消失模技術(shù)在潛水泵生產(chǎn)中的應(yīng)用

董曉麗，尚懷元，董云雷，史海玲，崔 康

(1.北京機(jī)科國創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院有限公司，北京 100083； 2.山西天海泵業(yè)有限公司，山西 運(yùn)城044001；3.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083)

0 引言

我國井用潛水電泵已廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、工礦、化工和人民生活中。近幾年，產(chǎn)品發(fā)展迅速，全國范圍內(nèi)17個(gè)省市近千家企業(yè)生產(chǎn)井用潛水泵，年產(chǎn)量為300萬～400萬臺(tái)。以井用潛水泵中典型產(chǎn)品200QJW60-114為例，鑄件質(zhì)量為108 kg，占整個(gè)產(chǎn)品中85%。單臺(tái)泵鑄件按300萬臺(tái)/年計(jì)算，需要成品鑄件32.4萬t/年。其中，葉輪和導(dǎo)流殼為井用潛水泵核心部件，兩者過流部件均為空間曲面，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用傳統(tǒng)砂型鑄造工藝，存在操作技術(shù)水平要求高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、易產(chǎn)生合箱錯(cuò)位、葉片分布不均等問題，造成零部件壁厚不均、結(jié)構(gòu)一致性差等缺陷。另外，傳統(tǒng)砂型鑄造的作業(yè)環(huán)境惡劣，導(dǎo)致年輕員工進(jìn)入鑄造行業(yè)意愿不強(qiáng)，行業(yè)招工難問題日益突出[1]。采用消失模鑄造技術(shù)可以有效解決上述問題。

1 消失模鑄造技術(shù)特點(diǎn)

消失模鑄造是目前國際上最先進(jìn)的鑄造工藝之一，被譽(yù)為是鑄造史上的一次革命，是21世紀(jì)“綠色集約化鑄造的主要途徑”，在鑄造生產(chǎn)中占有越來越重要的地位[2]。

真空負(fù)壓消失模鑄造是將涂有耐火材料涂層的聚苯乙烯泡沫材料模樣放入砂箱，采用不添加任何粘結(jié)劑的干砂填充造型，在澆注和凝固期間砂箱型腔保持一定負(fù)壓，使干砂具有一定強(qiáng)度并緊裹模樣。澆注時(shí)高溫金屬液使模具熱解“消失”，同時(shí)通過抽負(fù)壓，砂箱內(nèi)形成了排氣循環(huán)，使?jié)沧⒔饘僖汉笈菽瓱峤鈿饣a(chǎn)生的氣體瞬間排到砂箱型腔之外，金屬液占據(jù)模樣空間而獲得鑄件的工藝[3]。

消失模鑄造所生產(chǎn)的鑄件，具有尺寸形狀精確，表面粗糙度好的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)鑄造相比，該技術(shù)減少加工余量6%～10%，可大大降低機(jī)加工成本，降低對(duì)工人的熟練度要求，減少制模和清砂時(shí)間，提高產(chǎn)品合格率、生產(chǎn)效率和型砂復(fù)用率，提升自動(dòng)化水平，降低勞動(dòng)強(qiáng)度[4]。消失模鑄造工藝特別適合形狀復(fù)雜的鑄件，可應(yīng)用于鑄鋼、鑄鐵、鑄銅和鑄鋁等多種材質(zhì)鑄件的快速制造。與傳統(tǒng)鑄造工藝相比，具有較強(qiáng)的競爭力[3]。

2 葉輪鑄造工藝

2.1 工藝流程

以葉輪為例，開展?jié)撍孟ｈT造生產(chǎn)工藝流程的研究，如圖1所示[5]。

2.2 葉輪技術(shù)要求

葉輪零件外形如圖2所示。其中，未注圓角為R2～R3，未注倒角為C1，平衡孔的周向位置以不傷葉片為準(zhǔn)，葉輪最大外圓不平衡允差為1 g，在蓋板前去重，不得超過蓋板厚度的1/3，鑄件不應(yīng)有砂眼縮孔等缺陷。葉片最小厚度為2 mm，在葉片入口邊和出口邊處。

圖2 葉輪零件圖

2.3 鑄造工藝參數(shù)分析

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮葉輪加工面和非加工面、EPS白模收縮率、鑄件收縮率、薄壁厚度(前后蓋板4 mm，葉片最小厚度2 mm)、同時(shí)冷卻、成型后缺陷等因素，鑄件在非過流面處加厚1.4～1.7 mm，加工面加厚1.5～1.8 mm(軸孔處加厚1.4～1.7 mm)[6]。要求鑄件應(yīng)無氣孔、砂眼、皺皮、粘砂等缺陷，如圖3所示。

圖3 葉輪鑄件圖

2.4 模具制作

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用一個(gè)分型面工藝方案，有效減少由合箱錯(cuò)位造成的飛邊、毛刺等缺陷。根據(jù)產(chǎn)品鑄件圖，制作泡塑氣化模具。因其具有鑄造性能好、無熱裂傾向、氣密性高、線收縮小、高強(qiáng)度、可熱處理強(qiáng)化和耐蝕性好的優(yōu)點(diǎn)，模具材料選用ZL104。考慮現(xiàn)有成型機(jī)臺(tái)面大小、EPS顆粒的充型流動(dòng)性和冷卻一致性，選擇一模六件模具結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

1.上模 2.料管 3.料棒 4.下模

2.5 EPS預(yù)發(fā)泡和熟化

EPS原始珠粒料選擇與鑄造材料有密切關(guān)系。對(duì)于HT200，EPS原始珠粒料可選用小料4S或國產(chǎn)501料(粒徑0.3～0.4 mm)[7]。EPS原始珠粒不能直接用于白膜發(fā)泡成形，需進(jìn)行預(yù)發(fā)泡處理，轉(zhuǎn)變?yōu)榈兔芏戎榱稀ｈb于原始珠粒在空氣介質(zhì)條件下溫度上限為107.25 ℃，設(shè)定其工藝參數(shù)為蒸汽壓力0.10～0.15 MPa，預(yù)熱溫度78～86 ℃，發(fā)泡溫度98～110 ℃，保溫時(shí)間23～30 s[8]。此外，考慮該薄壁葉輪的葉片最薄處厚度僅2 mm，為了防止葉片變形，其粒徑和密度控制在0.3～0.5 mm和0.024～0.026 g/cm3[9]。為提高EPS預(yù)發(fā)珠粒的流動(dòng)性和彈性，需對(duì)其進(jìn)行沸騰干燥處理和熟化，熟化溫度和時(shí)間參考值為18～25 ℃和7～12 h[8]。

2.6 制模成型及白膜熟化

通過0.8 MPa高壓空氣，將熟化后的低密度顆粒料送入泡塑氣化模具型腔中，通入中壓蒸汽(0.35～0.55 MPa)，通汽時(shí)間23～25 s，保溫時(shí)間7～10 s，使泡沫原料二次發(fā)泡；通冷卻水，冷卻65～80 s，打開模具，葉輪白膜成型。蒸汽溫度和加熱時(shí)間是成型的關(guān)鍵因素，兩者均會(huì)影響表面光潔度。蒸汽溫度過高、加熱時(shí)間過長容易燒白膜，反之則白膜熔合不充分。同時(shí)，蒸汽溫度過低也影響生產(chǎn)效率低[4]。通蒸汽及保溫時(shí)間可根據(jù)蒸汽壓力變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，冷卻時(shí)間可根據(jù)水壓變化調(diào)節(jié)。

白膜成型后，需進(jìn)一步熟化。熟化溫度過高、干燥過快都容易使葉片產(chǎn)生變形[9]。建議熟化溫度和時(shí)間為28 ℃和不低于72 h。

2.7 白膜粘接

根據(jù)潛水泵葉輪的開模需求，葉輪拆成兩個(gè)單獨(dú)的白膜，即前蓋和后蓋(帶葉片)。白膜完成后，使用細(xì)砂紙及刀片修理白模披縫及打料口，利用專用定位工裝進(jìn)行粘接，確保各葉片冷膠涂沫均勻。為防止葉片變形，白膜粘接時(shí)需均勻用力，確保葉片與蓋板無縫隙。白膜組架(含澆注系統(tǒng))如圖5所示。粘接前應(yīng)檢查白模有無損傷；在保障粘接牢固條件下，盡量減少熱膠用量，防止產(chǎn)生膠瘤；流道粘接處涂層均勻、細(xì)致。

圖5 白膜組架示意

2.8 白膜沾漿

白膜沾漿的涂料由桂林5號(hào)、石英砂、石墨和水，按1∶10∶0.5∶(10～13)比例配制，要求涂料混合均勻，密度一致性好。白膜沾漿涂層干燥后，要有一定的透氣性，線性膨脹系數(shù)不宜過大[9]。將粘接好的白膜表面沾漿3次，沾漿層應(yīng)均勻，氣泡、漏白應(yīng)用涂料補(bǔ)涂，注意防止涂料積瘤；在沾漿過程中，要確保葉片幾何形狀不變；澆口杯處加大沾漿層厚度；涂層干透后才可沾下層涂料；第1層密度為1 400～1 500 kg/m3，洪干房溫度50～58 ℃；第2層密度為1 500～1 600 kg/m3，洪干房溫度50～58 ℃；第3層密度為1 500～1 600 kg/m3，洪干房溫度10～25 ℃。烘干過程中需避免白模損傷、燒傷。

2.9 造型

造型砂選用寶珠砂(圓外形)代替石英砂可解決產(chǎn)生粘砂問題[1]。同時(shí)，要求型砂溫度≤50 ℃，主目數(shù)為20～40目(占85%以上)，含泥量≤0.3%，水分含量≤1%[3]。另外，砂箱充填緊實(shí)度對(duì)鑄件成型影響很大，緊實(shí)度不足，會(huì)使薄壁零件在金屬溶液沖擊下，產(chǎn)生嚴(yán)重變形、粘砂等缺陷；緊實(shí)度過大，模型將在澆鑄前發(fā)生變形[9]。故采用的填砂方案為底砂高度150～200 mm，距箱頂高度20 mm；16件/組，3組/箱，共計(jì)48/箱。加砂過程：①加底砂，振實(shí)后放入模型；②加砂至模型一半高，振實(shí)；③加砂至模型頂部，振實(shí)，加砂至砂箱頂振實(shí)。加砂結(jié)束后，需要進(jìn)行覆膜。為確保造型過程順利，需注意以下情況：①用塑料薄膜覆蓋砂箱上，放澆口杯，抽真空；②在鑄造過程中，覆膜不能出現(xiàn)破損現(xiàn)象；③覆膜上蓋型砂，厚度約25 mm，防止覆膜破損出現(xiàn)真空度降低的問題。

2.10 澆鑄

鑄件材料HT200執(zhí)行GB/T 9439—2010標(biāo)準(zhǔn)，化學(xué)成分為C(3.0～3.6)、S(≤0.12)、P(<0.15)、Mn(0.6～1.0)和Si(1.4～2.0)，具有較好鑄造性能和經(jīng)濟(jì)性，但要嚴(yán)格控制鑄件材料中的碳含量。合適的負(fù)壓度可以降低金屬液和模樣界面氣壓，提高液態(tài)金屬充型速度和能力，減少鑄件表面炭黑缺陷，提高鑄件的外觀質(zhì)量，還可抑制泡塑模材料的燃燒，促使其氣化，改善環(huán)境[10]。結(jié)合相關(guān)技術(shù)資料和工廠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出澆鑄工藝過程：鐵水出爐溫度1 500～1 580 ℃，扒碴后靜置1～2 min，澆注溫度1 410～1 440 ℃，澆注時(shí)間13 s[11]。真空負(fù)壓0.05±0.01 MPa，保壓負(fù)壓0.02 MPa，保壓時(shí)間5 min，保溫時(shí)間≥0.5 h。澆鑄需要注意：①應(yīng)緩慢開啟負(fù)壓系統(tǒng)，防止負(fù)壓突變引起模樣變形或損傷；②采用先燒后澆工藝方法，澆注前用細(xì)流鐵液緩慢澆鑄，點(diǎn)透直澆道，以防發(fā)氣量過大金屬液反噗飛濺，產(chǎn)生皺皮、夾渣和氣孔等鑄造缺陷；③澆注過程中，澆口杯保證充滿但不能使鐵液外溢；④澆注完后應(yīng)保壓足夠時(shí)間；⑤鑄件保溫到規(guī)定時(shí)間才能翻箱[12]。

2.11 落砂清理

釋放真空，待鑄件冷凝后翻箱，從松散的干砂中取出鑄件，進(jìn)行表面清理，形成合格鑄件。

3 結(jié)束語

采用消失模工藝制造葉輪，消除了傳統(tǒng)砂型鑄造中的人為偏差和鑄造缺陷，零件流道光滑、均勻?qū)ΨQ，壁厚均勻，實(shí)現(xiàn)了工藝出品率>75%，鑄造廢品率<8%，鐵液燒損<3%，澆注余量<5%，舊砂再生回用率≥95%。水泵成品效率提高8%～10%，質(zhì)量穩(wěn)定性提高30%，產(chǎn)品外表面光滑，機(jī)加工量大幅減少。目前，國內(nèi)山西天海泵業(yè)有限公司、鄭州市神龍泵業(yè)有限公司、河北普樂泵業(yè)科技有限公司等均采用消失模技術(shù)進(jìn)行了井用潛水泵規(guī)?；a(chǎn)。其中，山西天海泵業(yè)有限公司更是首次將消失模精鑄工藝引入井用潛水泵行業(yè)，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。