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基于3D打印技术的离心泵叶轮快速精铸工艺研究
发布时间:2016-09-07

基于3D打印技术的离心泵叶轮快速精铸工艺研究

要:以具有典型复杂型面的离心泵叶轮为应用范例,开展了基于3D打印技术的快速精铸工艺研究。 首先基于Pro/E软件建立离心泵叶轮三维模型并进行CAD优化设计,基于RPData软件对叶轮 模型进行前处理,然后通过3D打印机制作叶轮树脂模型并进行后处理,最后以叶轮树脂模型 作为熔模进行熔模精密铸造,最终得到离心泵叶轮精密金属零件。经测量知制得的叶轮铸件 的尺寸精度可达CT4级,表面粗糙度可达Ra6.3um以下。

关键词:3D打印;快速制造;光固化;精密铸造;叶轮

0.引言

        熔模精密铸造是铸造行业中一项优异的新术,是一种新的近净成形先进工艺,它获得的产品精密复杂接近于零件最后形状可不加 或很少加工就直接使用其应用非常广 [1]。 传统熔模精密铸造方法需要通过模具或者 加工来制造熔模生产工艺复杂开发周期长 制造成本高制造精度不易控制尤其是对于 些形状复杂零件的熔模制作异常困难需耗费量的人力物力和财力难以实现复杂精密铸 的快速制造直接影响产品开发效率无法适 快速多变的市场需求因此迫切需要寻找一 快速准确的制作熔模的方法来替代目前传统 熔模制作方式

        3D打印技术是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术被称为具有工业革命意义的制 技术”[2]。3D打印技术的制造原理是基于 制造的思[3],即在计算机控制下以数字 型文件为基础分层处理后运用粉末状金属或料等可粘合材料通过逐层打印的方式 印材料一层叠加起来最终完成零件的成 与制[4,5]。3D 打印与传统的加工工艺通过切削 打磨冲压等来实现产品成型的过程具有本质 仅利用三维设计数据在一台设备上即可快 而精确地制造出任意复杂形状的零件且无需 产生极少的废料有效缩短了加工周期于实现单件小批量复杂形状产品的快速制造,在

非批量化生产中具有明显的成本和效率优[6]

本文以具有典型复杂型面的离心泵叶轮为 用范例研究一种基于3D打印技术的快速精铸

主要技术路线如图1所示首先基于Pro/E 件建立离心泵叶轮的三维模型并进行CAD优化设

再基于RPData软件对叶轮模型进行前处理

                                                   

                                                     图1本文主要技术路线

本文研究的基于3D打印技术的快速精铸工艺通 过 3 D 打 印 机 直 接 制 作 任 意 复 杂 结 构 的 高 精  树脂熔模与传统铸造方法相比省去了模具加制造的环节有效缩短产品开发制造时间减小生产成本可以快速经济地实现复杂形状零 的熔模精密铸造特别适合于复杂形状零件的 高精度生产制造领域具有良好的产业化 用前景

1.光固化快速成型原理

光固化快速成型技术是目前加工精度最高一种3D打印技术,它的成型原理为:以液态光敏零件的分层截面信息逐层对光敏树脂进行扫描,使其产生光聚合反[7],每次固化形成零件的一 薄层截面每一层固化完毕之后工作平台移 一个层厚的高度然后在原先固化好的树脂表 再涂敷一层新的液态树脂以便进行下一层扫 固化新固化的一层牢固的粘合在前一层上 此重复直至零件原型制造完毕具体的光固化3D 打印成形过程如图2所示

                                   

                                                                图2    光固化3D打印成形过

2.叶轮模型CAD优化设计

    P r o / E            模型,如图3、图4所示。由图可知,该离心泵叶

轮主要由叶片后盖板浇冒口等三部分结构 且叶轮结构形状复杂尤其是离心泵叶片 径向与轴向双重扭曲采用传统方法制造叶轮 型将会存在很大的困难模具结构复杂难以 且难以保证制造精度3D打印技术的分

制造特性决定了其制造过程与零件形状复杂程度

 

                                                               

                             图3  离心泵叶轮三维模型                                                 图4   离心泵叶轮模型剖视图

         因 为 金 属 铸 造 零 件 不 可 避 免 地 存 在 收 缩 现需对叶轮模型进行预缩放处理综合考虑 轮材料普通碳钢及后续实际精铸工艺 叶轮铸造过程中的收缩率据此预先将叶轮三 模型按一定的尺寸比例进行放大

为了节约材料提高打印速度对叶轮模 进行抽壳优化设计5所示为在Pro/E软件中利混合扫描的方法对离心泵叶轮模型进行抽壳优化壳壁厚为0.8mm。

                                   

                                               扫图5    混合描                                  图6    抽壳优化后叶轮模型

 

3.叶轮模型3D打印成形

将完成优化设计后的叶轮模型导入RPData件进行前处理,选择成形方向并设计辅助支撑,完成前处理后的叶轮如图7所示

                                                       

                            图7 完成前处理后的叶轮模                                       图8 叶轮模型打印成形过程

将叶轮模型分层处理分层厚度0.1mm, 后转换成激光快速成型机可以识别的数据格式 导入3D打印机然后在RpBuild工艺控制软件中 置好工艺参数后开始直接打印成形8所示为 轮模型打印成形过程9所示为打印成形后的 支撑的树脂叶轮

                                                      

                                                                图9    树脂叶轮打印成形

         为提高原型件的尺寸精度、强度、硬度、表面质行量等性能将打印完成后的叶轮树脂模型 次进行清洗去除支撑后固化表面打磨等 处理工作10所示为对去除支撑后的叶轮树 模型进后固化处理11所示为后处理完成 的叶轮整体树脂模型

                                                    

                           图10  叶轮树脂模型后固化处理图                     图11   经后处理的叶轮树脂模型

4.熔模精密铸造实验

最后将此叶轮树脂模型作为熔模进行熔模密铸造。首先在叶轮树脂模型表面粘制蜡浇铸系在此基础上再进行挂浆撒砂制壳每挂一 浆对应地撒一层砂等前一层型壳干燥硬化后 次挂浆撒砂制下一层型壳且除首次挂浆后撒 英砂外后面每次撒砂都撒莫来砂如此重复进行5 次挂浆并撒砂过程然后再封浆处理待其干硬化后型壳制作完成[8]如图12所

                                                           

                                       图12  制作完成后                                       图13  高温焙烧炉的整体型壳

将型壳整体放入高温焙烧炉里高温脱树脂,如图13所示高温焙烧时间约为1小时等焙烧 毕后型壳内部树脂叶轮消失型壳内部完全 中空结构直接往型壳内部浇铸熔融金属液 14所示

                                           

                        图14   浇铸熔融金属                                                              图15    冷却金属叶轮铸件

冷却后的金属叶轮铸件如图15所示。由图可见,冷却后的金属叶轮外部包覆着一层厚厚的型壳

因为包覆在铸件表面的型壳强度较高 手工方法难以去除坚硬型壳在此本文采用震 脱壳的方法去除型壳将冷却后的金属铸件放 到震动脱壳机上进行震动脱壳如图16所示

                                                    

                                                    图16 震动脱壳                                   图17 脱壳后的铸件正面

        震动脱壳工序完成后铸件表面的型壳被基本清除干净但铸件表面还残留有少难以去除 型壳如图17所示。采 用 火 焰 切 割 机 将 金 属 叶 轮 与 浇 铸 系 统 分离得到两个独立的金属叶轮如图18所示

                                                        

                                                                                   图18    脱壳后的铸件正面

       为了进一步清除金属叶轮表面残留的型壳 并提高零件表面质量对两个金属叶轮进行表 喷砂处理完成喷砂处理后最终得到的两个离 泵叶轮金属零件如图19所示

                                                          

                                                                      图19    离心泵叶轮金属零件

5.叶轮铸件精度测量

       为 了 检 验 本 文 研 究 的 “基 于 3 D 打 印 技 术 的快速精铸技术”具体可以达到的“尺寸精度”及“表面粗糙度这两项性能指标现对前述两离心泵叶轮金属零件分别进行尺寸精度测量及表面粗糙度测量。 

      首先是尺寸精度测量。选择叶轮树脂模型四 个具有代表性且便于测量的尺寸进行测量,尺寸 测量示意图如图20所示。



                                                              


                                                                    图20    尺寸测量示意图

将两个离心泵叶轮金属零件分别编号为1号 、2 号叶轮尺寸测量结果分别如表1 、 在此需要说明的是此处尺寸精度等级按 际通用的熔模铸件尺寸公差等级计算

表1 金属叶轮1号尺寸测量结果

序号

理论值/mm

实测值/mm

绝对误差/mm

尺寸精度等级

1

∮144.55

∮144.52

-0.03

CT4

2

∮61.59

∮61.70

+0.11

CT4

3

4.07

4.26

+0.19

CT4

4

16.29

16.28

-0.01

CT4

表2 金属叶轮2号尺寸测量结果

序号

理论值/mm

实测值/mm

绝对误差/mm

尺寸精度等级

1

∮144.55

∮144.38

-0.17

CT4

2

∮61.59

∮61.71

+0.12

CT4

3

4.07

4.28

+0.21

CT4

4

16.29

16.26

-0.03

CT4

  

       由表1、表2可知,两个离心泵叶轮金属零件的绝对尺寸误差范围为-0.17+0.21mm,且其 寸精度等级都达到CT4级尺寸公差。在完成叶轮产品尺寸精度检验的基上 测量叶轮产品的表面粗糙度在叶轮零件表面别随机选择均匀布置的10个点进行表面粗糙度测量粗糙度测量结果如表34所示由表3、4可知,两个离心泵叶轮金属零 的表面粗糙度范围为2.88um~6.00um,说明表 粗糙度可达Ra6.3um以下。

                         3  金属叶轮1号表面粗糙度测量结

序号

1

2

3

4

5

实测值/um

3.72

3.36

3.80

3.96

4.60

序号

6

7

8

9

10

实测值/um

3.94

3.54

2.88

4.06

4.21

                         表4  金属叶轮2号表面粗糙度测量结

序号

1

2

3

4

5

实测值/um

4.30

6.00

5.60

5.02

5.24

序号

6

7

8

9

10

实测值/um

4.78

3.98

3.80

4.02

4.52

6.结论

   1本文研究了一种基于3D打印技术的离心泵叶轮快速精铸工艺,且其主要工艺过程归纳如首先基于Pro/E软件建立离心泵叶轮的三维 型并进行模型缩放抽壳等CAD优化 RPData软件对叶轮模型进行前处理,选择成 方向并设计工艺支撑然后通过3D打印机直接 印成形得到叶轮树脂模型并进行清洗 打磨后固化等后处理工序最后以此叶 树脂模型为熔模进行熔模精密铸造依次进行 焙烧浇铸脱壳打磨喷砂等工序 得到离心泵叶轮精密金属零件

2)本文研究的基于3D打印技术的离心泵叶 快速精铸工艺所制造的离心泵叶轮金属零件的 寸精度可达CT4级,表面粗糙度可达Ra6.3um以下。

3)本文研究的基于3D打印技术的离心泵叶 快速精铸工艺具有很强的通用性除了离心泵 轮零件以外该工艺也可以广泛应用于其他复 结构零部件的单件小批量快速制造具有良 的产业化应用前景

 

 

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