趙代銀，楊功顯，曾洪，楊照宏，林雨

（1.東方汽輪機(jī)有限公司長壽命高溫材料國家重點(diǎn)實(shí)驗室，四川德陽，618000；2.北京聯(lián)迅創(chuàng)成科技有限公司，北京，430081）

注塑成型軟件在燃機(jī)葉片蠟?zāi)３尚瓦^程中的應(yīng)用

趙代銀1，楊功顯1，曾洪1，楊照宏1，林雨2

（1.東方汽輪機(jī)有限公司長壽命高溫材料國家重點(diǎn)實(shí)驗室，四川德陽，618000；2.北京聯(lián)迅創(chuàng)成科技有限公司，北京，430081）

文章采用Moldflow軟件模擬了燃機(jī)精密鑄造葉片蠟?zāi)３尚瓦^程。通過注射實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果具有較好的一致性。通過Moldflow軟件可以有效地給出精鑄蠟?zāi)Ｄ＞邇?yōu)化設(shè)計方案，同時可有效地預(yù)測蠟?zāi)５氖湛s和變形，以及陶瓷型芯在射蠟時的受力，從而對改進(jìn)工藝方案提供指導(dǎo)。

注塑成型，精密鑄造，蠟?zāi)?，Moldflow，變形

0 引言

燃機(jī)高溫合金葉片制造是工業(yè)制造業(yè)皇冠上的明珠，由于內(nèi)腔冷卻氣道極為復(fù)雜，鑄造難度較大，冶金缺陷及變形很難有效解決。目前，采用Procast軟件可以有效地進(jìn)行澆注系統(tǒng)設(shè)計[1]，改善鑄造缺陷。但是，對于蠟?zāi)３尚瓦^程模擬，目前還沒有系統(tǒng)有效的研究。國外Sabau[2]通過Pro?cast模擬了蠟?zāi)５某湫图白冃芜^程，結(jié)果與實(shí)際存在較大差距。北航的韓昌仁[3]針對蠟?zāi)３湫瓦^程模擬編制了軟件，但沒有商業(yè)化應(yīng)用。筆者借鑒Moldflow在注塑成型行業(yè)的成功應(yīng)用案例，類比蠟?zāi)鹤⒊尚团c注塑成型的共同點(diǎn)，第一次將其移植到蠟?zāi)３尚湍M、蠟?zāi)Ｖ苽涔に噧?yōu)化及模具設(shè)計指導(dǎo)，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 注塑成型與壓蠟過程對比

圖1示出了注射成型機(jī)與壓蠟機(jī)的結(jié)構(gòu)對比，可以看出，注射成型機(jī)是將料斗里的塑料顆粒在料筒熔化，然后采用液壓油缸產(chǎn)生的推力推動螺桿旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，進(jìn)而將熔融態(tài)塑料擠壓進(jìn)入模具型腔，得到成型塑料制品。壓蠟機(jī)是采用化蠟器熔化蠟料，蠟液進(jìn)入儲蠟缸保溫，然后由蠟泵抽入圓筒注射缸，通過液壓推動活塞將蠟液從注射缸沿保溫輸蠟管和注蠟嘴打入模具型腔，得到蠟?zāi)?。注塑成型所采用的模具一般為左右分模，而蠟?zāi)Ｄ＞咭话銥樯舷路帜?。兩者唯一也是最大的差別在于注射成型機(jī)采用螺桿而壓蠟機(jī)是通過活塞推進(jìn)產(chǎn)生流量及壓力。

圖1 注射成型機(jī)與壓蠟機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)對比圖

表1 制品控制參數(shù)對比

表2 缺陷對比

從表1可以看出，注射成型機(jī)與壓蠟機(jī)制品控制參數(shù)均能一一對應(yīng)。從表2示出的塑模及蠟?zāi)．a(chǎn)品的缺陷來看，塑模與蠟?zāi)５闹饕毕菀嗄軐φ掌饋?，僅僅是提法有所不同。因此，注塑工藝與壓蠟工藝控制幾乎是相同的，產(chǎn)品缺陷發(fā)生的時候，解決辦法也可相互借鑒。唯一不同的是注塑成型主要是針對塑料，粘度較大，使用的注塑壓力一般在140 bar左右；而壓蠟成型主要針對蠟料，粘度較低，使用的注射壓力在30 bar左右。因此，采用Moldflow軟件進(jìn)行蠟?zāi)３尚瓦^程模擬是完全可行的。需要注意的是，注塑成型一般都采用熱固性材料，出模后樣品快速冷卻，后期變形較?。欢灹蠈儆跓崴苄圆牧?，蠟?zāi)褐瞥瞿：?，冷卻過程緩慢，后期變形較大。本文利用Moldflow軟件分別對實(shí)心蠟?zāi)＜皫沾尚托鞠災(zāi)３尚瓦^程進(jìn)行了模擬。

2 某重型燃機(jī)實(shí)心動葉片蠟?zāi)３尚瓦^程模擬

2.1分析前處理

模擬對象為某重型燃機(jī)實(shí)心動葉片，蠟?zāi)Ｍ庑纬叽缂s為50 mm×150 mm×500 mm，厚度從葉根至葉身呈現(xiàn)遞減趨勢。將IGS格式的葉片模型，導(dǎo)入Moldflow軟件中，由于實(shí)際生產(chǎn)中葉片蠟?zāi)０l(fā)生的變形量在3 mm左右，因此選用基于中面網(wǎng)格的翹曲分析方法，該方法可以進(jìn)行大變形分析。為提高分析準(zhǔn)確性，對網(wǎng)格交叉、縱橫比等存在問題進(jìn)行優(yōu)化，以減少網(wǎng)格缺陷。最終網(wǎng)格數(shù)據(jù)為：單元數(shù)19 745個，節(jié)點(diǎn)數(shù)9 762個（見圖2），網(wǎng)格匹配度90%，符合翹曲分析網(wǎng)格匹配度大于85%的要求。材料選用材料庫里面現(xiàn)有的F30-75蠟料，分析方式選用了最適合作翹曲分析的分析序列：充型+保壓+冷卻+翹曲。

圖2 葉片網(wǎng)格劃分

2.2蠟?zāi)３湫瓦^程模擬

蠟液充型優(yōu)先選擇阻力最小的路徑[4]。因此，蠟液首先選擇模具溫度較高、橫截面較大的路徑流動。從圖3也可以看出，蠟液首先充滿厚大的葉根部分，然后再從葉根往葉身推進(jìn)直至完全充滿葉頂。圖4示意了采用壓蠟機(jī)的射蠟時間控制功能獲得的不同時間蠟?zāi)５某湫吐窂綀D，注射時間分別為1 s，3 s，5 s，7 s，充型結(jié)果基本印證了模擬分析，唯一的差別在于，由于蠟?zāi)Ｄ＞哐厝~根厚度方向分型，受重力影響，蠟液先充滿葉根的下模部分，隨著充入型腔蠟液體積的增加，逐步充滿葉根，建立初步的壓力，推動蠟液由葉根擠入葉身。同時，由于中面網(wǎng)格分析中不能設(shè)置重力加載分量，因此，模擬注射忽略了模具的位置對蠟液流動的影響。重力作用下蠟?zāi)Ｗ⑸浞治隹梢赃x用3D網(wǎng)格分析，勾選“模擬重力影響”即可，但這時無法進(jìn)行大變形分析。

圖3 蠟?zāi)３湫瓦^程

圖4 蠟?zāi)?shí)際充型過程

2.3蠟?zāi)Ｊ湛s預(yù)測

圖5示出了采用Moldflow獲得的蠟?zāi)Ｊ湛s模擬結(jié)果，從圖5可以看出，蠟?zāi)Ｊ湛s與蠟?zāi)１诤裼嘘P(guān)，由于蠟?zāi)Ｊ菬岬牟涣紝?dǎo)體，因此壁厚越大，蠟?zāi)Ｊ湛s越嚴(yán)重。排氣邊收縮最小，體收縮在1.58%，線收縮在0.50%左右；葉根位置收縮最大，達(dá)7.3%，線收縮在2.7%左右，與實(shí)際蠟?zāi)y量結(jié)果比較吻合。

圖5 蠟?zāi)Ｊ湛s分析

2.4模具卷氣預(yù)測

模具排氣不暢會造成蠟液在流動過程中卷入氣泡，如果氣泡在蠟?zāi)?nèi)部，由于氣泡壓力較大，在蠟?zāi)Ｆ鹉：髸l(fā)生鼓包缺陷；如果氣泡位于蠟?zāi)１砻?，易造成蠟?zāi)１砻鏆馀萑毕?；如果模具?nèi)未排盡空氣較多，還會造成蠟?zāi)＞植课闯錆M的缺陷。從圖6模擬分析結(jié)果看，模具凹角處容易造成氣穴，說明在該位置模具要單設(shè)排氣槽，根據(jù)經(jīng)驗值，排氣槽尺寸為0.03～0.05 mm（高）×10 mm（寬），模具增加排氣槽后，蠟?zāi)Ｔ撎帤馀萑毕菘傻玫较?/p>

圖6 模具氣穴分析

2.5蠟?zāi)Ｗ冃晤A(yù)測

精密鑄造葉片最難解決的問題之一便是變形，而蠟?zāi)Ｗ冃握颊麄€產(chǎn)品變形的50%以上。蠟?zāi)Ｗ冃沃饕l(fā)生在兩個階段。第一階段，蠟?zāi)Ｔ谀＞邇?nèi)成型中由于蠟?zāi)Ｗ⑸錅囟?、壓力、保壓時間設(shè)置不合理造成蠟?zāi)２煌课焕鋮s速率不同，因非均勻收縮而變形。目前國內(nèi)精鑄模具基本都沒有考慮模具的內(nèi)置加熱及冷卻裝置。第二階段，蠟?zāi)Ｈ〕龊笤跊]有矯形胎具下的自由冷卻。在Moldflow進(jìn)行變形分析時，不設(shè)置約束條件，因此，蠟?zāi)Ｌ幱谧杂蔂顟B(tài)，模擬蠟?zāi)Ｈ∧：蟮氖湛s變形情況。從圖7（a）可以看出，蠟?zāi)Ｑ刂鳽向發(fā)生了翹曲變形，最大變形量在2.3 mm。采用相同的工藝壓制了葉片蠟?zāi)?，采用?？怂箍导す鈷呙鑳x測量了蠟?zāi)Ｗ冃?，結(jié)果如圖7（b）所示，綠色部分為增肉，即蠟?zāi)Ｏ鄬碚撃Ｐ拖蛏献冃?，藍(lán)色部分為缺肉，即蠟?zāi)Ｏ鄬碚撃Ｐ拖蛳伦冃??？梢钥闯?，沿著Z向看去，葉片發(fā)生了逆時針的扭轉(zhuǎn)，同時沿著Z向發(fā)生了翹曲變形，最大變形量1.5 mm左右。從模擬結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果的對照可以看出，葉片變形趨勢相同，僅僅數(shù)量上有所差別，這源于冷卻環(huán)境的差異。

圖7 蠟?zāi)Ｈ〕龊笫湛s變形過程及實(shí)際變形測量

3 某重型燃機(jī)空心葉片蠟?zāi)３尚瓦^程模擬

燃?xì)廨啓C(jī)大部分葉片出于冷卻設(shè)計的考慮均為空心葉片，而空心葉片則是通過陶瓷型芯成型。陶瓷型芯在蠟?zāi)褐七^程中的合格率直接制約了空心葉片的制造成本。而80%的精鑄過程陶瓷型芯斷裂發(fā)生在蠟?zāi)褐齐A段。因此，通過模擬射蠟時陶瓷型芯的受力可以降低陶瓷型芯在射蠟時的斷裂風(fēng)險。

選擇某重型燃機(jī)空心動葉片作為模擬對象。由于陶瓷型芯及空心葉片呈現(xiàn)復(fù)雜變截面的幾何特征，采用3D網(wǎng)格以提高模擬精度。將蠟?zāi)＜疤沾尚托镜难b配體文件X-T格式導(dǎo)入Moldflow中，并將蠟?zāi)＞W(wǎng)格選中定義為零件屬性，將陶瓷型芯的網(wǎng)格文件選中定義為型芯屬性，網(wǎng)格總數(shù)為162萬；材料選擇F30-75蠟料，如圖8（a）所示。圖8（b）示意了網(wǎng)格劃分的結(jié)果，其中與實(shí)心蠟?zāi)ＤM不同的是，選擇陶瓷型芯露出蠟?zāi)２课坏男绢^網(wǎng)格，定義為全約束，即在射蠟過程中陶瓷型芯芯頭起固定作用。在求解器設(shè)置中，勾選了重力分析選項。首先，模擬了澆口位置對陶瓷型芯受力的影響。圖9示意了不同位置注射下陶瓷型芯的受力，可以看出無論采用葉根側(cè)面還是底面注射，陶瓷型芯在鑄件蓋板形成部位的小圓柱均承受較大的應(yīng)力：從底面注射時，陶瓷型芯上的小圓柱受力0.47 MPa；從側(cè)面注射時，該部位受力為0.43 MPa。因此在蠟?zāi)Ｄ＞咴O(shè)計時，選擇從葉根側(cè)面注射，可能有助于降低陶瓷型芯在射蠟時的開裂風(fēng)險。模具制造完成后，進(jìn)行帶陶瓷型芯蠟?zāi)５膲褐疲Y(jié)果如圖10（b）所示，并與圖10（a）對應(yīng)的模擬結(jié)果進(jìn)行了對照，發(fā)現(xiàn)蠟?zāi)Ｗ⑸溥^程中流動前沿的形狀基本與模擬一致。

Application of Injection Molding Software in Wax Pattern Processing

Zhao Daiyin1，Yang Gongxian1，Zeng Hong1，Yang Zhaohong1，Lin Yu2
（1.State Key Laboratory of Long-life High Temperature Materials,Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan，618000；2.Beijing United Xun Gen into Science and Technology Limited Company，Beijing，430081）

The wax pattern processing of investment casting of gas turbine blade has been simulated by Moldflow software.The simula?tion result has a good consistency with experimental results.It indicates that Moldflow software is useful to opitimize the design of wax pattern mould and to predict the trend of wax pattern shrink factor,deformation and ceramic core stress distribution during injection, which is also helpful to improve processing technologies.

injection molding,investment casting,wax pattern,Moldflow,deformation

TG249，TP311

A

1674-9987（2016）04-0046-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.010

趙代銀（1986－），男，碩士，工程師，畢業(yè)于北京科技大學(xué)材料加工工程專業(yè)，主要從事研究重型燃機(jī)透平葉片精密鑄造技術(shù)的工作。