牛向明，張 勇，王 超

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博255091）

水泵銅葉輪通常采用重力鑄造工藝，樹脂自硬砂造型，樹脂砂或油砂制備型芯，該鑄造工藝存在氣孔、表面質(zhì)量差、澆不足、冷隔等鑄造缺陷．采用真空低壓鑄造可以較好地克服上述缺陷，鑄造出表面光潔性好、尺寸精度高的銅葉輪［1]，而如何制備低壓鑄造銅葉輪的陶瓷型芯是該工藝的關(guān)鍵，陶瓷型芯的精度將直接影響到銅葉輪精度．本文擬通過實(shí)驗(yàn)對傳統(tǒng)陶瓷型芯制造工藝進(jìn)行改進(jìn)，探索出低壓鑄造用銅葉輪陶瓷型芯的快速制造工藝．

1 實(shí)驗(yàn)方法

1．1 銅葉輪原型的制備

根據(jù)PRO／E三維實(shí)體生成STL文件錯誤最少的原則，采用三維造型軟件PRO／E造型，根據(jù)銅葉輪圖紙并放大1%補(bǔ)償鑄件收縮，得到的銅葉輪三維造型如圖1所示．

圖1 銅葉輪三維造型

將三維造型轉(zhuǎn)化成與快速成型設(shè)備匹配的標(biāo)準(zhǔn)文件格式STL文件，并對STL文件分層添加支撐，再采用SLA快速成型方法制備銅葉輪的樹脂原型，結(jié)果如圖2所示．原型的表面質(zhì)量將直接影響到硅膠軟模的表面質(zhì)量，最終影響到鑄件的表面質(zhì)量，因此原型制備后要用工業(yè)酒精或丙酮對其表面進(jìn)行清洗［3]，擦除污垢并對原型上的支撐點(diǎn)處打磨修整．

圖2 銅葉輪樹脂原型

1．2 硅橡膠模翻制原型

硅膠軟模作為過渡模［2]，與原型間的摩擦系數(shù)小，具有良好的彈性、分層性和柔軟性，且成本低、工藝簡單、速度快，可精確地將原型特征復(fù)制下來．值得注意的是，影響硅橡膠收縮率的因素多，采用硅橡膠真空制模工藝將會提高硅橡膠的復(fù)制性能和表面質(zhì)量，試驗(yàn)中選擇的硅橡膠型號為RTV604．

首先根據(jù)原型體積稱取約150g的硫化硅橡膠主劑倒入燒杯中，按其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的2%倒入固化劑，用沾漿機(jī)以慢速攪拌2～3min，使固化劑和硅橡膠充分均勻混合，混合攪拌后，為防止大量氣泡存在于膠料中，在真空中脫氣2～3min［2]．

真空脫氣后，將涂有脫模劑（一般為凡士林或食用油）的銅葉輪原型固定在平板上，用毛刷蘸取膠料均勻涂在原型表面，對于棱角處，要用毛刷輕輕搗實(shí)，防止膠料與原型接觸的表面產(chǎn)生氣泡影響翻制精度，固化時間為4～5h，待第一層膠料固化后，再涂刷第二層，反復(fù)涂刷3～4次，膠料厚度約為4～5mm時即可滿足要求．

膠料固化后，為防止膠料柔軟變形，保證硅膠軟模復(fù)制原型的精確性，按一定比例配置石膏和水，攪拌后，均勻地覆蓋在固化的膠料上，厚度達(dá)到10～15mm，直徑大于原型直徑30mm即可．等到石膏徹底干燥后，將原型從硅橡膠模中取出，硅橡膠模制備完成，如圖3所示．為了后續(xù)工序便于起模，在硅膠軟模和石膏型上繪制標(biāo)記后，將硅膠軟模從石膏型上取下，在兩者之間涂上一層脫模劑（凡士林或食用油）．

1．3 配置陶瓷漿料

圖3 硅橡膠模

陶瓷漿料中最基本的兩個組份是耐火材料和粘結(jié)劑，兩者之間的加入比例，即為粉液比，粉液比對陶瓷漿料、型芯性能均有很大的影響，從而影響鑄件質(zhì)量［4]．

選擇耐火材料時，需綜合考慮耐火度、熱膨脹系數(shù)、化學(xué)穩(wěn)定性等參數(shù)．電熔剛玉熔點(diǎn)高（2 030℃），密度大、結(jié)構(gòu)致密、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小且均勻，作為面層材料具有細(xì)化晶粒的作用，所以面層涂料和面層撒砂選擇280目剛玉；背層涂料選擇100目剛玉，背層撒砂選擇100目剛玉粉．

目前，我國精密鑄造常用的粘結(jié)劑主要有3種：硅酸乙酯水解液、硅溶膠和水玻璃．其中硅溶膠雜質(zhì)含量少，粘度很低，性能穩(wěn)定且制殼時只需干燥不需氨干，不需要水解，可直接使用，操作簡便，環(huán)境衛(wèi)生，型殼高溫強(qiáng)度好，所以制備陶瓷型芯時優(yōu)先選擇［4]．

陶瓷漿料的配方為：硅溶膠∶剛玉粉∶潤濕劑∶消泡劑＝12．1∶36∶24∶16．準(zhǔn)備好沾漿機(jī)，先加硅溶膠，再加潤濕劑混勻，在攪拌中加入剛玉粉，最后加入消泡劑．由于硅溶膠粘度低，所配置的漿料容易沉淀，必須以慢速（22～50r／min）進(jìn)行24h連續(xù)不停機(jī)的攪拌，才能保證漿料質(zhì)量，使剛玉粉完全潤濕，陶瓷漿料制備完成［4]．

1．4 制備陶瓷型芯

陶瓷型芯的制備分為3個工序：上涂料、撒砂、干燥．上涂料是制備型芯中最關(guān)鍵的工序，準(zhǔn)備好陶瓷漿料，用毛刷沾陶瓷漿料，將漿料涂在硅橡膠模表面，各處均勻地涂上漿料，厚度約1mm為宜，不宜過厚，否則易開裂；實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)防止硅膠軟模上凹角、溝槽和小孔處積存氣體，形成氣孔，且應(yīng)避免缺涂、局部堆積等現(xiàn)象．撒砂是為了增強(qiáng)型芯和固定涂料，防止涂層干燥時出現(xiàn)裂紋．涂完漿料后將剛玉粉均勻地撒到硅膠軟模上，厚度1mm為宜，太厚則影響型芯強(qiáng)度，多余的部分用毛刷清除掉．干燥過程是水分蒸發(fā)的過程，該過程中64%～70%的水分蒸發(fā)掉，同時型芯獲得了強(qiáng)度．可用電阻法測試型芯的干燥程度，方法為：將萬用表調(diào)至電阻檔，涂層間距10mm，電阻值大于2 000kΩ時認(rèn)為型芯已經(jīng)干燥［4]．

制備型芯過程中應(yīng)保證一定的環(huán)境濕度（60%～70%），同時注意型芯的干燥速度，防止干燥過快型芯開裂．一般每次涂刷的間隔約為8h，反復(fù)涂刷6～10次，直至型芯厚度達(dá)到尺寸要求為止．輕輕取下固定用的石膏和硅橡膠，則完成了銅葉輪陶瓷型芯的制備．

1．5 焙燒

焙燒的目的是去除型芯中的揮發(fā)物，如水分、鹽分等，使型芯在澆注時有低的發(fā)氣性，防止出現(xiàn)氣孔缺陷．銅葉輪陶瓷型芯的焙燒溫度為950～1 050℃，達(dá)到焙燒溫度后保持30min以上，焙燒后的陶瓷型芯如圖4所示．

圖4 復(fù)合陶瓷型芯

2 工藝難點(diǎn)分析

1）硅橡膠中加入的固化劑要完全按照2%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，固化劑加入的太多，硅橡膠固化的太快；加入的量不夠，硅橡膠長時間不凝固，流動性強(qiáng)，浪費(fèi)嚴(yán)重．

2）硅橡膠翻模過程中易出現(xiàn)氣孔，直角凸起處強(qiáng)度最低，除真空脫氣以外，涂刷過程中應(yīng)著重涂刷直角凸起處，增加該處的厚度，減少氣孔．

3）石膏干燥后涂脫模劑前，務(wù)必在石膏和硅膠軟模之間標(biāo)記，防止起模后兩者的位置錯動，影響型芯的整體質(zhì)量．

4）銅葉輪型芯最薄處僅有4mm，相對其它部分強(qiáng)度差，厚薄的連接處在制備過程中易出現(xiàn)裂紋、斷裂的現(xiàn)象，因此，制備出合乎要求的型芯很困難．鑒于此，可以在漿料中加入適當(dāng)?shù)睦w維組織，以增強(qiáng)型芯的濕強(qiáng)度．經(jīng)過試驗(yàn)，加入適當(dāng)?shù)睦w維后可以制備出合乎要求的型芯．對于纖維加入量多少，加入纖維后出現(xiàn)的其他問題，需在以后的實(shí)驗(yàn)中研究探討．

3 結(jié)論

1）利用快速成型技術(shù)RP和陶瓷型制造技術(shù)，可制備出滿足尺寸要求和表面質(zhì)量要求的型芯，該型芯可以滿足生產(chǎn)的需求．

2）采用逐層涂刷工藝制備的面層型芯有較高的光潔度和表面質(zhì)量，解決了通常工藝制備型芯質(zhì)量差的難題．

3）陶瓷型芯的快速制備工藝對于小批量、復(fù)雜形狀特征零件的鑄造有很好的應(yīng)用前景．

4）在陶瓷漿料中加入適當(dāng)?shù)睦w維組織，可有效提高陶瓷型芯的濕強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度．

［1] 張勇，王超．利用真空低壓鑄造方法鑄造水泵銅葉輪［J] ．鑄造技術(shù)，2010，31（12）：1 606－1 608．

［2] 顏永年，單忠德．快速成形與鑄造技術(shù)［M] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．

［3] 胡志力，張勇，陳宗民．基于SLA原型精鑄復(fù)合型殼制備的工藝［J] ．鑄造，2008，57（12）：1 241－1 244．

［4] 姜不居．熔模精密鑄造［M] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．