熔模鑄造葉片氣膜冷卻孔成型試驗(yàn)研究

（咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電（技師）學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

渦輪葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)中關(guān)鍵零件，為提高其工作效率，在葉片上設(shè)計(jì)氣膜冷卻孔以形成保護(hù)層。氣膜孔是連通葉身內(nèi)腔與外型面的多排圓形小孔，數(shù)目眾多。其直徑小，分布在曲面上，加工難度高，如圖1 所示。這種葉片一般以精密鑄造的方式生產(chǎn)，氣膜孔采用電火花、電液束、超短脈沖激光、微細(xì)超聲等方法進(jìn)行成型加工[1]。熔模鑄造是一種精密鑄造成型工藝，如果能在鑄造過程中實(shí)現(xiàn)氣膜孔的基本成型，將對后續(xù)加工帶來極大便捷。本文采用光敏樹脂對葉片外形、內(nèi)腔直接3D 打印成型，成型后，在氣膜孔位置插入高溫線材，將帶線材的葉片型芯進(jìn)行整體精密鑄造，再溶除線材，實(shí)現(xiàn)原型試件。該試驗(yàn)可以為微小孔精密鑄造成型提供參考。

圖1 葉片鑄件

1 熔模鑄造方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用快速成型技術(shù)（3D 打印）制作出帶氣膜孔的葉片樹脂模型，用以替代熔模鑄造過程中蠟?zāi)＃娓芍茪ず?，進(jìn)行熔模鑄造。其工藝流程如圖2 所示。氣膜孔成型工藝設(shè)計(jì)、型殼制備、型殼焙燒、熔化澆注、鑄件后處理等成型工藝與氣膜孔成型直接相關(guān)，故詳細(xì)制訂其工藝內(nèi)容，合理選擇工藝參數(shù)，總結(jié)適用于熔模精鑄帶氣膜孔葉片的工藝方案。首先選取快速成型技術(shù)制作蠟?zāi)?，?D 打印制件上進(jìn)行氣膜孔成型設(shè)計(jì)，再實(shí)現(xiàn)與熔模精鑄技術(shù)對接。

圖2 葉片熔模精鑄的工藝流程

2 方案實(shí)施與試驗(yàn)

所設(shè)計(jì)的工藝方案中，關(guān)鍵工藝步驟為氣膜孔成型工藝設(shè)計(jì)、型殼制備、型殼焙燒、熔化澆注、鑄件后處理5 個(gè)試驗(yàn)步驟。

2.1 氣膜孔成型工藝設(shè)計(jì)（鑄造前準(zhǔn)備）

采用光敏樹脂DSM Somos Imagine 1 420 材料3D 打印出葉片，如圖3 所示。鑄造前需對葉片試件進(jìn)行表面清潔處理，將高溫線材料插入在葉片氣膜孔位置上，具體過程如表1.

圖3 葉片樹脂模型

2.2 型殼的制備

型殼制備分為兩步。首先是設(shè)計(jì)，包括：1）型殼類型的選型；2）涂料配置。其次是操作，包括：1）涂料和撒砂；2）干燥硬化。其詳細(xì)工藝步驟如表2～表5，每個(gè)步驟中的工藝參數(shù)是查表計(jì)算或根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整，多次嘗試后選取。

2.3 型殼的脫溶和焙燒

型殼干燥完成后，對樹脂模型進(jìn)行脫溶處理。本次試驗(yàn)采用蒸汽脫溶法，該方法加熱速度快，效率高。具體步驟見表6.

2.4 熔煉與澆注

型殼的脫溶和焙燒完成后，進(jìn)入熔煉與澆注階段，熔煉與澆注工藝過程如表7 所示。

表1 氣膜孔成型工藝設(shè)計(jì)

表2 型殼制備設(shè)計(jì)

表3 涂料配置方案

2.5 鑄件的后處理

澆注完畢后，對鑄件表面進(jìn)行清理，復(fù)現(xiàn)氣膜孔，葉片表面清潔等。其工藝過程如表8 所示。

圖4 涂料攪拌現(xiàn)場

圖5 涂料

圖6 沸騰式撒砂機(jī)

圖7 脫蠟釜

表5 型殼干燥參數(shù)

表6 脫蠟和焙燒工藝過程

圖8 焙燒爐

圖9 鋁合金熔化爐

表7 熔煉與澆注工藝過程

表8 鑄件的后處理工藝過程

3 總結(jié)

本文以3D 打印制造葉片樹脂模型設(shè)計(jì)鑄造前處理、型殼的制備、脫蠟焙燒、金屬熔煉、澆注以及鑄件后處理等工藝階段，通過選擇合適的工藝參數(shù)，鑄造出了充型完整、表面質(zhì)量好，無縮松縮孔的帶氣膜孔葉片制件，其氣膜孔清晰可見。本次試驗(yàn)將快速成型技術(shù)與熔模鑄造技術(shù)進(jìn)行對接，是一次新技術(shù)嘗試，還存在許多問題需要解決，比如各個(gè)階段的流程是否恰當(dāng)，試驗(yàn)參數(shù)選型是否合適，操作規(guī)范是否合理等，但是仍然可以為復(fù)雜型面零件上微小孔特征的精密鑄造成型提供參考。