復雜內腔緊湊型精鑄件整體蠟模模具研究

王國祥，雷四雄，李建中，陳 雅，張民政，蔣 明

(1. 上海交通大學材料科學與工程學院，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)

0 引言

隨著航空、航天、機械、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，輕量化設計往往會帶來部件結構的復雜化和整體化，即原來由多個零件組合的部件，越來越多地被設計成為一個復雜的整體零件。在金屬部件的各種成型工藝中，熔模鑄造技術具有近凈成型的優(yōu)點，所制造的部件尺寸精度高、表面粗糙度低，尤其適用于鑄造結構復雜的薄壁鑄件，被廣泛應用于航空發(fā)動機的空心渦輪葉片、渦輪機匣、航天器電子艙體、汽車發(fā)動機渦輪等復雜結構零部件的制造，在現(xiàn)代制造領域占據(jù)著重要的地位。然而，制造周期長、成本高、冶金質量與尺寸精度控制難度大等問題仍然制約著具有復雜結構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模、制殼、脫蠟、焙燒、合金熔煉和澆注等工序，涉及金屬模具、高分子材料的蠟模、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”轉換，即先制成蠟模模具，經(jīng)壓蠟形成蠟模，再沾漿淋砂制得型殼，脫蠟后形成型腔，經(jīng)澆注成型成最終的鑄件。繁雜的陰陽轉換，雖然可使得熔模精鑄工藝成型結構極其復雜的鑄件，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)動機廠家的設計部門和主機廠提出的要求，以某航空發(fā)動機中使用的高溫合金緊湊型鑄件作為應用研究對象，設計了陶瓷芯、水溶芯相結合的整體蠟模模具方案，有效制作出符合要求的整體蠟模，并進行了鑄件樣件的實際澆注和解剖測量，鑄件的內腔尺寸滿足設計要求，為鑄件的后續(xù)批量制造與合格率的提升提供了技術支持。

1 鑄件結構分析

本文研究的目標鑄件結構緊湊，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，內腔復雜，有兩處懸空設計，控制尺寸達120多個，鑄件模型的剖面圖如圖1所示。復雜的零件結構，尤其狹小的多層內腔，給蠟模的制備帶來了很大的挑戰(zhàn)。

2 熔模及模具的設計與制作

2.1 3D打印熔模

傳統(tǒng)熔模精鑄工藝中通常采用模具來制備蠟模，但因蠟模模具的制造時間長，導致復雜鑄件整體制造周期大幅度延長，對主機的研制和生產進度造成了很大的影響。3D打印技術為復雜結構件的精密成型帶來了新的契機，其中以光固化3D打印(SLA)技術的應用最為突出[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技術制備的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，也將澆冒口一起進行了打印成型。由于鑄件結構復雜，考慮到PS粉打印后內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，但無法有效控制內部拼接縫的膠水用量，容易導致在鑄件內腔形成焊瘤，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、結構完整，因此，首先采用3D打印的光敏樹脂熔模進行該鑄件精鑄用陶瓷型殼的制備，以驗證3D打印光敏樹脂熔模的適用性。

(a) 3D蠟模拼接

(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，接下來的工序為制殼，將蠟模形狀復制到型殼上。所涉及的鑄件有幾處狹窄內腔，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，進入狹窄內腔處，經(jīng)干燥得到質量較好的面層。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入到狹窄的空腔處，導致該處的型殼出現(xiàn)質量風險。本文采用前期研發(fā)的灌漿料，往縫隙的空腔內灌注漿料，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支撐。鑄件狹窄空腔的復雜結構，給灌漿制備型芯的操作帶來很大困難。圖4(a)為淋砂時內部砂子堆積占位，圖4(b)中間為灌漿料，周邊存在較多孔洞，影響強度。脫蠟后，狹小縫隙內腔的型殼(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 型殼內腔

2.2 蠟模模具設計與應用驗證

根據(jù)上述3D打印對熔模沾漿淋砂制殼的研究結果可知，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，其尺寸調整需要多次迭代，開發(fā)周期長。實踐表明，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雜形狀且相對較為寬大的內腔。其彎曲強度最高可達約6 MPa，在水中浸泡5～6 h即可潰溶；十分適用于各種帶復雜寬大內腔的精密鑄件的制造[5]。本項目采用蠟模模具結合陶瓷芯與水溶芯制備蠟模，狹窄的縫隙采用陶瓷芯，而寬大內腔采用水溶芯。

在壓蠟前，將陶瓷型芯與水溶芯預先放入壓型，使用壓蠟機，將融化的型蠟注入壓型的空腔內，經(jīng)保壓冷卻，即可得到需要的蠟模。將帶有可溶性型芯(水溶芯)的蠟模放入水中，待水溶芯被溶解去除后，即可得到具有復雜內腔的蠟模。陶瓷型芯埋在蠟模中，隨著蠟模一起沾漿淋砂，脫蠟后與外部的陶瓷殼型一起形成精鑄鑄型。

根據(jù)鑄件內腔模型，在狹窄內腔部位采用陶瓷型芯，較寬的內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的實物裝配關系如圖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 型芯實物裝配

將分別制備完成的水溶芯、陶瓷型芯裝配到蠟模模具上。蠟模的外形也比較復雜，需要分塊設計，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軌定位并用螺絲鎖緊。模具組合完成后，在壓蠟機上完成蠟模制備。圖8為蠟模壓制完成，外模分拆后的現(xiàn)場圖。蠟模取出后，放置在水中溶解內部的水溶芯(見圖9)。待水溶芯去除干凈后，蠟模即制備完成，即可轉入沾漿淋砂工序。

(a) 蠟模結構示意

(b) 型芯裝配示意圖7 蠟模設計示意

圖8 蠟模壓制完成實物

圖9 水溶芯溶解過程

2.3 試驗件的解剖與尺寸檢測

經(jīng)過制殼和澆注后，獲得試驗件，其外形尺寸采用3D藍光掃描測量，結果如圖10所示。在此基礎上，對鑄件進行解剖，測量其內部尺寸，從檢測結果來看，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雜狹窄空腔結構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

3 結論

熔模是精鑄件的基礎環(huán)節(jié)，復雜內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。結果表明： 由于熔模存在復雜的狹小內腔，后續(xù)沾漿淋砂技術目前還不成熟，窄縫處澆注固化陶瓷型芯無法正常成型，導致本項目的蠟模無法通過3D打印制備。經(jīng)驗證，采用了陶瓷型芯、水溶芯相結合的蠟模模具設計方案，并制作出符合要求的整體蠟模。經(jīng)對鑄件進行實際澆注并解剖測量得知，鑄件的內腔尺寸滿足設計要求。