采用3D打印技术生产灰铸铁叶轮铸件.pdf

圆园24/2现代铸铁收稿日期：2023-11-15修订日期：2024-03-14作者简介：陈保锋（1992.12），河南洛阳人，毕业于江苏大学京江学院材料成型及控制工程专业，主要从事铸铁件的工艺设计及生产工作。采用 3D 打印技术生产灰铸铁叶轮铸件陈保锋，张焕祥，叶书亮（洛阳易普特智能科技有限公司，河南洛阳471000）摘要：介绍了灰铸铁小型单吸叶轮铸件的结构及技术要求，详细阐述了该铸件的生产工艺。为了减少造型工时，降低铸造成本，提高尺寸精度，尽量减少砂型、砂芯数量，运用 3D 打印砂型工艺，采用叠箱的浇注工艺及特殊的砂型分型方案。生产结果显示：铸件尺寸合格，外观质量良好，披缝少，叶片壁厚均匀，且均为未出现冷隔、穿皮、气孔、缩陷、浇不足等缺陷，满足客户需求。最后指出：运用 3D 打印砂型技术，结合独特的叠箱铸造工艺方案，可以提高铸件出品率，降低砂铁比，节省生产成本，简化造型浇注操作流程，提高生产效率。关键词：灰铸铁；叶轮；3D 打印工艺；叠箱工艺中图分类号：TG251文献标志码：B文章编号：员园园猿原愿猿源缘（圆园24）园2原园园21原06Using 3D-printing Technique to Produce Gray Iron Impeller CastingCHEN Bao-feng，ZHANG Huan-xiang，YE Shu-liang（Luoyang Yipute Intelligent Technology Co.,Ltd.，Luoyang471000，China）Abstract：The structure of small single-suction impeller casting was introduced，the production technology of the casting wasdescribed In details.In order to reduce molding working hours，reduce casting cost，increase dimensional accuracy，as far aspossible reduce sand mold and sand core number，used 3D-printing sand mold process，used stacked mold pouring processand special mold parting scheme.Production result showed：casting dimension was qualified，appearance quality was good，casting fins were less，wall thickness of impeller was uniform，and no cold shut，no perforating，no blowhole，no shrinkagedepression，no miss run.All items met requirements of client.Finally pointed out：using 3D-printig mold technique，combinedwith special mold stacked mold pouring process scheme，it was possible to increase casting process rate，reduce sand/ironratio，save production cost，simplify molding and pouring operation flow，increase production rate.Key words：gray iron；impeller；3D-printig process；stacked mold process叶轮是水汽轮机、发动机、膨胀机、泵、风机和压缩机等产品上的关键部件，其作用是对流过的液体或气体进行增压或能量转换。叶轮按其结构分为闭式叶轮、半开式叶轮和开式叶轮 3 大类，其中，闭式叶轮由叶片和前后盖板组成。叶轮叶片通常为不规则曲面，且曲面的翘曲度大、壁厚薄，尺寸精度、形状公差及表面粗糙度等级要求较高，因此制造难度较大，制作工艺繁杂，使闭式叶轮的广泛使用受到限制。1铸件结构及技术要求笔者公司生产的一种单吸闭式叶轮属于圆盘类铸铁件，如图 1 所示，材料牌号 HT250，铸件质量 5 kg，外形尺寸208 mm伊64.5 mm，叶片最薄处厚度仅 2.8 mm，流道开档 15 mm，上下腹板厚度仅 5 mm，其内腔属于典型的薄壁异型曲面结构，中间部分为厚大实心结构，为典型的单吸小叶轮，易出现冷隔、浇不足、憋气等缺陷。技术要求：叶轮流道内光洁平整，无气孔、粘砂、毛刺、Gray Iron21现代铸铁 圆园24/2（a）组合砂芯（b）整体砂芯图 23D 砂型图Fig.23D sand mold drawing缩陷等铸造缺陷。23D 打印铸造工艺方案采用 3D 打印砂型加叠箱铸造工艺生产叶轮，一型多件，操作简单，克服操作技能对铸件质量的影响，降低冷隔、浇不足等铸造缺陷发生的潜在风险，提高生产效率1。采用叠箱浇注工艺方案，减少浇、冒口处铁液质量，提高工艺出品率（铸件单重 5 kg/件，浇注铁液质量 15 kg，工艺出品率 67%），降低砂铁比（砂铁比 4.2:1）。2.1砂芯设计为了减少造型工时，降低铸造成本，提高尺寸精度，尽量减少砂型、砂芯数量。（1）砂芯分型：采用 3D 打印技术，减少砂芯数量，避免对内腔砂芯进行过多的拆分。每个铸件的内腔结构设计成一个整体砂芯（112101-02-5-2 与 112101-02-5-4 为整体砂芯），5 箱即可完成造型（如图 2 所示），大幅度减少了砂型数量，操作简单1-5。（2）砂芯强度：叶轮的内腔砂芯较为薄弱，上盖板与下盖板开档高度 15 mm，如果设计不合理会导致砂芯极易断裂。为保证砂芯强度，内腔带叶片砂芯单独打印一个整体结构，易于下芯合箱和清砂如图 2（b）所示。（3）尺寸精度：为了保证尺寸精度，将内腔结构设计成整体砂芯，避免过多的组芯带来累计误差。（4）砂型刚度：3D 打印砂型合箱后通过 4 根螺栓牢牢紧固，提高砂型整体刚度，减少铸件因砂型位移而出现变形、壁厚不均等问题。同时砂型不需要围箱，可直接放压铁浇注，降低生产成本。2.2补贴考虑铸件整体壁薄以及涂料层厚度的影响，为避免穿皮、黑皮、浇不足等缺陷产生，在叶轮上、下腹板大面位置增加工艺补贴，补贴量为 1.5mm，图 3 中红色标记位置为补贴部位。2.3浇注系统考虑到叶轮外形小，高度低，且中间为厚大实心结构，采用封闭、阶梯、底注式浇注系统（如图 4 所示），第一层（底层）：直浇道截面尺寸30mm，横浇道截面尺寸 34 mm伊15 mm，内浇道截面尺寸 34 mm伊6 mm（共 2 处），各浇道的截面比为 1.73:1.25:1；第二层：各浇道尺寸与第一层相同。使上下两个铸件能够做到同时快速充满，同（a）外形结构（b）剖面结构图 1铸件结构Fig.1Structure of casting灰铸铁Gray Iron22圆园24/2现代铸铁图 4铸造工艺Fig.4Casting method浇注系统排气系统时凝固，进而减少上下两个铸件的温度差6-7。对于此类薄壁小件，采用高温快浇的浇注方法，将浇注温度控制在 1 5001 530 益，浇注时间 58 s，并且浇满后点冲 12 次，避免因温度过高使中间厚实位置出现缩陷8。利用数值模拟软件对铸件的充型过程和凝固过程进行模拟分析，模拟结果如图 5 和图 6 所示。分析结果显示：上、下 2 个铸件基本做到同时充满、同时凝固，符合工艺设计要求，且铁液充型平稳，凝固结束未发现孤立的液相区，不会产生（a）上腹板（b）下腹板图 3补贴位置示意图Fig.3Sketch of pad location图 5充型过程模拟结果Fig.5Result of mold filling process simulation（a）充型 15%（b）充型 30%（c）充型 50%（d）充型 75%（e）充型 95%（f）充型 100%Gray Iron23现代铸铁 圆园24/2缩孔、缩松倾向，说明此铸造工艺方案在理论上无问题4。3生产验证采用 3D 打印砂型技术结合叠箱的铸造工艺方案生产的此种小型单吸叶轮，浇注工反馈操作简单，浇注温度易控制。经检验，铸件尺寸合格，外观质量良好（如图 7 所示），披缝少，叶片壁厚均匀，且均为未出现冷隔、穿皮、气孔、缩陷、浇不足等缺陷，完全满足客户需求。4结束语小批量小型单吸叶轮类铸件运用 3D 打印砂型技术，结合独特的叠箱铸造工艺方案，可大大缩短生产周期，简化造型浇注操作流程，生产效率高，成品率高，砂铁比低，并可以有效避免冷隔、穿皮、气孔、浇不足等铸造缺陷。参考文献1张雨明，吴锐.我国 3D 打印技术研究及产业化发展现状J.中国材料进展，2018（3）：237-240.图 6凝固过程模拟结果Fig.6Result of solidification process simulation（a）凝固开始（b）凝固 20%（c）凝固 30%（d）凝固 50%（e）凝固 80%（f）凝固 100%（a）（b）图 7铸件实物Fig.7Casting photo灰铸铁Gray Iron24圆园24/2现代铸铁w（Si）量/%3.303.353.403.453.503.553.603.653.70170180175185190195200本体Y 试块图 8不同 w（Si）量对试样硬度的影响Fig.8Influence of different Si contents onspecimens hardness体 QT500-14 与合金化 QT500-75，其化学成分对比如表 10 所示，冲击功对比如表 11 所示。从表 11 可见，合金化生产工艺和固溶强化生产工艺具有相近抗拉强度与硬度的两组试样几乎具有相同的-20 益冲击功。3.7加工性能分析与同等强度的铁素体-珠光体混合基体的球墨铸铁 QT500-7 相比，固溶强化铁素体球墨铸铁QT500-14 的硬度变化幅度更小，w（Si）量在 3.3%耀3.7%范围内，其硬度变化一般在 30 HBW 以内，车削加工过程中引起的尺寸分散程度很小。据客户反馈，加工公差控制范围更小，刀具寿命更长，可实现机械加工精益生产。4结束语将 Si 固溶强化铁素体球墨铸铁 QT500-14的化学成分控制在 w（C）3.103.40%、w（Si）3.30%3.70%、w（Mn）臆0.50%、w（S）0.015%、w（P）0.05%、w（Mg）0.030%0.06%、w（RE）0.010%0.030%，获得的铸件本体石墨大小 6 级，球化等级 2 级，基体组织为铁素体+5%珠光体，碳化物约1%；抗拉强度为逸500 MPa，伸长率逸14%，屈强比 0.75耀0.82，本体硬度 170200 HBW，-20益冲击功与同等强度、硬度的混合基体球墨铸铁相当。参考文献1李鹏明，孔祥玲，王光玉，等.球墨铸铁真空泵腔体铸件的生产工艺J.现代铸铁，2023（2）：1-5.2曹德水，裴泽辉，潘红，等.硅固溶强化球墨铸铁的生产工艺及应用J.现代铸铁，2023（2）：5-8.3轩世成，程可飞，何帅伟，等.球墨铸铁重型辅板的消失模试制工艺J.现代铸铁，2023（3）：1-4，29.4魏伯康，蔡启舟，林汉同，等.铸态铁素体球铁中的硅、锰、磷配合与低温性能J.机械工程材料，1997（1）：16-17.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）试样编号本体硬度值/HBW#6-1187#6-2191#6-3188#6-4183#6-5189#6-61906 个位置平均值188表 9相同 w（Si）量的铸件不同部位硬度分布Tab.9Different locations hardness distribution of casting containing same Si content化学成分牌号QT500-7QT500-14C3.573.21Si2.513.38Mn0.450.25S0.0090.011P0.0300.027Cu0.4460.029CE4.424.36Mg0.0470.050RE0.0180.020表 11QT500-14 与 QT500-7 的冲击功对比Tab.11Impact energy comparison between QT500-14 and QT500-7 nodular irons牌号QT500-7QT500-14抗拉强度/MPa521515硬度/HBW18318143444444基体组织铁素体+35%珠光体铁素体+约5%珠光体-20 益冲击功/J表 10QT500-14 与 QT500-7 的化学成分对比Tab.10Chemical compositions comparison between QT500-14 and QT500-7 nodular irons（上接第 20 页）2时俊杰，董彦刚，崔景旭.灰铸铁飞轮铸件的工艺设计及开发J.现代铸铁，2023（1）：11-14.3贺关水，王光见，曹刚，等.开箱时间对灰铸铁制动盘铸态组织的影响J.现代铸铁，2023（1）：18-22.Gray IronwB/%wB/%25现代铸铁 圆园24/2收稿日期：2023-11-04修订日期：2024-03-10作者简介：陈中伟（1997.10），男，四川宜宾人，毕业于太原科技大学材料成型及控制工程专业，主要从事铸造工艺的研究工作。灰铸铁电机座铸件的组织及性能改善陈中伟，张春林，郑建荣，陈加梁（桐乡合德机械有限公司，浙江桐乡314500）摘要：介绍了灰铸铁电机座铸件的结构及技术要求，阐述了原生产工艺及铸件的金相组织中存在石墨长度不合格问题，探索并梳理了两种技术方案：（1）用铌铁合金对铜、锡元素进行替代展开试验，在确保铸件满足客户要求的前提下，降低铸件的生产成本；（2）采用降碳增硅的方法，强化瞬时孕育，细化铸铁的显微组织进而改善铸件的力学性能。通过多次试制，采用上述两种技术改进方案叠加的方法，既可以细化组织，使石墨长度控制在要求范围内，还可以降低生产成本。关键词：灰铸铁；电机座；金相组织；力学性能中图分类号：TG251文献标志码：B文章编号：员园园猿原愿猿源缘（圆园24）园2原园园26原05Structure and Properties Improvement of Gray Iron Electric Motor BaseCHEN Zhong-wei，ZHANG Chun-lin，ZHENG Jian-rong，CHEN Jia-liang（Tongxiang Hede Machinery Co.,Ltd.，Tongxiang314500，China）Abstract：The structure and technical requirements of a gray iron electric motor base was introduced，the former productiontechnology and existing unqualified graphite length in casting metallurgical structure problem was described.Two technicalsolutions schemes were explored and arranged：（1）Using ferroniobium alloy to replace copper and tin and thereby to reducecasting production cost under condition of meeting clients requirement.（2）Using method of decreasing carbon-increasingsilicon and strengthen instant inoculation to refine the microstructure of the cast iron and thereby to improve mechanicalproperties of casting.Through multiple trial production，using simultaneously above two technical improvement schemes couldnot only refined the structure，so that the length of graphite was controlled within the required range，but also reduced theproduction cost.Key words：gray iron；electric motor base；metallurgical structure；mechanical properties笔者公司生产的电机座铸件主体呈圆筒形，前后分别有法兰，侧面有一电机接线窗口，内腔局部有 67 个长方形凸台，铸件外形尺寸 650mm伊600 mm伊350 mm，铸件单重 290 kg，主要壁厚 17 mm，最大壁厚 76.5 mm，最小壁厚 17 mm，铸件结构如图 1 所示。铸件的材料牌号为HT250，要求化学成分为：w（C）3.0%3.4%，w（Si）1.6%2.2%，w（Mn）0.6%1.1%，w（P）0.1%，w（S）0.1%，金相组织大部分为 A 形石墨，石墨长度小于 0.2 mm，单铸试棒的抗拉强度大于 250 MPa。要求铸件进行泄漏试验，不得有泄漏、疏松等情况。4何长义，潘骏，苏少静，等.一种发动机气缸盖的铸造工艺J.现代铸铁，2023（3）：16-19.5刘宇，李连杰，张宝权.防止高强度灰铸铁气缸盖缩松缺陷的工艺研究（1）J.现代铸铁，2023（3）：20-25.6王文清，李魁盛.铸造工艺学M.北京：机械工业出版社，2002.7李新亚.铸造手册 铸造工艺M.北京：机械工业出版社，2011.8彭凡，原晓雷，薛蕊丽.现代铸铁技术M.北京：机械工业出版社，2018.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）灰铸铁Gray Iron26