叶轮快速成型件的熔模铸造工艺与数值模拟研究

摘要

熔模铸造是一种材料净成型技术，通过该技术可生产复杂结构的精密铸件。但其工艺存在制造过程繁琐，生产周期较长、废品率较高等缺点。计算机模拟仿真技术和快速成型技术的迅速发展为熔模铸造带来新的发展方向，这些技术可以缩短熔铸铸造的试验和生产周期，提高经济效益和市场竞争力。本文就数值模拟和FDM快速成型技术在熔模铸造中应用进行了研究，借助于数值模拟仿真技术优化设计叶轮浇注方案；借助于快速成型技术快速生成PLA叶轮模具，简化了工艺流程缩短了制模时间，最后通过浇注验证了数值模拟的准确性和快速制模的可行性。
　　首先，用三维绘图软件Pro/E绘制了叶轮模型，然后对叶轮模型设计了顶注式浇注方案，再运用铸造数值模拟软件ProCAST对顶注式方案进行了数值模拟，具体工艺参数设置为：浇注铝合金液温度720℃，浇注速度0.15m/s，将型壳预热到300℃。数值模拟结果显示：充型过程存在紊流，叶片中心部位产生较大的缩松缩孔缺陷，并且叶片根部与壳体连接处存在221Mpa应力易造成铸件缺陷。改进方案采用了侧注式浇注系统，在壳体上中下部位各设置一个浇口，模拟试验参数与原方案相同，结果表明侧注式浇注系统充型过程平稳，横浇道和内浇口的设计有助于顺序凝固，让铸件得到有效的补缩，降低了叶片的缩孔缩松。最大缩孔率为0.69出现在叶片和壳体连接部位，最大应力为158Mpa出现在叶片根部。侧注式浇注方案缩松缩孔率和最大有效应力均小于顶注式方案且满足使用需求。
　　其次，运用FDM快速成型技术，使用了自制的kossel结构FDM3D打印机打印出叶轮实体模型，对提高铝合金叶轮FDM打印精度做了相关讨论和分析，根据PLA和铝合金的收缩率建立了修正比例为1.013的模型，针对叶轮的结构特征在每个叶片下面设置20mm*20mm*14mm的支撑，支撑选择30％填充，叶轮主体采用100％填充。每个单层设置三层轮廓，直线填充，层高0.2mm，填充速度70mm/s，打印托盘温度设置为60℃.经过2小时打印后获得叶轮模型，去除支撑后获得叶轮实体，最后通过快速成型2小时成功制作出精度为0.2mm的PLA叶轮实体。将叶轮模型粘接在蜡浇道后，根据模具的特性选择硅溶胶作为粘接剂制定了4层制壳工艺。
　　最后，研究了脱PLA模的过程。用高压釜脱蜡后进行焙烧脱去PLA模，清洗检查后进行浇注。在焙烧过程中，加热温度至250℃后保持一个小时，PLA叶轮模型分解为二氧化碳、水、乙醛、一氧化碳，实现了脱PLA模。并使用模拟方案的工艺参数进行浇注。实验表明，快速成型的PLA模具可以应用于熔模铸造，叶轮铸件完整质量良好验证了数值模拟的准确性。
　　以上研究结果表明，ProCAST数值模拟软件可以准确预测熔模铸造的缺陷，对产品试制阶段工艺参数、浇注方案的设计和改进提供了可靠的参考；使用FDM成型制作的PLA叶轮模型可直接作为熔模铸造模具具有可行性，为FDM快速成型技术在熔模铸造上应用提供探索的案例和方法。