CN113680963A - 一种精密铸造用3d打印叶轮蜡模的尺寸控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高温合金熔模精密铸造技术领域，具体为一种精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法。在叶轮数模设计过程中，先将铸件数模按一定比例缩放为3D打印数模，以弥补生产过程中从蜡模到铸件的尺寸变化，再在打印数模上设计数条周向支撑条和U型支撑柱，以保护蜡模外表面的脆弱部位，并分担变形应力，从而防止蜡件在搬运及后处理过程中发生轻微形变，从而达到蜡模尺寸精准控制的目的。本发明方法具有结构稳定、快速高效的特点，尤其适用于结构复杂且尺寸精度要求较高的叶轮铸造，可大幅提高蜡模尺寸的稳定性。本发明可以有效提高3D打印蜡模的尺寸精度，降低3D打印蜡模尺寸偏差，提高高温合金叶轮精铸件的成品率。

Description

一种精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法
技术领域
本发明涉及高温合金熔模精密铸造技术领域，具体为一种精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法。
背景技术
为了满足航空发动机不断提高的推力和工作温度的需求，目前小型涡轮发动机基本均采用整体铸造叶轮，即将叶片和轮盘一次性整体铸造而成。这样，不但有利于降低叶轮制造成本和周期，同时也避免了叶片装配精度问题和榫头装配的应力问题。
随着3D打印技术的快速发展，结合计算机技术的应用，将产品三维设计图导入3D打印设备，可以直接得到蜡模，用于熔模铸造。在预研试制及小批量生产制造中，用3D打印蜡模可省去蜡型模具设计、开发及往复修正等过程，从而大大降低了成本和生产周期。
在叶轮蜡模的3D打印及后处理过程中，蜡模尺寸的精准控制至关重要，直接决定了叶轮尺寸的合格率。蜡模尺寸的影响因素主要来自两个方面：
(1)3D打印完成之后，为了去除水溶性支撑蜡，需对蜡件进行后处理，即将蜡件浸洗在特殊溶剂中，并对溶剂进行加热、搅拌。在此过程中，空气与溶液的温度差异极易导致蜡件产生变形趋势。另外，蜡件外表面在搬运及浸泡等过程中易受轻微刮碰，导致叶尖等脆弱部位受损、开裂。
(2)生产过程中由蜡模铸造为高温合金铸件，两种材料的热收缩率不同，导致铸件相对于蜡模产生尺寸变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，主要适用于外型结构复杂的高温合金叶轮的快速制备。
本发明的技术方案是：
一种精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，包括以下步骤：
步骤一、在设计过程中，将铸件数模整体按比例缩放为打印数模，以弥补生产过程中从蜡模到铸件的尺寸变化；
步骤二、在打印数模上添加周向支撑条和U型支撑柱，以防止蜡件在搬运及后处理过程中发生轻微变形或开裂；
步骤三、将步骤二的打印数模整体输入3D打印设备中，打印蜡模；打印出的蜡模包括上下两部分：构建蜡模部分和支撑蜡模部分，支撑蜡模部分堆叠于打印平台上，构建蜡模部分打印于支撑蜡模部分上，作为制壳用的叶轮蜡模；
步骤四、将打印出的蜡模浸洗在溶剂中，并对溶剂进行加热、搅拌，以去除水溶性支撑蜡模部分，此时周向支撑条和U型支撑柱将分担变形应力，从而达到蜡模尺寸精准控制的目的。
所述的精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，缩放比例为均匀放大1.8％～1.9％，视铸件材料和尺寸而定。
所述的精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，构建蜡模部分的材料为VisiJet M2 CAST紫色专用蜡质材料，熔点为60～70℃，密度为0.85～0.91g/cm3；支撑蜡模部分的材料为VisiJet M2 SUW白色专用蜡质材料，熔点为55～65℃，密度为0.85～0.91g/cm3，且构建材料及支撑材料均具有精密铸造蜡的熔融和燃尽特性。
所述的精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，沿叶轮打印数模的周向***，添加一圈均匀且闭合的周向支撑条。
所述的精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，周向支撑条厚度在1mm～2mm之间，周向支撑条宽度为覆盖所有叶片的叶尖端面且上下两侧均超出叶片0mm～3mm的距离。
所述的精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，在叶轮打印数模靠近打印平台的一侧，设计10～20个均匀分布的U型支撑柱，每个U型支撑柱的两端分别连接在周向支撑条和叶轮盘上；在3D打印蜡模时，U型支撑柱位于蜡模的底部，U型支撑柱中段平行于打印平台。
所述的精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，U型支撑柱直径在2mm～4mm之间，U型支撑柱中段底端低于叶轮最低位置3mm～6mm的距离。
所述的精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，溶剂为工业酒精、聚丙二醇(PPG-400)的混合溶剂，按体积比计，工业酒精：聚丙二醇(PPG-400)＝3:1～4:1。
所述的精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，U型支撑柱与叶轮蜡模本体接触面积较小，在蜡模组合工序中由操作人员手动拆下；周向支撑条覆盖所有叶尖部位，接触面积较大，在蜡模组合工序中由操作人员将各个叶尖之间的周向支撑条熔断、切下，以便形成铸件后加工去除周向支撑条的剩余部分。
本发明的设计思想是：
基于3D打印蜡模技术，制备尺寸稳定的蜡模，用于熔模精密铸造的型壳制备。在叶轮数模设计过程中，先将铸件数模按一定比例缩放为3D打印数模，以弥补生产过程中从蜡模到铸件的尺寸变化；再在打印数模上设计数条周向支撑条和U型支撑柱，以保护蜡模外表面的脆弱部位；后处理过程需将蜡件浸洗在特殊溶剂中，并对溶剂进行加热、搅拌，以去除水溶性白色支撑蜡模部分，空气与溶液的温度差异易导致蜡件产生变形趋势，此时周向支撑条和U型支撑柱将分担变形应力，从而防止蜡件在搬运及后处理过程中发生轻微变形或开裂，达到蜡模尺寸精准控制的目的。
本发明具有如下优点及有益效果：
1、本发明易操作、便于调整，生产周期短、成本低。
2、本发明可以增强对3D打印蜡模的尺寸精度控制，并可以通过3D打印蜡模与蜡模尺寸检测相结合，从而进一步降低后期铸造过程中的尺寸问题，降低叶轮铸件尺寸的偏差，增加高温合金叶轮精铸件的成品率。
3、本发明主要适合高温合金叶轮精铸件的制造。
附图说明
图1为实施例1中的叶轮3D打印数模。图中，1-周向支撑条，2-U型支撑柱，6-叶轮盘，7-叶片。
图2为实施例1中的叶轮3D打印蜡模。图中，3-紫色构建蜡模部分，4-白色支撑蜡模部分，5-打印平台。
图3为实施例1中的叶轮铸件。
图4为实施例2中的叶轮3D打印数模。
图5为实施例2中的叶轮3D打印蜡模。
具体实施方式
在具体实施过程中，高温合金叶轮精铸件的制备方法如下：
(1)在数模设计阶段，将叶轮铸件数模整体均匀放大1.8％～1.9％，得到打印数模。
(2)根据叶轮实际结构，沿叶轮打印数模的周向***，添加一圈均匀且闭合的周向支撑条，周向支撑条厚度在1mm～2mm之间，周向支撑条宽度为覆盖所有叶片的叶尖端面且上下两侧均超出叶片0mm～3mm的距离，视铸件尺寸和结构可略作调整。
周向支撑条既可以在搬运、后处理的过程中保护蜡件，防止蜡件叶尖部位受到直接磕碰，又可以分担蜡件在搬运、后处理过程中因环境温度变化而产生的变形应力，在纵向和周向上减小温度对蜡件尺寸精度的影响。周向支撑条覆盖所有叶尖部位，接触面积较大，在蜡模组合工序中可由操作人员将各个叶尖之间的周向支撑条熔断、切下，以便形成铸件后加工去除周向支撑条的剩余部分。
(3)根据叶轮实际结构，在叶轮打印数模靠近打印平台的一侧，设计10～20个均匀分布的U型支撑柱，每个U型支撑柱的两端分别连接在周向支撑条和叶轮盘上，U型支撑柱中段平行于打印平台，U型支撑柱直径在2mm～4mm之间，U型支撑柱中段底端低于叶轮最低位置3mm～6mm的距离，视铸件尺寸可略作调整。
U型支撑柱既可以在后处理过程中起到支撑蜡件的作用，从而防止轮盘底部受到网筛或金属转子刮碰，又可以分担蜡件在搬运、后处理过程中因环境温度变化而产生的变形应力，在纵向和周向上减小温度对蜡件尺寸精度的影响。U型支撑柱与蜡模本体接触面积较小，在蜡模组合工序中可由操作人员手动拆下。
(4)将上述数模整体输入3D打印设备中，打印出的蜡模包括两部分材料：紫色的构建蜡和白色的支撑蜡。支撑蜡一般为容易去除的水溶性低或熔点低的材料，其作用一是在蜡模底部堆叠3mm以上，避免蜡模与打印平台直接接触，以达到保护作用；作用二是在逐层堆积成型的打印过程中，填充模型的中空结构。
(5)在蜡模后处理过程中，先将打印平台加热2～5min，使蜡模脱落于打印平台，然后将蜡件浸洗在特制的醇类有机混合溶液中。浸洗时U型支撑柱向下放置，此时U型支撑柱既可以起到支撑蜡件的作用，从而防止蜡件底部受到网筛或金属转子刮碰，又可以分担蜡件因环境温度变化而产生的变形应力；周向支撑条既可以保护蜡件，防止蜡件叶尖部位受到容器内壁的直接磕碰，又可以分担蜡件因环境温度变化而产生的变形应力。然后对溶液进行加热、搅拌，溶解支撑蜡。完全溶解所需时长与叶轮结构复杂程度相关，一般时长为20～50min。
(6)在蜡模组合工序中，先由操作人员手动拆下U型支撑柱，并将各个叶尖之间的周向支撑条熔断、切下，以便形成铸件后加工去除周向支撑条的剩余部分。将处理后的叶轮蜡模与选晶器和冒口组合，制成蜡模组合。最后经过制壳、浇铸和热处理，得到高温合金叶轮铸件。
下面，通过实施例进一步详述本发明。
实施例1
本实施例中，叶轮铸件高度为32mm，直径为150mm。
如图1所示，将叶轮铸件数模整体均匀放大1.8％，得到打印数模。在打印数模的周向***添加一圈均匀且闭合的周向支撑条1，周向支撑条1厚度为1mm，周向支撑条1宽度为覆盖所有叶片7的叶尖端面且上下两侧分别对齐叶尖的进气边和排气边。在打印数模靠近打印平台的一侧，设计16个沿圆周均匀分布的U型支撑柱2，每个U型支撑柱2的两端分别连接在周向支撑条1和叶轮盘6上。在3D打印蜡模时，U型支撑柱2位于蜡模的底部，U型支撑柱2中段平行于打印平台5(图2)，U型支撑柱2直径为3.8mm，U型支撑柱2中段底端低于叶轮最低位置5mm的距离。
如图2所示，将上述数模整体输入3D打印设备中，打印蜡模。打印出的蜡模包括上下两部分：紫色构建蜡模部分3和白色支撑蜡模部分4，白色支撑蜡模部分4堆叠于打印平台5上，紫色构建蜡模部分3打印于白色支撑蜡模部分4上，作为制壳用的叶轮蜡模。本实施例中，构建蜡的材料为VisiJet M2 CAST，支撑蜡的材料为VisiJet M2 SUW。完成打印后，将打印平台5加热至70℃，持续3min，使蜡模脱落于打印平台。在金属容器中按体积比酒精：聚丙二醇(PPG-400)＝3:1配备混合溶剂，并在金属容器内底部放置金属转子，金属转子上部放置水平网筛，以保护蜡模。
将蜡模浸洗在混合溶剂中，浸洗时U型支撑柱2向下放置在网筛上。将金属容器放在磁力加热搅拌器上，设置加热温度为40℃，搅拌转速为1600rpm，45min后支撑蜡完全去除。
在蜡模组合工序中，先由操作人员手动拆下U型支撑柱2，并将各个叶尖之间的周向支撑条1熔断、切下，以便形成铸件后加工去除周向支撑条1的剩余部分。对处理后的叶轮蜡模进行三坐标尺寸检测，与打印数模进行比对，结果合格率达95％。
将处理后的叶轮蜡模与选晶器和冒口组合，制成蜡模组合。最后经过制壳、浇铸和热处理，得到高温合金叶轮铸件(图3)。
实施例2
本实施例中，叶轮铸件高度为44mm，直径为145mm。
如图4所示，将叶轮铸件数模整体均匀放大1.8％，得到打印数模。在打印数模的周向***添加一圈均匀且闭合的周向支撑条，周向支撑条厚度为1.5mm，周向支撑条宽度为覆盖所有叶片的叶尖端面且上下两侧分别超出叶尖进气边和排气边2.5mm和2.8mm。在打印数模靠近打印平台的一侧，设计18个沿圆周均匀分布的U型支撑柱，每个U型支撑柱的两端分别连接在周向支撑条和叶轮盘上。在3D打印蜡模时，U型支撑柱位于蜡模的底部，U型支撑柱中段平行于打印平台(图5)，U型支撑柱直径为2.6mm，U型支撑柱中段底端低于叶轮最低位置5mm的距离。
如图5所示，将上述数模整体输入3D打印设备中，打印蜡模。打印出的蜡模包括上下两部分：紫色构建蜡模部分和白色支撑蜡模部分，白色支撑蜡模部分堆叠于打印平台上，紫色构建蜡模部分打印于白色支撑蜡模部分上，作为制壳用的叶轮蜡模。本实施例中，构建蜡的材料为VisiJet M2 CAST，支撑蜡的材料为VisiJet M2 SUW。完成打印后，将打印平台加热至75℃，持续3min，使蜡模脱落于打印平台。在金属容器中按体积比酒精：聚丙二醇(PPG-400)＝4:1配备混合溶剂，并在金属容器内底部放置金属转子，金属转子上部放置水平网筛，以保护蜡模。
将蜡模浸洗在混合溶剂中，浸洗时U型支撑柱向下放置在网筛上。将金属容器放在磁力加热搅拌器上，设置加热温度为42℃，搅拌转速为1600rpm，41min后支撑蜡完全去除。
在蜡模组合工序中，先由操作人员手动拆下U型支撑柱，并将各个叶尖之间的周向支撑条熔断、切下，以便形成铸件后加工去除周向支撑条的剩余部分。对处理后的叶轮蜡模进行三坐标尺寸检测，与打印数模进行比对，结果合格率达95％。
将处理后的叶轮蜡模与选晶器和冒口组合，制成蜡模组合。最后经过制壳、浇铸和热处理，得到高温合金叶轮铸件。
实施例结果表明，本发明在数模设计阶段，对叶轮铸件数模进行尺寸缩放并添加周向支撑条和U型支撑柱，然后将数模输入3D打印设备，打印蜡模后进行后处理，去除支撑蜡，在手动拆除U型支撑柱和部分周向支撑条，即可得到尺寸良好的精密铸造用蜡模。本发明方法具有结构稳定、快速高效的特点，尤其适用于结构复杂且尺寸精度要求较高的叶轮铸造，可大幅提高蜡模尺寸的稳定性。本发明可以有效提高3D打印蜡模的尺寸精度，降低3D打印蜡模尺寸偏差，提高高温合金叶轮精铸件的成品率。

Claims (9)

1.一种精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在设计过程中，将铸件数模整体按比例缩放为打印数模，以弥补生产过程中从蜡模到铸件的尺寸变化；
步骤二、在打印数模上添加周向支撑条和U型支撑柱，以防止蜡件在搬运及后处理过程中发生轻微变形或开裂；
步骤三、将步骤二的打印数模整体输入3D打印设备中，打印蜡模；打印出的蜡模包括上下两部分：构建蜡模部分和支撑蜡模部分，支撑蜡模部分堆叠于打印平台上，构建蜡模部分打印于支撑蜡模部分上，作为制壳用的叶轮蜡模；
步骤四、将打印出的蜡模浸洗在溶剂中，并对溶剂进行加热、搅拌，以去除水溶性支撑蜡模部分，此时周向支撑条和U型支撑柱将分担变形应力，从而达到蜡模尺寸精准控制的目的。
2.按照权利要求1所述的精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，其特征在于，缩放比例为均匀放大1.8％～1.9％，视铸件材料和尺寸而定。
3.按照权利要求1所述的精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，其特征在于，构建蜡模部分的材料为VisiJet M2 CAST紫色专用蜡质材料，熔点为60～70℃，密度为0.85～0.91g/cm3；支撑蜡模部分的材料为VisiJet M2 SUW白色专用蜡质材料，熔点为55～65℃，密度为0.85～0.91g/cm3，且构建材料及支撑材料均具有精密铸造蜡的熔融和燃尽特性。
4.按照权利要求1所述的精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，其特征在于，沿叶轮打印数模的周向***，添加一圈均匀且闭合的周向支撑条。
5.按照权利要求4所述的精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，其特征在于，周向支撑条厚度在1mm～2mm之间，周向支撑条宽度为覆盖所有叶片的叶尖端面且上下两侧均超出叶片0mm～3mm的距离。
6.按照权利要求4所述的精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，其特征在于，在叶轮打印数模靠近打印平台的一侧，设计10～20个均匀分布的U型支撑柱，每个U型支撑柱的两端分别连接在周向支撑条和叶轮盘上；在3D打印蜡模时，U型支撑柱位于蜡模的底部，U型支撑柱中段平行于打印平台。
7.按照权利要求6所述的精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，其特征在于，U型支撑柱直径在2mm～4mm之间，U型支撑柱中段底端低于叶轮最低位置3mm～6mm的距离。
8.按照权利要求1所述的精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，其特征在于，溶剂为工业酒精、聚丙二醇(PPG-400)的混合溶剂，按体积比计，工业酒精：聚丙二醇(PPG-400)＝3:1～4:1。
9.按照权利要求1所述的精密铸造用3D打印叶轮蜡模的尺寸控制方法，其特征在于，U型支撑柱与叶轮蜡模本体接触面积较小，在蜡模组合工序中由操作人员手动拆下；周向支撑条覆盖所有叶尖部位，接触面积较大，在蜡模组合工序中由操作人员将各个叶尖之间的周向支撑条熔断、切下，以便形成铸件后加工去除周向支撑条的剩余部分。
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