[发明专利]高速风机叶轮整体精铸工艺方法

说明书

本发明涉及风机叶轮的制造工艺，尤其是制造整体精铸高速风机叶轮的工艺方法。

普通的水泵叶轮的制造方法，是采用整体砂芯，或由若干芯块组合的型芯，浇注成叶轮。这种方法形成叶轮的内腔，尺寸精度低，表面粗糙，不能后续加工，不能制造空间扭曲流道的叶轮。

对于要求精度高的汽轮机叶轮，采用靠模加工出单个叶片，组装成具有空间扭曲流道的叶轮，由于叶轮是靠机械零部件组装，它的整体机械强度和刚度低，不能适应高速运转条件。其制造过程复杂，对生产设备要求高，尤其对于单件或小批量生产时成本高。

本发明的目的是提供一种改进的具有简单易行、制造成本低的整体精铸风机叶轮的工艺方法，制造出精度要求高、内腔复杂的高速风机叶轮，使其具有高尺寸精度、高表面光洁度和较高的机械强度和刚度。

本发明采用先在金属芯盒内浇灌石膏混合料，然后在一定温度下熔掉金属芯盒的叶片模型，形成空间曲面的流道空腔，制成风机叶轮整体型芯，再把具有一定温度组合好的铸型置于负压箱内，在一定的负压度下进行浇注成形。采用叠加法制成风机叶片的空间曲面模具，然后低压浇注含Bi    40%-50%的Sn-Bi低熔点合金，制成金属芯盒的可熔性叶片模型。根据流道的园角半径大小，将液体塑料浇注成所需要的柔性塑料园角条。将石膏混合料浇灌到金属盒芯内，待其凝固硬化后，再进行烘干，烘干温度在150-200℃温度下熔掉芯子内的可熔性叶片模型，形成流道型腔，制成整体型芯。把装配好的铸型埋在填满干砂的密封箱内，表面复上塑料薄膜，抽真空达到0.06～0.01MPa负压度，进行浇注成形。

本发明的实施例：为了确保叶轮流道尺寸精度，采用整体型芯形成铸件内腔表面。本发明提供如图1金属芯盒俯视图、图2是金属芯盒主视图、图3金属芯盒局部剖视图所示，首先按设计给定的单体风机叶片空间曲线方程，将空间曲面分割成若干切面，计算出切面的曲线坐标，然后加工出若干金属薄片，将金属薄片叠加，精修成为叶片模型的成形模具。在叶片模型的成形模具内低压铸造，制作出表面光滑、尺寸准确、熔化温度为165℃含Bi45%的Sn-Bi低熔点合金叶片模型[6][7]，它通过定位榫精确安装在流道内型[1]上，流道外型[5]和托板[3]均配合装在留有起模用的顶板孔[4]的底盘[2]上，外型[5]由两个半模组成，它们分别通过销孔[8]和螺栓[9]定位、锁紧。在叶片模型[6][7]与流道内、外型[1][5]过渡处贴附柔性塑料园角条[10]，形成铸件内腔流道的园角。

风机叶轮整体型芯采用细粉料，它是在300℃以下要求强度较高（σ≥4×10⁵Pa），在较高温度（600-700℃）下要求强度低（σ≤1×10⁵Pa），在600-700℃时总收缩量≤0.05%、耐急冷急热性好，终凝时间在10-15分钟的石膏混合料，其配方如附表1所示：

附表1

将65%的石膏、18%的石英粉、8%的石英砂、8.1%的三氧化二铝、0.2%的增强纤维、0.7%的缓凝剂的配方混合料干混均匀后加水，边加水，边搅拌，搅拌均匀后，静止2分-3分，然后将其浇灌到已安装好排气道的金属芯盒内，石膏混合料凝固后拆开芯盒，取出石膏型芯。可熔性叶片模型留在石膏型芯中。

图4是石膏型芯在一定时间和温度内烘干曲线。将石膏型芯按图4规范烘干，低熔点叶片模型烘干到150℃开始熔化，在200℃左右进行清除低熔点合金残留物操作。

铸件外型采用一般粘土砂干型，在型芯温度200℃左右进行下芯合箱。

铸型置于可调节真空度的负压箱内，四周填满干砂，砂箱表面复上塑料薄膜，在砂箱里的铸型上放置浇口杯，浇注时负压箱与真空系统相接，维持箱内负压度为0.02MPa浇注液体铝合金。即可得到尺寸精确、表面光滑、复印成形极好的叶轮铸件。

本发明的积极效果：提供一套适用于内腔流道表面形状复杂无法取模、尺寸要求精确、表面光洁度要求高、机械强度和刚度要求高、生产批量小的高速风机叶轮铸件的整体成形工艺方法，综合采用了低熔点叶片模型、柔性塑料园角，石膏型芯和负压下浇注等先进工艺方法，其工艺方法经济实用，简单易行。

利用上述工艺方法，制作了一千瓦轴流CO₂激光器的高速风机叶轮铸件，该叶轮有如下特点：流道为双层壁封闭式，流道内腔均匀分布24个叶片，叶片进口、出口成90°角，且为空间扭曲表面，叶片一般厚度2mm，最薄处为1.4mm，零件轮廓尺寸φ208×87mm。

利用上述工艺制得的铝叶轮铸件质量：24个叶片成形完好无缺，铸件内腔表面粗糙度Ra3.2-1.6μm。铸件尺寸精度：进口直径φ136mm，最大尺寸偏差≤0.3mm。24个流道宽度（名义尺寸25mm），尺寸偏差≤0.19mm。叶片厚度偏差≤0.1mm。叶片面形完全符合设计方程。铸件尺寸精度：国标规定的3级精度，其为现行国标最高铸件精度等级。