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        基于3D打印技術(shù)的離心泵葉輪快速精鑄工藝研究

        2015-07-07 07:05:34姜耀林邵中魁
        制造業(yè)自動(dòng)化 2015年2期
        關(guān)鍵詞:離心泵鑄件葉輪

        姜耀林,邵中魁,郭 嘉

        (浙江省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州 311305)

        0 引言

        熔模精密鑄造是鑄造行業(yè)中一項(xiàng)優(yōu)異的新技術(shù),是一種新的近凈成形先進(jìn)工藝,它獲得的產(chǎn)品精密、復(fù)雜,接近于零件最后形狀,可不加工或很少加工就直接使用,其應(yīng)用非常廣泛[1]。但是,傳統(tǒng)熔模精密鑄造方法需要通過模具或者機(jī)加工來制造熔模,生產(chǎn)工藝復(fù)雜、開發(fā)周期長、制造成本高、制造精度不易控制,尤其是對于一些形狀復(fù)雜零件的熔模制作異常困難,需耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力,難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜精密鑄件的快速制造,直接影響產(chǎn)品開發(fā)效率,無法適應(yīng)快速多變的市場需求。因此,迫切需要尋找一種快速準(zhǔn)確的制作熔模的方法,來替代目前傳統(tǒng)的熔模制作方式。

        3D打印技術(shù)是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù),被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”[2]。3D打印技術(shù)的制造原理是基于“增材制造”的思想[3],即在計(jì)算機(jī)控制下,以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),分層處理后運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過逐層打印的方式,將“打印材料”一層層疊加起來,最終完成零件的成形與制造[4,5]。3D 打印與傳統(tǒng)的加工工藝通過切削、打磨、沖壓等來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品成型的過程具有本質(zhì)區(qū)別,僅利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在一臺設(shè)備上即可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件,且無需模具,產(chǎn)生極少的廢料,有效縮短了加工周期,易于實(shí)現(xiàn)單件小批量復(fù)雜形狀產(chǎn)品的快速制造,在非批量化生產(chǎn)中具有明顯的成本和效率優(yōu)勢[6]。

        本文以具有典型復(fù)雜型面的離心泵葉輪為應(yīng)用范例,研究一種基于3D打印技術(shù)的快速精鑄工藝,主要技術(shù)路線如圖1所示:首先基于Pro/E軟件建立離心泵葉輪的三維模型并進(jìn)行CAD優(yōu)化設(shè)計(jì),再基于RPData軟件對葉輪模型進(jìn)行前處理,然后通過3D打印機(jī)加工出葉輪樹脂原型并進(jìn)行后處理,最后以此葉輪樹脂原型為熔模進(jìn)行熔模精密鑄造,最終得到離心泵葉輪精密金屬零件。

        圖1 本文主要技術(shù)路線

        本文研究的基于3D打印技術(shù)的快速精鑄工藝通過3D打印機(jī)直接制作任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度樹脂熔模,與傳統(tǒng)鑄造方法相比省去了模具加工制造的環(huán)節(jié),有效縮短產(chǎn)品開發(fā)制造時(shí)間,減小生產(chǎn)成本,可以快速、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的熔模精密鑄造,特別適合于復(fù)雜形狀零件的單件、高精度生產(chǎn)制造領(lǐng)域,具有良好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。

        1 光固化快速成型原理

        光固化快速成型技術(shù)是目前加工精度最高的一種3D打印技術(shù),它的成型原理為:以液態(tài)光敏樹脂為加工材料,計(jì)算機(jī)控制紫外激光束按加工零件的分層截面信息逐層對光敏樹脂進(jìn)行掃描,使其產(chǎn)生光聚合反應(yīng)[7],每次固化形成零件的一個(gè)薄層截面;每一層固化完畢之后,工作平臺移動(dòng)一個(gè)層厚的高度,然后在原先固化好的樹脂表面再涂敷一層新的液態(tài)樹脂,以便進(jìn)行下一層掃描固化;新固化的一層牢固的粘合在前一層上,如此重復(fù)直至零件原型制造完畢。具體的光固化3D打印成形過程如圖2所示。

        圖2 光固化3D打印成形過程

        2 葉輪模型CAD優(yōu)化設(shè)計(jì)

        首先利用Pro/E軟件建立離心泵葉輪的三維模型,如圖3、圖4所示。由圖可知,該離心泵葉輪主要由葉片、后蓋板、澆冒口等三部分結(jié)構(gòu)組成,且葉輪結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜,尤其是離心泵葉片在徑向與軸向雙重扭曲,采用傳統(tǒng)方法制造葉輪模型將會(huì)存在很大的困難,模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以脫模,且難以保證制造精度。而3D打印技術(shù)的分層制造特性決定了其制造過程與零件形狀復(fù)雜程度無關(guān),因此,本研究采用3D打印技術(shù)制造葉輪熔模將極大地提高生產(chǎn)效率,降低制造成本。

        圖3 離心泵葉輪三維模型

        圖4 離心泵葉輪模型剖視圖

        因?yàn)榻饘勹T造零件不可避免地存在收縮現(xiàn)象,需對葉輪模型進(jìn)行預(yù)縮放處理。綜合考慮葉輪材料(普通碳鋼)及后續(xù)實(shí)際精鑄工藝,確定葉輪鑄造過程中的收縮率,據(jù)此預(yù)先將葉輪三維模型按一定的尺寸比例進(jìn)行放大。

        為了節(jié)約材料,提高打印速度,對葉輪模型進(jìn)行抽殼優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖5所示為在Pro/E軟件中利用混合掃描的方法對離心泵葉輪模型進(jìn)行抽殼優(yōu)化設(shè)計(jì),圖6所示為抽殼優(yōu)化后的葉輪模型,其中抽殼壁厚為0.8mm。

        圖5 混合掃描

        圖6 抽殼優(yōu)化后葉輪模型

        3 葉輪模型3D打印成形

        將完成優(yōu)化設(shè)計(jì)后的葉輪模型導(dǎo)入RPData軟件進(jìn)行前處理,選擇成形方向并設(shè)計(jì)輔助支撐,完成前處理后的葉輪如圖7所示。

        圖7 完成前處理后的葉輪模型

        圖8 葉輪模型打印成形過程

        將葉輪模型分層處理,分層厚度0.1mm,分層后轉(zhuǎn)換成激光快速成型機(jī)可以識別的數(shù)據(jù)格式并導(dǎo)入3D打印機(jī),然后在RpBuild工藝控制軟件中設(shè)置好工藝參數(shù)后開始直接打印成形。圖8所示為葉輪模型打印成形過程。圖9所示為打印成形后的帶支撐的樹脂葉輪。

        圖9 樹脂葉輪打印成形

        為提高原型件的尺寸精度、強(qiáng)度、硬度、表面質(zhì)量等性能,將打印完成后的葉輪樹脂模型依次進(jìn)行清洗、去除支撐、后固化、表面打磨等后處理工作。圖10所示為對去除支撐后的葉輪樹脂模型進(jìn)行后固化處理。圖11所示為后處理完成后的葉輪整體樹脂模型。

        圖10 葉輪樹脂模型后固化處理圖

        圖11 經(jīng)后處理的葉輪樹脂模型

        4 熔模精密鑄造實(shí)驗(yàn)

        最后將此葉輪樹脂模型作為熔模進(jìn)行熔模精密鑄造。首先在葉輪樹脂模型表面粘制蠟澆鑄系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行掛漿撒砂制殼,每掛一次漿對應(yīng)地撒一層砂,等前一層型殼干燥硬化后再次掛漿撒砂制下一層型殼,且除首次掛漿后撒鋯英砂外后面每次撒砂都撒莫來砂。如此重復(fù)進(jìn)行5次掛漿并撒砂過程,然后再封漿處理,待其干燥硬化后型殼制作完成[8],如圖12所示。

        圖12 制作完成后的整體型殼

        圖13 高溫焙燒爐

        將型殼整體放入高溫焙燒爐里高溫脫樹脂,如圖13所示。高溫焙燒時(shí)間約為1小時(shí)。等焙燒完畢后,型殼內(nèi)部樹脂葉輪消失,型殼內(nèi)部完全為中空結(jié)構(gòu),直接往型殼內(nèi)部澆鑄熔融金屬液,如圖14所示。

        圖14 澆鑄熔融金屬

        圖15 冷卻金屬葉輪鑄件

        冷卻后的金屬葉輪鑄件如圖15所示。由圖可見,冷卻后的金屬葉輪外部包覆著一層厚厚的型殼。

        因?yàn)榘苍阼T件表面的型殼強(qiáng)度較高,采用手工方法難以去除堅(jiān)硬型殼,在此本文采用震動(dòng)脫殼的方法去除型殼。將冷卻后的金屬鑄件放置到震動(dòng)脫殼機(jī)上進(jìn)行震動(dòng)脫殼,如圖16所示。

        圖16 震動(dòng)脫殼

        圖17 脫殼后的鑄件正面

        震動(dòng)脫殼工序完成后鑄件表面的型殼被基本清除干凈,但鑄件表面還殘留有少量難以去除的型殼,如圖17所示。

        采用火焰切割機(jī)將金屬葉輪與澆鑄系統(tǒng)分離,得到兩個(gè)獨(dú)立的金屬葉輪,如圖18所示。

        圖18 脫殼后的鑄件正面

        為了進(jìn)一步清除金屬葉輪表面殘留的型殼,并提高零件表面質(zhì)量,對兩個(gè)金屬葉輪進(jìn)行表面噴砂處理。完成噴砂處理后最終得到的兩個(gè)離心泵葉輪金屬零件如圖19所示。

        圖19 離心泵葉輪金屬零件

        5 葉輪鑄件精度測量

        為了檢驗(yàn)本文研究的“基于3D打印技術(shù)的快速精鑄技術(shù)”具體可以達(dá)到的“尺寸精度”及“表面粗糙度”這兩項(xiàng)性能指標(biāo),現(xiàn)對前述兩個(gè)離心泵葉輪金屬零件分別進(jìn)行尺寸精度測量及表面粗糙度測量。

        首先是尺寸精度測量。選擇葉輪樹脂模型四個(gè)具有代表性且便于測量的尺寸進(jìn)行測量,尺寸測量示意圖如圖20所示。

        圖20 尺寸測量示意圖

        將兩個(gè)離心泵葉輪金屬零件分別編號為1號葉輪、2號葉輪,尺寸測量結(jié)果分別如表1、表2所示。在此需要說明的是,此處尺寸精度等級按國際通用的熔模鑄件尺寸公差等級計(jì)算。

        表1 金屬葉輪1號尺寸測量結(jié)果

        表2 金屬葉輪2號尺寸測量結(jié)果

        由表1、表2可知,兩個(gè)離心泵葉輪金屬零件的絕對尺寸誤差范圍為-0.17~+0.21mm,且其尺寸精度等級都達(dá)到CT4級尺寸公差。

        在完成葉輪產(chǎn)品尺寸精度檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上,再測量葉輪產(chǎn)品的表面粗糙度。在葉輪零件表面分別隨機(jī)選擇均勻布置的10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行表面粗糙度測量。粗糙度測量結(jié)果如表3、表4所示。

        由表3、表4可知,兩個(gè)離心泵葉輪金屬零件的表面粗糙度范圍為2.88um~6.00um,說明表面粗糙度可達(dá)Ra6.3um以下。

        6 結(jié)論

        1)本文研究了一種基于3D打印技術(shù)的離心泵葉輪快速精鑄工藝,且其主要工藝過程歸納如下:首先基于Pro/E軟件建立離心泵葉輪的三維模型并進(jìn)行模型縮放、抽殼等CAD優(yōu)化設(shè)計(jì),再基于RPData軟件對葉輪模型進(jìn)行前處理,選擇成形方向并設(shè)計(jì)工藝支撐,然后通過3D打印機(jī)直接打印成形,得到葉輪樹脂模型,并進(jìn)行清洗、去支撐、打磨、后固化等后處理工序,最后以此葉輪樹脂模型為熔模進(jìn)行熔模精密鑄造,依次進(jìn)行制殼、焙燒、澆鑄、脫殼、打磨噴砂等工序,最終得到離心泵葉輪精密金屬零件。

        表3 金屬葉輪1號表面粗糙度測量結(jié)果

        表4 金屬葉輪2號表面粗糙度測量結(jié)果

        2)本文研究的基于3D打印技術(shù)的離心泵葉輪快速精鑄工藝,所制造的離心泵葉輪金屬零件的尺寸精度可達(dá)CT4級,表面粗糙度可達(dá)Ra6.3um以下。

        3)本文研究的基于3D打印技術(shù)的離心泵葉輪快速精鑄工藝具有很強(qiáng)的通用性,除了離心泵葉輪零件以外,該工藝也可以廣泛應(yīng)用于其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的單件、小批量快速制造,具有良好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。

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