“X”型，厚度差较大，厚处80mm，薄处1.3mm。
一种混流式水轮机转轮整体铸造工艺，该铸造工艺如图13所示，包括以下步骤：根据转轮图纸设计铸造毛坯三维模型，设计出满足工艺要求的转轮流道砂芯内芯打印方式及造型方式。然后将流道部分(包括15片叶片及上冠和下环的过流面)的砂型三维模型传递给VX2000型号3D打印设备，该砂型模型需设计出H型吊装槽，下芯时使用。
步骤一，设计三维模型：应用三维设计软件，设计出混流转轮流道芯三维模型，预留下侧部吊装槽、顶部定位槽、双基定位芯头等。
步骤二，如图4所示，3D打印转轮流道砂芯：将三维模型输入至3D打印机，打印树脂砂转轮流道砂芯。转轮流道砂芯通过整体3D打印或分块3D打印再组合。3D打印转轮流道砂芯如图1所示，预留底部吊装板12、定位工装13、底部预留大、小双基定位芯头15，拔模斜度为1:10，实现X、Y方向的2级限位(图8)；转轮流道砂芯顶部预留顶部定位槽16，满足与上冠上箱砂型的定位。分块3D打印如图2所示。预留带有拔模斜度1:10的分块组合芯头18。
步骤三，流道砂芯打印完毕刷水基或醇基锆英粉涂料2遍并烘干，烘干温度100℃-300℃，烘干时间不低于3小时，烘干后放置时间不大于12小时；
步骤四，造型：对上冠上箱砂型(图12)和下环下箱砂型造型(图3)，采用水玻璃砂刮板造型或实样造型，或采用树脂砂实样造型等方式；造型后刷醇基锆英粉涂料或类似功能涂料2遍点燃并用丙烷气体火焰烘烤砂型表面，下环下箱砂型顶部设有圆周方向限位的止口17，沿圆周起限位作用；为收集造型或下芯时落下的散砂，设置造型集砂沟26；上冠上箱砂型底部设有冒口切割线28，保温暗冒口27放于冷铁之间，m1(根据铸造工艺需求确定数量及尺寸)个冷铁均布。
步骤五，合箱：转轮流道砂芯通过侧部吊装槽11、图7所示底部吊装板12及图6所示定位工装13与含底座的下环下箱砂型、含冒口的上冠上箱砂型组合；利用预留的侧部吊装槽将3D打印砂芯吊起，将砂芯、底部吊装板与定位工装装配后，吊起定位盘，利用顶部吊装槽、定位工装、双基定位芯头下芯，砂芯与上冠上箱砂型和下环下箱砂型组合，后固砂箱、放置压箱铁，等待浇注钢液。侧部吊装槽11配合含3～4条等长、均布式吊臂的特制环形吊具吊装(图5)，便于使转轮流道砂芯平稳吊起。下芯前，图9和图10所示，将底部吊装板12、定位工装13与转轮流道砂芯装配，将装配好的转轮流道砂芯放置定位平台，退出特制环形吊具；下芯过程，通过吊起定位工装13顶部的吊装盘19下芯，先后对准大、小双基定位芯头15，实现与下环下箱砂型的底座组合，上冠上箱砂型通过圆周方向限位止口17实现与下环下箱砂型的定位，联合双基定位芯头15及顶部定位槽16实现Z方向的定位，拔模斜度为1:10。如图11转轮流道砂芯下环区域内芯可填做排气处理的干砂、水玻璃砂或树脂砂，中部需填做排气处理的水玻璃砂。
步骤六，熔炼、浇注制造出整体转轮：按照合同要求的化学成分使用电炉冶炼钢液配合炉外精炼，满足出炉温度后进行浇注。使用电弧炉和AOD炉熔炼出化学成分符合合同要求的钢液，1600℃浇注。
步骤七，落砂、清理：铸件温度降至400℃以下时开箱、落砂；
步骤八，切割：切割铸件浇口和冒口以及飞边。
涂料为锆英粉或类似的耐高温涂料，需要刷2层，厚度均匀，总厚度控制在0.4mm±0.2mm。
如图6所示，定位工装13中轴为低合金钢管加工而成，底部含三圈以上外螺纹与底部吊装板12配合；中轴上、下配合两个可双向锁紧及调节距离的调紧定位盘20，用于锁紧转轮流道砂芯的底端和顶端；中轴顶端吊装盘19含4个均布的吊耳24，可保障转轮流道砂芯平稳下落。
转轮流道砂芯带有防裂筋30。
底部吊装板12为低合金钢加工而成，钢板的中间做出三圈以上的内螺纹。
特制环形吊具含3-4条等长、均布式吊臂31，并设有限位档21、配径环22和吊环23，其中限位档21防止串位，配径环22稍大于内芯上沿直径而防止损坏砂芯。
如图14所示，整铸转轮经热处理、粗加工、流道打磨后，进行三维尺寸检查及超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、射线探伤。结果为：尺寸满足设计要求，无损探伤未发现超标缺陷，合格。混流式整铸转轮成品比焊接转轮相比，成本降低5％-8％，交货期缩短30天。
工艺要求如下：
1、刮板造型，上、下箱刮板各1件(轴杠截面＞70mm×70mm，高度1400-1600mm)，1#明冒口实样1个，拔模斜度为1:10，2#暗冒口实样2个；
2、加工和打磨余量：上冠加工面+10mm，过流面+3mm：下环下表面+10mm，其余加工面+8mm，过流面+3mm；叶片进水边及正背面各+2mm，出水边+3mm；
3、缩尺18‰，刮板采用水玻璃砂造型；
4、浇注系统：直浇道Φ80，横浇道Φ60，内浇道4-Φ60扁口砖底返；上冠最外圆放吊耳。
5、铸件净重360kg，毛重600kg，钢水量1000kg，工艺出品率60％；
6、试块：外浇基尔试块2个/件。
7、木型标识：850混流转轮。
Claims (8)
1.一种混流式水轮机转轮整体铸造工艺，其特征在于：该铸造工艺包括以下步骤：
步骤一，设计三维模型
应用三维设计软件，设计出混流转轮流道砂芯三维模型；
步骤二，3D打印转轮流道砂芯；
将三维模型输入至3D打印机，打印转轮流道砂芯；所述3D打印转轮流道砂芯时，预留底部吊装板（12）、定位工装（13）、底部预留大、小双基定位芯头（15）实现X、Y方向2级限位，其拔模斜度为1:4~40；转轮流道砂芯顶部预留顶部定位槽（16），满足与上冠上箱砂型3的定位；
所述定位工装（13）中轴为低合金钢管加工而成，底部含三圈以上外螺纹与底部吊装板（12）配合；中轴上、下配合两个可双向锁紧及调节距离的调紧定位盘（20），用于锁紧转轮流道砂芯的底端和顶端；中轴顶端吊装盘（19）含3~4个均布的吊耳（24），可保障转轮流道砂芯平稳下落；
步骤三，转轮流道砂芯刷涂料、烘干温度100-300℃，烘干时间不低于3小时，烘干后放置时间不大于12小时；
步骤四，造型
对上冠上箱砂型和下环下箱砂型造型，造型后刷涂料，点燃并用火焰烘烤；
步骤五，合箱
转轮流道砂芯通过侧部吊装槽（11）、底部吊装板（12）及定位工装（13）与含底座的下环下箱砂型、含冒口的上冠上箱砂型组合，放压铁实现紧固；
步骤六，熔炼、浇注制造出整体转轮；
步骤七，落砂、清理：铸件保温至0-600℃，开箱、落砂；
步骤八，切割：切割铸件浇口和冒口以及飞边。
2.根据权利要求1所述的混流式水轮机转轮整体铸造工艺，其特征在于：所述步骤二中转轮流道砂芯含有防裂筋（30），通过整体3D打印或分块3D打印再组合。
3.根据权利要求2所述的混流式水轮机转轮整体铸造工艺，其特征在于：所述步骤二中分块3D打印时预留分块组合芯头（18），所述分块组合芯头（18）的拔模斜度为1:4~40。
4.根据权利要求1所述的混流式水轮机转轮整体铸造工艺，其特征在于：所述步骤三和步骤四中涂料的骨料均为锆英粉，需要刷2层，厚度均匀，总厚度控制在0.2~0.6mm。
5.根据权利要求1所述的混流式水轮机转轮整体铸造工艺，其特征在于：所述步骤四中上冠上箱砂型和下环下箱砂型采用水玻璃砂刮板造型或实样造型，或树脂砂实样造型。
6.根据权利要求1所述的混流式水轮机转轮整体铸造工艺，其特征在于：所述步骤五中侧部吊装槽（11）配合含3-4条等长、均布式吊臂的特制环形吊具吊装，便于使转轮流道砂芯平稳吊起；下芯前，将底部吊装板（12）、定位工装（13）与转轮流道砂芯装配，将装配好的转轮流道砂芯放置定位平台，退出特制环形吊具；下芯过程，通过吊起定位工装（13）顶部的吊装盘（19）下芯，先后对准大、小双基定位芯头（15），实现与下环下箱砂型的底座组合，上冠上箱砂型通过圆周方向限位的止口（17）实现与下环下箱砂型的定位，联合双基定位芯头（15）及顶部定位槽（16）实现Z方向的定位，其拔模斜度为1:4~40。
7.根据权利要求1所述的混流式水轮机转轮整体铸造工艺，其特征在于：所述转轮流道砂芯下环区域内芯可填做排气处理的干砂、水玻璃砂或树脂砂，中部需填做排气处理的水玻璃砂。
8.根据权利要求6所述的混流式水轮机转轮整体铸造工艺，其特征在于：所述特制环形吊具含3-4条等长、均布式吊臂（31），并设有限位档（21）、配径环（22）和吊环（23），其中限位档（21）防止串位，配径环（22）稍大于内芯上沿直径而防止损坏砂芯。
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