CN114178472A - 一种大外径窄流道叶轮模具及叶轮制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大外径窄流道叶轮模具及叶轮制造方法，采用3D打印直接打印成型砂型内部的气孔，使砂型中的气孔分布合理的透气性好，显著减少铸造时砂型的变形，砂型各部件间的配合尺寸精准，铸件精度高，产品稳定性好，生产周期短，成品率高，成本低；在上模和下模内均分别对称设计有上定位凸台和下定凸台，用于叶轮型芯的支撑和定位，以减少此类大外径窄流道叶轮的易变形和偏差大的问题；铸件铸出后，将上定位凸台、下定位凸台在上盖板和下盖板上形成的孔洞处采用与叶轮相同的金属材料制造补洞块进行填充及焊接，孔洞为圆形结构铸造及填充焊接后应力小，有利于保证叶轮强度。
Description
技术领域
本发明涉及离心泵叶轮制造技术领域，具体为一种大外径窄流道叶轮模具及叶轮制造方法。
背景技术
在石化PX装置的吸附分离工艺流程中用到的循环泵通常需要具有高扬程低汽蚀性能的离心泵，为了满足叶轮高扬程低汽蚀性能的要求，如图4所示的叶轮结构包括叶片22、轮毂24、上盖板20、下盖板21以及由上盖板20、下盖板21和叶片22构成的流道23，这类叶轮通常设计为大外径、窄流道结构即大外径窄流道叶轮，由于该类叶轮流道狭窄且直径大的特点，型芯容易变形，同时，目前铸造时叶轮模具上的气孔都是工人手工用工具直接捅出的，位置大小分布不合理，砂型透气性不均匀，也容易导致砂型变形，不利因素的综合叠加，使铸造加工时型芯易变型导致铸件成型后变形严重，还存在内部易形成结铁等问题，铸件报废率高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大外径窄流道叶轮模具及叶轮制造方法，通过设计合理的叶轮模具结构，并且砂型通过3D打印制成，型芯强度高支撑定位可靠，铸造时不易变形，保证铸件的高精度，提高产品稳定性，缩短生产周期，成品率高，成本低，解决了现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大外径窄流道叶轮模具，包括扣合为体的上模26和下模1以及固定装设于所述上模26和所述下模1之间的型芯9，所述下模1内设置有连通的下轮毂腔体5和下盖板腔体6，所述下模1底端装设有辅助块2，所述下轮毂腔体5底部通过连通腔4与设于所述辅助块2上的浇道3连通，所述下模1上端设置有支撑环台7，所述下盖板腔体6表面设置有若干下定位凸台8；所述型芯9包括用于成型叶片22的螺旋槽部12、与所述支撑环台7接触配合的延伸部11以及凸缘部13；所述上模26包括上盖板腔体14、上定位凸台18、定位孔段19，所述上盖板腔体14以及所述上定位凸台18均与所述下盖板腔体6及所述下定位凸台8对称设置,所述定位孔段19与所述凸缘部13配合，所述下定位凸台8及上定位凸台18与所述型芯9对应表面处具有相同的表面形状,所述支撑环台7、所述下定位凸台8及上定位凸台18用于对所述型芯9进行支撑定位。
进一步的：所述上模26上还开设有浇口15以及冒口17,所述冒口17有四个均布设置。
进一步的：所述上模26上设置若干第二气孔16，所述型芯9上设有若干第一气孔10，所述下模1上设有若干第三气孔27。
进一步的：所述延伸部11外圆面和所述支撑环台7内壁均具有相同的斜度25，所述斜度25为10度。
一种叶轮制造方法，包括用于制造上述的大外径窄流道叶轮模具，再用所述叶轮模具生产所述叶轮，包括如下步骤：
A、根据工况参数，通过水力模型计算，确定比转速及叶轮外径参数，具体的根据实际工况参数，通过水力模型计算分析，设计出比转速ns小于39，外径大于960mm的双吸窄流道叶轮，以满足低汽蚀和高扬程的需要；
B、根据叶轮的叶片通过泵体隔舌时产生的压力变化计算出叶轮的应力值，确定叶轮的上盖板、下盖板和叶片厚度尺寸参数，具体的，可以根据叶轮叶片通过泵体隔舌时产生的压力变化计算出叶轮的应力值，再基于Goodman-Smith图确定叶轮盖板和叶片厚度尺寸；
C、根据步骤A和步骤B得到的参数，建立叶轮模具的三维参数模型,所述三维参数模型至少包括型芯9、浇口15、冒口17、第一气孔10、第二气孔16、第三气孔27、浇道3、上定位凸台18、下定位凸台8的三维参数模型，这里三维参数模型的建立可以采用NX软件；
D、根据叶轮模具的三维参数模型，通过铸造仿真工具进行凝固解析，这里，凝固解析优选MAGMA软件进行；
E、根据步骤D的解析结果，修改步骤C中的三维参数模型，重复步骤D，直到得到符合解析要求的最终模型；
F、根据步骤E得到的最终模型，设计浇铸用砂型，本实施例中砂型设计选用NX软件进行参数化设计；
G、将步骤F中得到的浇铸用砂型数模导入3D砂型打印机制得叶轮模具。
H、将步骤G制得的叶轮模具转运至铸造车间，按铸造规范进行铸造；
I、冷却后除砂、除去浇口及冒口处的多余金属，得到叶轮粗坯；
J、将叶轮粗坯进行喷丸处理，清理表面氧化层；
K、制取与上定位凸台18、下定位凸台8尺寸一致的补洞块；
L、将补洞块填入除砂后原砂型中上定位凸台18、下定位凸台8在上盖板20和下盖板21上形成的孔洞中并将连接处焊合；
M、将步骤L完成后的叶轮进行无损检测，并按检测结果进行处置；
N、将步骤M完成后的叶轮转入后继工序加工，制得成品叶轮。
进一步的：在步骤K制取所述补洞块时采用的材质与所述叶轮材质相同。
进一步的：所述型芯9、浇口15、冒口17、第一气孔10、第二气孔16、第三气孔27、浇道3、上定位凸台18、下定位凸台8均由3D砂型打印机打印制作。
进一步的：根据步骤D最优的解析结果，所述上定位凸台18和所述下定位凸台8位于叶轮直径的四分之三处，且相对于相邻两螺旋槽部12居中设置。
本发明的有益效果：本发明提供的一种大外径窄流道叶轮模具及叶轮制造方法，设计采用3D打印的砂型有更高的强度，可直接打印成型砂型内部通气用的气孔，使砂型中的气孔分布合理的透气性好，显著减少铸造时砂型的变形，砂型各部件间的配合尺寸精准，铸件精度高，产品稳定性好，生产周期短，成品率高，成本低；在叶轮直径的四分之三处，每个流道中间(也就是相邻两螺旋槽部之间的型芯实体居中位置)在上模和下模内均分别对称设计有上定位凸台和下定凸台，用于叶轮型芯的支撑和定位，以减少此类大外径窄流道叶轮的易变形和偏差大的问题；上定位凸台和下定凸台采用近似圆台结构，下定位凸台及上定位凸台与型芯对应表面处具有相同的表面形状，即保证下定位凸台及上定位凸台与型芯对应表面处接触面接触紧密，以增强支撑效果；铸件铸出后，将上定位凸台、下定位凸台在上盖板和下盖板上形成的孔洞处采用与叶轮相同的金属材料制造补洞块进行填充及焊接，孔洞为圆形结构铸造及填充焊接后应力小，有利于保证叶轮强度。
附图说明
图1为本发明的叶轮模具立体结构示意图。
图2为本发明的叶轮模具局部剖视图。
图3为本发明的叶轮模具的下定位凸台设置示意图。
图4为叶轮结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，一种大外径窄流道叶轮模具，包括扣合为体的上模26和下模1以及固定装设于上模26和下模1之间的型芯9，下模1内设置有连通的下轮毂腔体5和下盖板腔体6，下模1底端装设有辅助块2，下轮毂腔体5底部通过连通腔4与设于辅助块2上的浇道3连通，下模1上端设置有支撑环台7，下盖板腔体6表面设置有若干下定位凸台8；型芯9包括用于成型叶片22的螺旋槽部12、与支撑环台7接触配合的延伸部11以及凸缘部13；上模26包括上盖板腔体14、上定位凸台18、定位孔段19，上盖板腔体14以及上定位凸台18均与下盖板腔体6及下定位凸台8对称设置,定位孔段19与凸缘部13配合，下定位凸台8及上定位凸台18与型芯9对应表面处具有相同的表面形状,支撑环台7、下定位凸台8及上定位凸台18用于对型芯9进行支撑定位。
优选的：上模26上还开设有浇口15以及冒口17,冒口17有四个均布设置，有利于降低铸造时叶轮的变形量。
优选的：上模26上设置若干第二气孔16，型芯9上设有若干第一气孔10，下模1上设有若干第三气孔27。
优选的：延伸部11外圆面和支撑环台7内壁均具有相同的斜度25，斜度25为10度。
一种叶轮制造方法，包括用于制造上述的大外径窄流道叶轮模具，再用得到的叶轮模具生产叶轮，包括如下步骤：
A、根据工况参数，通过水力模型计算，确定比转速及叶轮外径参数；
B、根据叶轮的叶片通过泵体隔舌时产生的压力变化计算出叶轮的应力值，确定叶轮的上盖板、下盖板和叶片厚度尺寸参数；
C、根据步骤A和步骤B得到的参数，建立叶轮模具的三维参数模型,三维参数模型至少包括型芯9、浇口15、冒口17、第一气孔10、第二气孔16、第三气孔27、浇道3、上定位凸台18、下定位凸台8的三维参数模型；
D、根据叶轮模具的三维参数模型，通过铸造仿真工具进行凝固解析；
E、根据步骤D的解析结果，修改步骤C中的三维参数模型，重复步骤D，直到得到符合解析要求的最终模型；
F、根据步骤E得到的最终模型，设计浇铸用砂型；
G、将步骤F中得到的浇铸用砂型数模导入3D砂型打印机制得叶轮模具。
H、将步骤G制得的叶轮模具转运至铸造车间，按铸造规范进行铸造；
I、冷却后除砂、除去浇口及冒口处的多余金属，得到叶轮粗坯；
J、将叶轮粗坯进行喷丸处理，清理表面氧化层；
K、制取与上定位凸台18、下定位凸台8尺寸一致的补洞块；
L、将补洞块填入除砂后原砂型中上定位凸台18、下定位凸台8在上盖板20和下盖板21上形成的孔洞中并将连接处焊合；
M、将步骤L完成后的叶轮进行无损检测，并按检测结果进行处置；
N、将步骤M完成后的叶轮转入后继工序加工，制得成品叶轮。
优选的：在步骤K制取补洞块时采用的材质与叶轮材质相同。
优选的：型芯9、浇口15、冒口17、第一气孔10、第二气孔16、第三气孔27、浇道3、上定位凸台18、下定位凸台8均由3D砂型打印机打印制作。
优选的：根据步骤D最优的解析结果，上定位凸台18和下定位凸台8位于叶轮直径的四分之三处，且相对于相邻两螺旋槽部12居中设置。
本发明提供的一种大外径窄流道叶轮模具及叶轮制造方法，设计采用3D打印的砂型有更高的强度，可直接打印成型砂型内部通气用的气孔(即第一气孔10、第二气孔16、第三气孔27)，使砂型中的气孔分布合理的透气性好，显著减少铸造时砂型的变形，砂型各部件间的配合尺寸精准，铸件精度高，产品稳定性好，生产周期短，成品率高，成本低；在叶轮直径的四分之三处，每个流道中间(也就是相邻两螺旋槽部12之间的型芯9实体居中位置)在上模和下模内均分别对称设计有上定位凸台18和下定凸台8，用于叶轮的型芯9的支撑和定位，以减少此类大外径窄流道叶轮的的型芯9易变形和偏差大的问题；上定位凸台18和下定凸台8采用近似圆台结构，下定位凸台8及上定位凸台18与型芯9对应表面处具有相同的表面形状，即保证下定位凸台8及上定位凸台18与型芯9对应表面处接触面接触紧密，以增强支撑效果；铸件铸出后，将上定位凸台18、下定位凸台8在上盖板20和下盖板21上形成的孔洞处采用与叶轮相同的金属材料制造补洞块进行填充及焊接，孔洞为圆形结构铸造及填充焊接后应力小，有利于保证叶轮强度。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种大外径窄流道叶轮模具，包括扣合为体的上模(26)和下模(1)以及固定装设于所述上模(26)和所述下模(1)之间的型芯(9)，其特征在于：所述下模(1)内设置有连通的下轮毂腔体(5)和下盖板腔体(6)，所述下模(1)底端装设有辅助块(2)，所述下轮毂腔体(5)底部通过连通腔(4)与设于所述辅助块(2)上的浇道(3)连通，所述下模(1)上端设置有支撑环台(7)，所述下盖板腔体(6)表面设置有若干下定位凸台(8)；所述型芯(9)包括用于成型叶片(22)的螺旋槽部(12)、与所述支撑环台(7)接触配合的延伸部(11)以及凸缘部(13)；所述上模(26)包括上盖板腔体(14)、上定位凸台(18)、定位孔段(19)，所述上盖板腔体(14)以及所述上定位凸台(18)均与所述下盖板腔体(6)及所述下定位凸台(8)对称设置,所述定位孔段(19)与所述凸缘部(13)配合，所述下定位凸台(8)及上定位凸台(18)与所述型芯(9)对应表面处具有相同的表面形状,所述支撑环台(7)、所述下定位凸台(8)及上定位凸台(18)用于对所述型芯(9)进行支撑定位。
2.根据权利要求1所述的一种大外径窄流道叶轮模具，其特征在于：所述上模(26)上还开设有浇口(15)以及冒口(17),所述冒口(17)有四个均布设置。
3.根据权利要求1所述的一种大外径窄流道叶轮模具，其特征在于：所述上模(26)上设置若干第二气孔(16)，所述型芯(9)上设有若干第一气孔(10)，所述下模(1)上设有若干第三气孔(27)。
4.根据权利要求1所述的一种大外径窄流道叶轮模具，其特征在于：所述延伸部(11)外圆面和所述支撑环台(7)内壁均具有相同的斜度(25)，所述斜度(25)为10度。
5.一种叶轮制造方法，包括用于制造如权利要求1～4任一项所述的大外径窄流道叶轮模具，再用所述叶轮模具生产所述叶轮，其特征在于，包括如下步骤：
A、根据工况参数，通过水力模型计算，确定比转速及叶轮外径参数；
B、根据叶轮的叶片通过泵体隔舌时产生的压力变化计算出叶轮的应力值，确定叶轮的上盖板、下盖板和叶片厚度尺寸参数；
C、根据步骤A和步骤B得到的参数，建立叶轮模具的三维参数模型,所述三维参数模型至少包括型芯(9)、浇口(15)、冒口(17)、第一气孔(10)、第二气孔(16)、第三气孔(27)、浇道(3)、上定位凸台(18)、下定位凸台(8)的三维参数模型；
D、根据叶轮模具的三维参数模型，通过铸造仿真工具进行凝固解析；
E、根据步骤D的解析结果，修改步骤C中的三维参数模型，重复步骤D，直到得到符合解析要求的最终模型；
F、根据步骤E得到的最终模型，设计浇铸用砂型；
G、将步骤F中得到的浇铸用砂型数模导入3D砂型打印机制得叶轮模具。
H、将步骤G制得的叶轮模具转运至铸造车间，按铸造规范进行铸造；
I、冷却后除砂、除去浇口及冒口处的多余金属，得到叶轮粗坯；
J、将叶轮粗坯进行喷丸处理，清理表面氧化层；
K、制取与上定位凸台(18)、下定位凸台(8)尺寸一致的补洞块；
L、将补洞块填入除砂后原砂型中上定位凸台(18)、下定位凸台(8)在上盖板(20)和下盖板(21)上形成的孔洞中并将连接处焊合；
M、将步骤L完成后的叶轮进行无损检测，并按检测结果进行处置；
N、将步骤M完成后的叶轮转入后继工序加工，制得成品叶轮。
6.根据权利要求5所述的一种叶轮制造方法，其特征在于：所述补洞块采用的材质与所述叶轮材质相同。
7.根据权利要求5所述的一种叶轮制造方法，其特征在于：所述型芯(9)、浇口(15)、冒口(17)、第一气孔(10)、第二气孔(16)、第三气孔(27)、浇道(3)、上定位凸台(18)、下定位凸台(8)均由3D砂型打印机打印制作。
8.根据权利要求5所述的一种叶轮制造方法，其特征在于：根据步骤D最优的解析结果，所述上定位凸台(18)和所述下定位凸台(8)位于叶轮直径的四分之三处，且相对于相邻两螺旋槽部(12)居中设置。
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