水泵铜叶轮陶瓷型芯的快速制造工艺

牛向明，张 勇，王 超

（山东理工大学机械工程学院，山东淄博255091）

水泵铜叶轮通常采用重力铸造工艺，树脂自硬砂造型，树脂砂或油砂制备型芯，该铸造工艺存在气孔、表面质量差、浇不足、冷隔等铸造缺陷．采用真空低压铸造可以较好地克服上述缺陷，铸造出表面光洁性好、尺寸精度高的铜叶轮［1]，而如何制备低压铸造铜叶轮的陶瓷型芯是该工艺的关键，陶瓷型芯的精度将直接影响到铜叶轮精度．本文拟通过实验对传统陶瓷型芯制造工艺进行改进，探索出低压铸造用铜叶轮陶瓷型芯的快速制造工艺．

1 实验方法

1．1 铜叶轮原型的制备

根据PRO／E三维实体生成STL文件错误最少的原则，采用三维造型软件PRO／E造型，根据铜叶轮图纸并放大1%补偿铸件收缩，得到的铜叶轮三维造型如图1所示．

图1 铜叶轮三维造型

将三维造型转化成与快速成型设备匹配的标准文件格式STL文件，并对STL文件分层添加支撑，再采用SLA快速成型方法制备铜叶轮的树脂原型，结果如图2所示．原型的表面质量将直接影响到硅胶软模的表面质量，最终影响到铸件的表面质量，因此原型制备后要用工业酒精或丙酮对其表面进行清洗［3]，擦除污垢并对原型上的支撑点处打磨修整．

图2 铜叶轮树脂原型

1．2 硅橡胶模翻制原型

硅胶软模作为过渡模［2]，与原型间的摩擦系数小，具有良好的弹性、分层性和柔软性，且成本低、工艺简单、速度快，可精确地将原型特征复制下来．值得注意的是，影响硅橡胶收缩率的因素多，采用硅橡胶真空制模工艺将会提高硅橡胶的复制性能和表面质量，试验中选择的硅橡胶型号为RTV604．

首先根据原型体积称取约150g的硫化硅橡胶主剂倒入烧杯中，按其质量分数的2%倒入固化剂，用沾浆机以慢速搅拌2～3min，使固化剂和硅橡胶充分均匀混合，混合搅拌后，为防止大量气泡存在于胶料中，在真空中脱气2～3min［2]．

真空脱气后，将涂有脱模剂（一般为凡士林或食用油）的铜叶轮原型固定在平板上，用毛刷蘸取胶料均匀涂在原型表面，对于棱角处，要用毛刷轻轻捣实，防止胶料与原型接触的表面产生气泡影响翻制精度，固化时间为4～5h，待第一层胶料固化后，再涂刷第二层，反复涂刷3～4次，胶料厚度约为4～5mm时即可满足要求．

胶料固化后，为防止胶料柔软变形，保证硅胶软模复制原型的精确性，按一定比例配置石膏和水，搅拌后，均匀地覆盖在固化的胶料上，厚度达到10～15mm，直径大于原型直径30mm即可．等到石膏彻底干燥后，将原型从硅橡胶模中取出，硅橡胶模制备完成，如图3所示．为了后续工序便于起模，在硅胶软模和石膏型上绘制标记后，将硅胶软模从石膏型上取下，在两者之间涂上一层脱模剂（凡士林或食用油）．

1．3 配置陶瓷浆料

图3 硅橡胶模

陶瓷浆料中最基本的两个组份是耐火材料和粘结剂，两者之间的加入比例，即为粉液比，粉液比对陶瓷浆料、型芯性能均有很大的影响，从而影响铸件质量［4]．

选择耐火材料时，需综合考虑耐火度、热膨胀系数、化学稳定性等参数．电熔刚玉熔点高（2 030℃），密度大、结构致密、导热性好、热膨胀系数小且均匀，作为面层材料具有细化晶粒的作用，所以面层涂料和面层撒砂选择280目刚玉；背层涂料选择100目刚玉，背层撒砂选择100目刚玉粉．

目前，我国精密铸造常用的粘结剂主要有3种：硅酸乙酯水解液、硅溶胶和水玻璃．其中硅溶胶杂质含量少，粘度很低，性能稳定且制壳时只需干燥不需氨干，不需要水解，可直接使用，操作简便，环境卫生，型壳高温强度好，所以制备陶瓷型芯时优先选择［4]．

陶瓷浆料的配方为：硅溶胶∶刚玉粉∶润湿剂∶消泡剂＝12．1∶36∶24∶16．准备好沾浆机，先加硅溶胶，再加润湿剂混匀，在搅拌中加入刚玉粉，最后加入消泡剂．由于硅溶胶粘度低，所配置的浆料容易沉淀，必须以慢速（22～50r／min）进行24h连续不停机的搅拌，才能保证浆料质量，使刚玉粉完全润湿，陶瓷浆料制备完成［4]．

1．4 制备陶瓷型芯

陶瓷型芯的制备分为3个工序：上涂料、撒砂、干燥．上涂料是制备型芯中最关键的工序，准备好陶瓷浆料，用毛刷沾陶瓷浆料，将浆料涂在硅橡胶模表面，各处均匀地涂上浆料，厚度约1mm为宜，不宜过厚，否则易开裂；实验过程中应防止硅胶软模上凹角、沟槽和小孔处积存气体，形成气孔，且应避免缺涂、局部堆积等现象．撒砂是为了增强型芯和固定涂料，防止涂层干燥时出现裂纹．涂完浆料后将刚玉粉均匀地撒到硅胶软模上，厚度1mm为宜，太厚则影响型芯强度，多余的部分用毛刷清除掉．干燥过程是水分蒸发的过程，该过程中64%～70%的水分蒸发掉，同时型芯获得了强度．可用电阻法测试型芯的干燥程度，方法为：将万用表调至电阻档，涂层间距10mm，电阻值大于2 000kΩ时认为型芯已经干燥［4]．

制备型芯过程中应保证一定的环境湿度（60%～70%），同时注意型芯的干燥速度，防止干燥过快型芯开裂．一般每次涂刷的间隔约为8h，反复涂刷6～10次，直至型芯厚度达到尺寸要求为止．轻轻取下固定用的石膏和硅橡胶，则完成了铜叶轮陶瓷型芯的制备．

1．5 焙烧

焙烧的目的是去除型芯中的挥发物，如水分、盐分等，使型芯在浇注时有低的发气性，防止出现气孔缺陷．铜叶轮陶瓷型芯的焙烧温度为950～1 050℃，达到焙烧温度后保持30min以上，焙烧后的陶瓷型芯如图4所示．

图4 复合陶瓷型芯

2 工艺难点分析

1）硅橡胶中加入的固化剂要完全按照2%的质量分数，固化剂加入的太多，硅橡胶固化的太快；加入的量不够，硅橡胶长时间不凝固，流动性强，浪费严重．

2）硅橡胶翻模过程中易出现气孔，直角凸起处强度最低，除真空脱气以外，涂刷过程中应着重涂刷直角凸起处，增加该处的厚度，减少气孔．

3）石膏干燥后涂脱模剂前，务必在石膏和硅胶软模之间标记，防止起模后两者的位置错动，影响型芯的整体质量．

4）铜叶轮型芯最薄处仅有4mm，相对其它部分强度差，厚薄的连接处在制备过程中易出现裂纹、断裂的现象，因此，制备出合乎要求的型芯很困难．鉴于此，可以在浆料中加入适当的纤维组织，以增强型芯的湿强度．经过试验，加入适当的纤维后可以制备出合乎要求的型芯．对于纤维加入量多少，加入纤维后出现的其他问题，需在以后的实验中研究探讨．

3 结论

1）利用快速成型技术RP和陶瓷型制造技术，可制备出满足尺寸要求和表面质量要求的型芯，该型芯可以满足生产的需求．

2）采用逐层涂刷工艺制备的面层型芯有较高的光洁度和表面质量，解决了通常工艺制备型芯质量差的难题．

3）陶瓷型芯的快速制备工艺对于小批量、复杂形状特征零件的铸造有很好的应用前景．

4）在陶瓷浆料中加入适当的纤维组织，可有效提高陶瓷型芯的湿强度和高温强度．

［1] 张勇，王超．利用真空低压铸造方法铸造水泵铜叶轮［J] ．铸造技术，2010，31（12）：1 606－1 608．

［2] 颜永年，单忠德．快速成形与铸造技术［M] ．北京：机械工业出版社，2004．

［3] 胡志力，张勇，陈宗民．基于SLA原型精铸复合型壳制备的工艺［J] ．铸造，2008，57（12）：1 241－1 244．

［4] 姜不居．熔模精密铸造［M] ．北京：机械工业出版社，2004．