王國祥,雷四雄,李建中,陳 雅,張民政,蔣 明
(1. 上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240;2. 中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司,湖南 株洲 412000;3. 江蘇中超航宇精鑄科技有限公司,江蘇 宜興 214241)
隨著航空、航天、機(jī)械、汽車等行業(yè)的飛速發(fā)展,金屬部件的輕量化需求與日俱增。然而,輕量化設(shè)計(jì)往往會帶來部件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和整體化,即原來由多個零件組合的部件,越來越多地被設(shè)計(jì)成為一個復(fù)雜的整體零件。在金屬部件的各種成型工藝中,熔模鑄造技術(shù)具有近凈成型的優(yōu)點(diǎn),所制造的部件尺寸精度高、表面粗糙度低,尤其適用于鑄造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁鑄件,被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的空心渦輪葉片、渦輪機(jī)匣、航天器電子艙體、汽車發(fā)動機(jī)渦輪等復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的制造,在現(xiàn)代制造領(lǐng)域占據(jù)著重要的地位。然而,制造周期長、成本高、冶金質(zhì)量與尺寸精度控制難度大等問題仍然制約著具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)且精度要求高的鑄件的高效率制造。
熔模精密鑄件的成型過程一般包括壓制蠟?zāi)?、制殼、脫蠟、焙燒、合金熔煉和澆注等工序,涉及金屬模具、高分子材料的蠟?zāi)?、陶瓷型殼以及高溫合金等多種材料。同時,鑄件的鑄造過程還包括多次的“陰陽”轉(zhuǎn)換,即先制成蠟?zāi)D>?,?jīng)壓蠟形成蠟?zāi)#僬礉{淋砂制得型殼,脫蠟后形成型腔,經(jīng)澆注成型成最終的鑄件。繁雜的陰陽轉(zhuǎn)換,雖然可使得熔模精鑄工藝成型結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的鑄件,但也給鑄件的尺寸精度控制帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
本文根據(jù)某航空發(fā)動機(jī)廠家的設(shè)計(jì)部門和主機(jī)廠提出的要求,以某航空發(fā)動機(jī)中使用的高溫合金緊湊型鑄件作為應(yīng)用研究對象,設(shè)計(jì)了陶瓷芯、水溶芯相結(jié)合的整體蠟?zāi)D>叻桨?,有效制作出符合要求的整體蠟?zāi)#⑦M(jìn)行了鑄件樣件的實(shí)際澆注和解剖測量,鑄件的內(nèi)腔尺寸滿足設(shè)計(jì)要求,為鑄件的后續(xù)批量制造與合格率的提升提供了技術(shù)支持。
本文研究的目標(biāo)鑄件結(jié)構(gòu)緊湊,最大外徑為170 mm,高度為177 mm,最小壁厚為1.5 mm,含多處油管和安裝凸臺,內(nèi)腔復(fù)雜,有兩處懸空設(shè)計(jì),控制尺寸達(dá)120多個,鑄件模型的剖面圖如圖1所示。復(fù)雜的零件結(jié)構(gòu),尤其狹小的多層內(nèi)腔,給蠟?zāi)5闹苽鋷砹撕艽蟮奶魬?zhàn)。
傳統(tǒng)熔模精鑄工藝中通常采用模具來制備蠟?zāi)?,但因蠟?zāi)D>叩闹圃鞎r間長,導(dǎo)致復(fù)雜鑄件整體制造周期大幅度延長,對主機(jī)的研制和生產(chǎn)進(jìn)度造成了很大的影響。3D打印技術(shù)為復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的精密成型帶來了新的契機(jī),其中以光固化3D打印(SLA)技術(shù)的應(yīng)用最為突出[1-3]。本文嘗試采用3D打印熔模。
采用聚苯乙烯(PS)樹脂粉為原料,通過采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制備的PS樹脂熔模如圖2所示。圖2(a)為打印的熔模的外形,考慮到澆注系統(tǒng)組合的方便性,也將澆冒口一起進(jìn)行了打印成型。由于鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,考慮到PS粉打印后內(nèi)腔粉體無法有效清除等原因,只能采用分塊打印熔模再拼接的工藝方式,但無法有效控制內(nèi)部拼接縫的膠水用量,容易導(dǎo)致在鑄件內(nèi)腔形成焊瘤,如圖2(b)所示,堵塞了空腔,造成PS樹脂熔模的3D打印失敗。本文采用SLA打印的光敏樹脂熔模如圖3所示。由圖3可知,光敏樹脂熔模表面光潔、結(jié)構(gòu)完整,因此,首先采用3D打印的光敏樹脂熔模進(jìn)行該鑄件精鑄用陶瓷型殼的制備,以驗(yàn)證3D打印光敏樹脂熔模的適用性。
(a) 3D蠟?zāi)F唇?/p>
(b) 局部放大圖2 PS樹脂熔模
圖3 SLA光敏樹脂熔模
熔模制備完成后,接下來的工序?yàn)橹茪?,將蠟?zāi)P螤顝?fù)制到型殼上。所涉及的鑄件有幾處狹窄內(nèi)腔,該部位型殼的制備存在較大的難度。在型殼制備過程中,當(dāng)熔模浸入到面層漿料中時,流動性較好的面層漿料可以完全覆蓋在熔模表面,而粒度為80~120目的鋯英砂也能夠通過“雨淋式”的撒砂方式,進(jìn)入狹窄內(nèi)腔處,經(jīng)干燥得到質(zhì)量較好的面層。然而,隨著背層沾淋次數(shù)的增多,狹窄空腔很難被背層漿料完整涂覆,粒度較大的背層砂料也難以進(jìn)入到狹窄的空腔處,導(dǎo)致該處的型殼出現(xiàn)質(zhì)量風(fēng)險。本文采用前期研發(fā)的灌漿料,往縫隙的空腔內(nèi)灌注漿料,漿料經(jīng)一段時間自行固化形成型芯,充填了面層沾漿淋砂后留下的空腔,為型殼提供一定的加強(qiáng)支撐。鑄件狹窄空腔的復(fù)雜結(jié)構(gòu),給灌漿制備型芯的操作帶來很大困難。圖4(a)為淋砂時內(nèi)部砂子堆積占位,圖4(b)中間為灌漿料,周邊存在較多孔洞,影響強(qiáng)度。脫蠟后,狹小縫隙內(nèi)腔的型殼(沾漿淋砂及灌漿形成的芯子)發(fā)生斷裂現(xiàn)象,從型殼上掉落,無法形成完整的型殼。
(a) 沾漿淋砂
(b) 灌漿固化后的截面圖4 型殼內(nèi)腔
根據(jù)上述3D打印對熔模沾漿淋砂制殼的研究結(jié)果可知,采用澆注固化的方式在鑄件狹窄空腔處形成陶瓷型芯,存在較多的缺陷,很可能會造成澆注時在該處的“漏鋼”缺陷。因此,本文采用了型芯來解決狹窄空腔的成型問題。陶瓷型芯是將耐火材料與礦化劑、增塑劑混合后,在專用的壓芯機(jī)上壓制成型,并經(jīng)高溫焙燒而成[4]。陶瓷型芯在濕坯,尤其高溫焙燒階段,容易變形,精度難以控制,其尺寸調(diào)整需要多次迭代,開發(fā)周期長。實(shí)踐表明,尺寸大、壁厚的陶瓷芯尺寸控制更加困難。而水溶芯可以形成具有復(fù)雜形狀且相對較為寬大的內(nèi)腔。其彎曲強(qiáng)度最高可達(dá)約6 MPa,在水中浸泡5~6 h即可潰溶;十分適用于各種帶復(fù)雜寬大內(nèi)腔的精密鑄件的制造[5]。本項(xiàng)目采用蠟?zāi)D>呓Y(jié)合陶瓷芯與水溶芯制備蠟?zāi)?,狹窄的縫隙采用陶瓷芯,而寬大內(nèi)腔采用水溶芯。
在壓蠟前,將陶瓷型芯與水溶芯預(yù)先放入壓型,使用壓蠟機(jī),將融化的型蠟注入壓型的空腔內(nèi),經(jīng)保壓冷卻,即可得到需要的蠟?zāi)?。將帶有可溶性型?水溶芯)的蠟?zāi)7湃胨校苄颈蝗芙馊コ?,即可得到具有?fù)雜內(nèi)腔的蠟?zāi)!L沾尚托韭裨谙災(zāi)V?,隨著蠟?zāi)R黄鹫礉{淋砂,脫蠟后與外部的陶瓷殼型一起形成精鑄鑄型。
根據(jù)鑄件內(nèi)腔模型,在狹窄內(nèi)腔部位采用陶瓷型芯,較寬的內(nèi)腔部位采用水溶芯來形成,根據(jù)分型條件,將水溶芯分成2部分。涉及的鑄件共需要2件水溶芯和4件陶瓷芯,其模型如圖5所示。水溶芯1、水溶芯2及陶瓷芯1的實(shí)物裝配關(guān)系如圖6所示。
a) 水溶芯1
(b) 水溶芯2
c) 陶瓷芯1
(d) 陶瓷芯2
(e) 陶瓷芯3
(f) 陶瓷芯4圖5 水溶芯與陶瓷型芯模型
圖6 型芯實(shí)物裝配
將分別制備完成的水溶芯、陶瓷型芯裝配到蠟?zāi)D>呱?。蠟?zāi)5耐庑我脖容^復(fù)雜,需要分塊設(shè)計(jì),圖7顯示外模分成7塊,以不同顏色顯示相鄰的模具分塊,各分塊以底部的滑動導(dǎo)軌定位并用螺絲鎖緊。模具組合完成后,在壓蠟機(jī)上完成蠟?zāi)V苽?。圖8為蠟?zāi)褐仆瓿桑饽7植鸷蟮默F(xiàn)場圖。蠟?zāi)H〕龊螅胖迷谒腥芙鈨?nèi)部的水溶芯(見圖9)。待水溶芯去除干凈后,蠟?zāi)<粗苽渫瓿桑纯赊D(zhuǎn)入沾漿淋砂工序。
(a) 蠟?zāi)=Y(jié)構(gòu)示意
(b) 型芯裝配示意圖7 蠟?zāi)TO(shè)計(jì)示意
圖8 蠟?zāi)褐仆瓿蓪?shí)物
圖9 水溶芯溶解過程
經(jīng)過制殼和澆注后,獲得試驗(yàn)件,其外形尺寸采用3D藍(lán)光掃描測量,結(jié)果如圖10所示。在此基礎(chǔ)上,對鑄件進(jìn)行解剖,測量其內(nèi)部尺寸,從檢測結(jié)果來看,除了個別位置加工余量較多,鑄件尺寸基本滿足公差要求。圖11給出的是鑄件狹窄空腔處的解剖實(shí)物照片,鑄件的狹窄空腔成型完整,表明本工藝方案對于成型具有復(fù)雜狹窄空腔結(jié)構(gòu)的鑄件具有較好的適用性。
圖10 鑄件外形尺寸測量圖
圖11 鑄件狹窄空腔處照片
熔模是精鑄件的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),復(fù)雜內(nèi)腔緊湊型精鑄件的整體熔模成型較困難,本文開展了多種熔模成型方式的分析研究。結(jié)果表明: 由于熔模存在復(fù)雜的狹小內(nèi)腔,后續(xù)沾漿淋砂技術(shù)目前還不成熟,窄縫處澆注固化陶瓷型芯無法正常成型,導(dǎo)致本項(xiàng)目的蠟?zāi)o法通過3D打印制備。經(jīng)驗(yàn)證,采用了陶瓷型芯、水溶芯相結(jié)合的蠟?zāi)D>咴O(shè)計(jì)方案,并制作出符合要求的整體蠟?zāi)?。?jīng)對鑄件進(jìn)行實(shí)際澆注并解剖測量得知,鑄件的內(nèi)腔尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。