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采用3D打印技术生产灰铸铁叶轮铸件.pdf
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1、圆园24/2现代铸铁收稿日期:2023-11-15修订日期:2024-03-14作者简介:陈保锋(1992.12),河南洛阳人,毕业于江苏大学京江学院材料成型及控制工程专业,主要从事铸铁件的工艺设计及生产工作。采用 3D 打印技术生产灰铸铁叶轮铸件陈保锋,张焕祥,叶书亮(洛阳易普特智能科技有限公司,河南洛阳471000)摘要:介绍了灰铸铁小型单吸叶轮铸件的结构及技术要求,详细阐述了该铸件的生产工艺。为了减少造型工时,降低铸造成本,提高尺寸精度,尽量减少砂型、砂芯数量,运用 3D 打印砂型工艺,采用叠箱的浇注工艺及特殊的砂型分型方案。生产结果显示:铸件尺寸合格,外观质量良好,披缝少,叶片壁厚均匀
2、,且均为未出现冷隔、穿皮、气孔、缩陷、浇不足等缺陷,满足客户需求。最后指出:运用 3D 打印砂型技术,结合独特的叠箱铸造工艺方案,可以提高铸件出品率,降低砂铁比,节省生产成本,简化造型浇注操作流程,提高生产效率。关键词:灰铸铁;叶轮;3D 打印工艺;叠箱工艺中图分类号:TG251文献标志码:B文章编号:员园园猿原愿猿源缘(圆园24)园2原园园21原06Using 3D-printing Technique to Produce Gray Iron Impeller CastingCHEN Bao-feng,ZHANG Huan-xiang,YE Shu-liang(Luoyang Yipute
3、 Intelligent Technology Co.,Ltd.,Luoyang471000,China)Abstract:The structure of small single-suction impeller casting was introduced,the production technology of the casting wasdescribed In details.In order to reduce molding working hours,reduce casting cost,increase dimensional accuracy,as far aspos
4、sible reduce sand mold and sand core number,used 3D-printing sand mold process,used stacked mold pouring processand special mold parting scheme.Production result showed:casting dimension was qualified,appearance quality was good,casting fins were less,wall thickness of impeller was uniform,and no co
5、ld shut,no perforating,no blowhole,no shrinkagedepression,no miss run.All items met requirements of client.Finally pointed out:using 3D-printig mold technique,combinedwith special mold stacked mold pouring process scheme,it was possible to increase casting process rate,reduce sand/ironratio,save pro
6、duction cost,simplify molding and pouring operation flow,increase production rate.Key words:gray iron;impeller;3D-printig process;stacked mold process叶轮是水汽轮机、发动机、膨胀机、泵、风机和压缩机等产品上的关键部件,其作用是对流过的液体或气体进行增压或能量转换。叶轮按其结构分为闭式叶轮、半开式叶轮和开式叶轮 3 大类,其中,闭式叶轮由叶片和前后盖板组成。叶轮叶片通常为不规则曲面,且曲面的翘曲度大、壁厚薄,尺寸精度、形状公差及表面粗糙度等级要求较
7、高,因此制造难度较大,制作工艺繁杂,使闭式叶轮的广泛使用受到限制。1铸件结构及技术要求笔者公司生产的一种单吸闭式叶轮属于圆盘类铸铁件,如图 1 所示,材料牌号 HT250,铸件质量 5 kg,外形尺寸208 mm伊64.5 mm,叶片最薄处厚度仅 2.8 mm,流道开档 15 mm,上下腹板厚度仅 5 mm,其内腔属于典型的薄壁异型曲面结构,中间部分为厚大实心结构,为典型的单吸小叶轮,易出现冷隔、浇不足、憋气等缺陷。技术要求:叶轮流道内光洁平整,无气孔、粘砂、毛刺、Gray Iron21现代铸铁 圆园24/2(a)组合砂芯(b)整体砂芯图 23D 砂型图Fig.23D sand mold dr
8、awing缩陷等铸造缺陷。23D 打印铸造工艺方案采用 3D 打印砂型加叠箱铸造工艺生产叶轮,一型多件,操作简单,克服操作技能对铸件质量的影响,降低冷隔、浇不足等铸造缺陷发生的潜在风险,提高生产效率1。采用叠箱浇注工艺方案,减少浇、冒口处铁液质量,提高工艺出品率(铸件单重 5 kg/件,浇注铁液质量 15 kg,工艺出品率 67%),降低砂铁比(砂铁比 4.2:1)。2.1砂芯设计为了减少造型工时,降低铸造成本,提高尺寸精度,尽量减少砂型、砂芯数量。(1)砂芯分型:采用 3D 打印技术,减少砂芯数量,避免对内腔砂芯进行过多的拆分。每个铸件的内腔结构设计成一个整体砂芯(112101-02-5-2
9、 与 112101-02-5-4 为整体砂芯),5 箱即可完成造型(如图 2 所示),大幅度减少了砂型数量,操作简单1-5。(2)砂芯强度:叶轮的内腔砂芯较为薄弱,上盖板与下盖板开档高度 15 mm,如果设计不合理会导致砂芯极易断裂。为保证砂芯强度,内腔带叶片砂芯单独打印一个整体结构,易于下芯合箱和清砂如图 2(b)所示。(3)尺寸精度:为了保证尺寸精度,将内腔结构设计成整体砂芯,避免过多的组芯带来累计误差。(4)砂型刚度:3D 打印砂型合箱后通过 4 根螺栓牢牢紧固,提高砂型整体刚度,减少铸件因砂型位移而出现变形、壁厚不均等问题。同时砂型不需要围箱,可直接放压铁浇注,降低生产成本。2.2补贴
10、考虑铸件整体壁薄以及涂料层厚度的影响,为避免穿皮、黑皮、浇不足等缺陷产生,在叶轮上、下腹板大面位置增加工艺补贴,补贴量为 1.5mm,图 3 中红色标记位置为补贴部位。2.3浇注系统考虑到叶轮外形小,高度低,且中间为厚大实心结构,采用封闭、阶梯、底注式浇注系统(如图 4 所示),第一层(底层):直浇道截面尺寸30mm,横浇道截面尺寸 34 mm伊15 mm,内浇道截面尺寸 34 mm伊6 mm(共 2 处),各浇道的截面比为 1.73:1.25:1;第二层:各浇道尺寸与第一层相同。使上下两个铸件能够做到同时快速充满,同(a)外形结构(b)剖面结构图 1铸件结构Fig.1Structure of
11、 casting灰铸铁Gray Iron22圆园24/2现代铸铁图 4铸造工艺Fig.4Casting method浇注系统排气系统时凝固,进而减少上下两个铸件的温度差6-7。对于此类薄壁小件,采用高温快浇的浇注方法,将浇注温度控制在 1 5001 530 益,浇注时间 58 s,并且浇满后点冲 12 次,避免因温度过高使中间厚实位置出现缩陷8。利用数值模拟软件对铸件的充型过程和凝固过程进行模拟分析,模拟结果如图 5 和图 6 所示。分析结果显示:上、下 2 个铸件基本做到同时充满、同时凝固,符合工艺设计要求,且铁液充型平稳,凝固结束未发现孤立的液相区,不会产生(a)上腹板(b)下腹板图 3补
12、贴位置示意图Fig.3Sketch of pad location图 5充型过程模拟结果Fig.5Result of mold filling process simulation(a)充型 15%(b)充型 30%(c)充型 50%(d)充型 75%(e)充型 95%(f)充型 100%Gray Iron23现代铸铁 圆园24/2缩孔、缩松倾向,说明此铸造工艺方案在理论上无问题4。3生产验证采用 3D 打印砂型技术结合叠箱的铸造工艺方案生产的此种小型单吸叶轮,浇注工反馈操作简单,浇注温度易控制。经检验,铸件尺寸合格,外观质量良好(如图 7 所示),披缝少,叶片壁厚均匀,且均为未出现冷隔、穿皮
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