快速成型模具代替泵輪傳統木模制作工藝的研究

富巖巖 張艷梅

摘 要：傳統上核泵葉輪的制造大部分都采用木模鑄造的方式，但往往由于木模結構復雜且適應性較差影響葉輪制造精度。文章提出一種用快速成型模具代替泵輪傳統木模制作的方法，根據核泵葉輪的結構形式及項目所要求的指標，首先選擇一個核泵葉輪，進行三維實體造型，并分析葉輪結構；然后設計模具結構，根據葉輪形狀設計模具拆分方式，利用三維軟件進行仿真模擬，避免模具結構不合理；找出最優方案之后，利用激光快速成型機，將PSB粉燒結成型；最后用配比好的樹脂進行涂刷并固化，最后得到可供鑄造使用的樹脂模具。

關鍵詞：木模；快速成型；三維建模；樹脂涂刷；葉輪

中圖分類號：TH16 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）02-0118-03

Abstract： Traditionally， the manufacture of nuclear pump impeller mostly uses wood mold casting， but the complex structure and poor adaptability of wood mold often affect the manufacturing accuracy of impeller. In this paper， a method of using rapid prototyping mould to replace the traditional wooden mould of pump wheel is presented. According to the structure form of the impeller of nuclear pump and the index required by the project， a three-dimensional solid model of the impeller of nuclear pump is selected at first， and the structure of impeller is analyzed. Then， we design the mold structure. According to the impeller shape design mold splittingmethod， we use three-dimensional software simulation， to avoid unreasonable mold structure. We find out the optimal scheme， use laser rapid prototyping machine and finish PSB powder sintering molding. Finally， the resin mold which can be used for casting is obtained by painting and curing with the resin with good proportion.

Keywords： wood mould； rapid prototyping； 3D modeling； resin brush； impeller

前言

模具在成型工藝中對成型件尺寸、形狀精度和內在質量具有重要作用[1]。模具生產技術水平的高低很大程度上決定著產品的質量、效益和產品的開發能力[2]?，F代工業的發展，對模具技術的要求越來越高，它也正向高精度、壽命長、高生產率、結構復雜等方面發展[3]。快速成型技術是一項集控制、材料、激光燈為一體的高新制造技術，是制造領域的重大突破，與并行工程一起被列為當代兩項最重要的技術[4]?？焖俪尚图夹g的出現有效推進了產品的創新，并增加了產品的生產效率。將快速成型應用于模具加工的技術簡稱為快速模具技術[5-6]?？焖俪尚湍＞咧恍枰獋鹘y加工方法40%左右的工時和30%左右的成本[7]，就能直接制造出模具。目前的快速成型模具技術主要分為兩大方面：一是直接快速制膜，即用快速成型方法直接制造出模具；二是間接快速制膜，先用快速成型方法制造出母模，再按照傳統方法制造模具。

核泵的葉輪的強度要求不是很高，且材料較貴，因此大多為鑄件，目前傳統工藝都是采用木模制作砂型然后進行澆鑄。由于葉輪形式一般都是三元葉輪，因此所使用的木模結構形狀非常復雜，對木材紋理、硬度等指標要求很高，特別是葉片流道位置的木模件，都需要在數控加工中心上進行加工，這就造成了木模制作成本特別高，加工周期特別長的狀況，一般都需要很長的制作周期。已制好的木型對環境的溫度、濕度變化特別敏感，尺寸容易發生改變，影響葉輪精度。并且制作木型過程中對我們的葉輪型線數據無法有效保密，容易造成數據流失。本項目主要研究的是用樹脂模具代替傳統木模，使模具制作周期縮短為幾天，并可節約大量模具成本，提高鑄件葉輪的葉型精度，還可以有效防止葉片型線數據的泄密。

1 模具設計

1.1 選擇葉輪

與壓縮機相比，核泵葉輪葉數較少，葉片彎曲較大，我們選擇了一個有5個葉片、直徑220mm的核泵葉輪進行模具設計。根據葉輪的二維圖，考慮鑄造工藝、鑄造收縮率、加工余量等需求，設計了分模面位置，盡可能加大了拔模角度，完成了上、下蓋板的模具輪廓圖，并設計了葉片砂芯的放置位置。

德國數學家G.Contor于19世紀創立了經典的集合論，集合中的元素只能在{0，1}兩個數字中取值，這是他將豐富的世界經過簡單抽象提煉后而得出的理論。隨著科學技術日新月異的發展，這一理論已越來越顯示出他的不足，世界并不是這樣簡單。Zadeh創立了模糊集合的理論，他將集合中的元素定義在[0，1]中取值，這一理論的誕生為我們描述豐富多彩的世界提供一個更符合實際的方法和工具。

基于兩個領域的巨大優勢，結合視覺導引的精確性和模糊控制的先進控制策略，基于模糊控制的視覺引導機器人應運而生，已經成功地應用于機器人的控制。其實伴隨著智能控制技術出現的還有很多先進的算法，如神經網絡、遺傳算法等，但其中模糊邏輯控制策略已經比較成熟，再加上經典控制中的PID調節，使控制策略更凸顯深度。模糊控制策略需要明確的指定輸入變量，這些輸入變量具有能夠影響系統輸出的特征。而視覺引導技術的輸出恰能很好地與模糊控制的輸入端口相適應，其偏差及偏轉角基本能標識所有的重要特征，在高速掃描精度的保證下很少丟失系統特征，也基本不會增加多余的特征以致規則庫的復雜性增大。模糊控制解決了智能控制中人類語言尤其是不確定性語言的描述和推理問題，其在視覺導引上的應用更能發揮它的優勢。

1.2 葉片部位砂芯模具的設計

首先按照葉片型線數據，及子午輪廓尺寸，利用UG軟件對葉輪進行了三維造型，如圖3所示，然后抽取出單個流道位置的整體形狀。

再按照流道形狀，進行砂芯模具的結構設計，設計過程中必須考慮如何將模具定位組合、砂芯硬化后如何將模具拆分并取出來。因此我們利用UG軟件的運動仿真功能，在設計階段就對模具各部分進行了干涉檢查，并進行了優化設計，確保了最終制作好的模具能夠順利進行組裝與拆分。其過程如圖4所示：

2 模具制造

按照最終確定的模具設計方案，考慮快速成型的要求，給模具各部分結構增加支撐，考慮安放位置利用快速成型機進行激光燒結成型。得到如圖5的各部件。然后再進行樹脂涂刷、固化，得到樹脂模具的各部分零件。因受涂刷工藝方式的限制，模具表面比較粗糙，還需要用砂紙進行簡單的拋光處理，然后才能使用。

圖片6是應用樹脂模具實物照片，經過強度、硬度、浸泡試驗等方式的驗證，樹脂件的抗拉強度為32Mpa，表面硬度HB70，在水中浸泡后自然風干，無變形及開裂現象，因此完全可以滿足鑄造使用的需要。

3 澆鑄試驗

為驗證樹脂模具的可用性，我們在鑄造園進行了澆鑄驗證。具體過程如以下圖片所示：

4 關鍵技術及創新點

與傳統木模相比，利用激光快速成型技術制作的樹脂模，具有加工周期短，形狀準確，修改方便，模具成本低等優勢，并且可以提高我公司快速成型機的設備利用率。在制作傳統木模時，不得不向鑄造廠提供葉輪的葉片型線數據，數據外流后很容易被他人竊取使用，利用快速成型技術代替傳統木模就可以有效地解決這個泄密問題。制作過程中，利用計算機模擬，縮小比例試制等手段，解決了葉輪模型拆分困難，模具各部件空間定位復雜等問題，最終完成樹脂模具的制作。

本項目所使用的樹脂，大約是500元/公斤，PSB粉的使用量更少，成本更低。根據快速成型技術的特點，非常適合制作復雜形狀的模具，不像木模必須在數控加工中心上進行銑制加工，涂刷完樹脂的表面，僅用細砂紙簡單打磨即可直接使用。因此，與傳統木模相比，模具形狀結構越復雜，本技術越有優勢；樹脂的表面硬度遠高于木材，因此表面更耐磨，不需要涂漆，受潮后不會像木模一樣變形開裂。

5 結束語

本項目的完成，實現了泵輪鑄造用樹脂模具的設計及制作，經過實踐驗證，可以得出以下結論：樹脂模具的強度可以滿足制作砂型使用；樹脂模具在固化過程中，幾乎沒有變形，涂刷固化后可以保持與PSB粉燒結形狀一致，因此可以滿足模具的精度要求；樹脂模具表面粗糙度要優于木模，更有利于起模；樹脂模具更方便保存，使用壽命較長。

本項目雖然實現模具的制作，但工作尚存許多不足之處有待在后續的研究中加以完善和提高。比如提高樹脂的滲透性，使模具厚度可以再加大；模具結構還需進一步優化，比如可采用中空填充結構，減少樹脂使用量；如何更好地控制固化溫度與速度，還需要進一步研究。

參考文獻：

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[4]Prof.J.P.Kryth. Material Increase Manufactuing by Rapid Protyping.Techniques.Annals.of.theCirp，1991，40（2）：603-614.

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