基于3D打印的叶轮快速熔模铸造工艺研究_孙丹

３Ｄ 打印技术是基于数学模型的并通过层积材料来 创 建 新 实 体 制 品 。 该 技 术 能 有 效 缩 短 研 发 周 期 ，降 低 成 本。比较适合于熔模铸造领域 。 ［３］
本 课 题 以 闭 式 离 心 泵 为 研 究 对 象，开 展 了 基 于 ＪＭａｔＰｒｏ、ＰｒｏＣＡＳＴ 以及３Ｄ 打印的快速 熔 模 铸 造 技 术 研究，首次将叶轮材料 属 性 加 入 到 数 值 模 拟 过 程 中，增 加模拟结果对实际生产的参考性。通过观察叶轮凝固 过程，研究其是否存在缩孔 、缩 松 等 缺 陷 。 ［４］ 研 究 叶 片 的充填及凝固过程，避 免 在 叶 片 部 分 出 现 熔 接 痕，影 响 产品质量。快速熔模铸造技术是将数值模拟与传统铸 造 工 艺 结 合 ，能 有 效 降 低 研 发 成 本 ，缩 短 生 产 周 期 ，可 实 现形状复杂零件的小批量快速生产 。 ［５］
的传 热 系 数 为 １ ０００ Ｗ／（ｍ２ · Ｋ），型 壳 预 热 温 度 为 １ ０００ ℃，浇注温度为１ ５５０ ℃。
试验中 使 用 的 型 壳 主 要 化 学 成 分 （质 量 分 数 ）为 ３３％ 的 莫 来 石，３３％ 的 ＳｉＯ２，１６％ 的 ＺｒＯ２，１８％ 的 Ａｌａ）热 导 率
（ｂ）比 热 容
图 ２ ３０４ 不 锈 钢 及 比 热 容
２．２ 浇 注 系 统 采 用 的 两 种 浇 注 系 统 见 图 ３。
（ａ）二 维 图
（ａ）顶 部 浇 注
（ｂ）底 部 浇 注
图 ３ 两 种 浇 注 系 统
图４为模拟的两种浇注系统的固相率分布。可以
看出，两种浇注系统在 数 值 模 拟 时，均 能 实 现 自 下 而 上
品合格。
图 ８ 顶 部 浇 注 系 统 型 壳
图 ９ 叶 轮 成 品
（ａ）顶 部 浇 注
（ｂ）底 部 浇 注
图 ５ 铸 件 凝 固 后 内 部 缩 孔 、缩 松 分 布
从凝固模拟看出，两 种 浇 注 系 统，蜡 都 可 以 从 侧 面 流 出 ，不 会 影 响 到 型 壳 的 质 量 。
３．２ 叶 轮 叶 片 充 型 质 量
铁 ，２０１３，２１（２）：７９－８５． ［６］ 刘雅娟，陈东风．消失模铸造 镁 合 金 铸 件 表 面 改 性 研 究 ［Ｊ］．铸 造 技
术 ，２０１１，３２（８）：１ １２０－１ １２４． ［７］ 赵忠，樊自田，唐 波．镁 合 金 消 失 模 铸 造 压 力 凝 固 工 艺 研 究 ［Ｊ］．铸
造 ，２０１０，５９（１）：１２－１５． ［８］ 柯尉，蒋斌松．改 进 ＭＧＭ（１，Ｎ）模 型 在 赛 果 公 路 隧 道 变 形 预 测 中
（ａ）顶 部 浇 注
（ｂ）底 部 浇 注
图 ６ 充 型 速 度 为 ０．７５ ｍ／ｓ时 两 种 浇 注 系 统 下 铸 件 充 填 效 果
（ａ）顶 部 浇 注
（ｂ）底 部 浇 注
与 决 策 ，２０１１，２６（６）：８０６－８１０．
（编 辑 ：栗 万 仲 ）
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基于３Ｄ 打印的叶轮快速熔模铸造工艺研究 孙 丹 等
闭式离心泵叶轮的前盖与后盖之间有一个复杂的 内腔结构，叶片作为叶 轮 内 腔 的 主 要 组 成 部 分，其 工 作 环 境 恶 劣 ，叶 片 质 量 直 接 关 系 到 叶 轮 的 使 用 寿 命 。 传 统 加 工 方 法 难 以 制 造 ，目 前 主 要 采 用 熔 模 铸 造 生 产 闭 式 离 心 泵 叶 轮 。 传 统 熔 模 铸 造 的 蜡 模 通 常 由 模 具 制 造 ，类 似 于塑料注塑成型 。 ［１］ 在较低的压力和温度下，金属 模 具 的 制 作 成 本 比 较 高 ，并 且 制 作 耗 时 ，模 型 越 复 杂 ，制 造 成 本 越 高 ［２］。
的顺序凝固。
（ｂ）３Ｄ 打印蜡模 图１ 闭式叶轮二维图纸及３Ｄ 打印蜡模
１．２ 边 界 条 件 和 参 数 设 置 边界条件的设置和材料热交换参数的选择与铸造
过程数值模 拟 的 准 确 性 有 着 紧 密 的 关 系。３０４ 不 锈 钢
（ａ）顶 部 浇 注
（ｂ）底 部 浇 注
图 ４ 浇 注 后 铸 件 的 凝 固 顺 序
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特 种 铸 造 及 有 色 合 金 ２０１６ 年 第３６ 卷 第１１ 期
３ 结果和讨论
３．１ 缺 陷 分 布 当收缩率为 ０．４％ 时，叶 轮 内 部 的 缩 孔、缩 松 见 图
５。由图５可知，叶 轮 铸 件 内 部 几 乎 不 存 在 缩 孔、缩 松， 说明两种浇注系统的设计合理。
件 见 图 ９。 可以看出生产出 的 叶 片 充 型 完 整，没 有 熔 接 痕，产
％
ｗＢ Ｃｒ Ｎｉ Ｍｎ Ｓｉ Ｃ Ｐ Ｓ １８．１４ ９．４４ １．１４ ０．７６ ０．０５８ ０．０３１ ０．００４
Ｆｅ 余量
３０４ 不 锈 钢 的 热 导 率 、比 热 容 随 温 度 的 变 化 见 图 ２。
１ 试验工作
１．１ 几 何 模 型
图１为闭式 叶 轮 二 维 图 及 ３Ｄ 打 印 蜡 模。 叶 轮 有 １７个厚度为２ｍｍ 的 叶 片，外 环 的 最 大 直 径 为２５４．２ ｍｍ。首先制作叶轮蜡 模 模 型 装 配 浇 注 系 统，然 后 制 作 型壳，再进行脱蜡处 理（在 １８０ ℃ 脱 蜡 釜 中 进 行），最 后 在１ ０００ ℃的焙烧炉中加热 ４ｈ。３０４不锈钢叶轮 材 料 在 真 空 熔 炼 炉 中 熔 炼 ，在 重 力 作 用 下 浇 注 。
叶 片 作 为 叶 轮 中 的 主 要 工 作 部 件 ，其 力 学 性 能 要 求 较高，为保证其在铸造 过 程 中 的 质 量，观 察 铸 件 内 部 叶 片的充填顺序。为了排除充型速度对成形效果的影响， 采用０．７５ｍ／ｓ和１．２５ｍ／ｓ两种浇注速 度，其 充 型 情 况 见 图 ６ 和 图 ７。
［３］ 陈玉莲，张明．振动浇注和变 质 对 合 金 组 织 的 影 响 ［Ｊ］．特 种 铸 造 及
有色合金，２０１３，３３ （９）：８６１－８６４． ［４］ 潘凤英，杨争光，扈 广 麒．消 失 模 铸 造 过 程 中 型 砂 对 负 压 度 的 影 响
［Ｊ］．金 属 加 工 （热 加 工 ），２０１５，４０（１７）：２１－２３． ［５］ 刘伟明，高成勋．消失模 Ａｌ合 金 铸 件 缺 陷 的 形 貌 特 征 ［Ｊ］．现 代 铸
２．１ 材 料 属 性
采用ＪＭａｔＰｒｏ有限元 进 行 数 值 模 拟。 根 据 合 金 内 金 属 元 素 含 量 的 不 同 ，可 以 获 得 相 对 准 确 的 合 金 热 物 理
性 能 和 力 学 性 能 。３０４ 不 锈 钢 的 化 学 成 分 见 表 １。
表 １ ３０４ 不 锈 钢 的 化 学 成 分
（ａ）密 度
（ｂ）抗 拉 强 度
（ｃ）硬 度
图１ ＭＧＭ（１，ｍ）模型预测 ＺＬ１０１铝合金消失模铸造压力下成形的密度和力学性能
４ 结 语
通过灰色 ＭＧＭ（１，Ｎ）建 立 了 ＺＬ１０１ 铝 合 金 消 失 模 铸 造 压 力 大 小 与 铸 件 力 学 性 能 的 关 系 ，并 通 过 模 型 预 测在不同的 压 力 下 ＺＬ１０１ 铝 合 密 度、抗 拉 强 度、硬 度， 试 验 表 明 模 型 有 较 高 的 预 测 精 度 ，既 可 以 拟 合 又 可 用 于 预测，对 ＺＬ１０１铝合生产和使用具有指导意义。
精密铸造
特 种 铸 造 及 有 色 合 金 ２０１６ 年 第 ３６ 卷 第 １１ 期
基于３Ｄ 打印的叶轮快速熔模铸造工艺研究
孙 丹 徐新成 汪东红 刘坤锋 （上 海 工 程 技 术 大 学 材 料 工 程 学 院 ）
摘 要 传统熔模铸造蜡模制备费时长、成本高，不适用于复杂零件的生产，而采用基于３Ｄ 打印技术的蜡模成 型 技 术 可 有 效解决此问题。采用ＪＭａｔＰｒｏ软件计算叶轮 材 料 的 基 本 属 性。 选 用 ＰｒｏＣＡＳＴ 软 件 分 析 不 同 类 型 浇 注 系 统 的 成 形 效 果。 根据数值模拟结果优化了浇注系统。 关键词 ３Ｄ 打印；叶轮；熔模铸造；数值模拟；工艺优化 中 图 分 类 号 ＴＧ２４９．５ 文 献 标 志 码 Ａ ＤＯＩ：１０．１５９８０／ｊ．ｔｚｚｚ．２０１６．１１．０１５
Ｒａｐｉｄ Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｉｍｐｅｌｌｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ３ＤＰｒｉｎｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｓｕｎ Ｄａｎ，Ｘｕ Ｘｉｎｃｈｅｎｇ，Ｗａｎｇ Ｄｏｎｇｈｏｎｇ，Ｌｉｕ Ｋｕｎｆｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｃａｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｎｏｔ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｃｏｍｐｌｅｘ ｐａｒｔｓ ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ｔｉｍｅ－ｃｏｎｓｕｍｉｎｇ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｃｏｓｔｓ．Ｗａｘ ｐａｔｔｅｒｎ ｍａｋｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ３Ｄ－ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｃａｎ ｓｏｌｖｅ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＪＭａｔＰｒｏ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｇａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＰｒｏＣＡＳＴ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｇａｔｉｎｇ ｓｙｓ－ ｔｅｍ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｉｌｌｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｔｈｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ＰｒｏＣＡＳＴ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：３Ｄ－Ｐｒｉｎｔｉｎｇ，Ｉｍｐｅｌｌｅｒ，Ｉｎｖｅｒｓｔｍｅｎｔ Ｃａｓｔｉｎｇ，Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ