陶瓷型芯注射成型過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬研究

伍林 ， 曾洪 ， 趙代銀 ， 何建 ， 楊照宏 ， 鞏秀芳 ， 楊功顯 ， 葉麗 ， 林雨

（1.長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽(yáng)， 618000 2.北京聯(lián)迅創(chuàng)成科技有限公司， 北京， 430081）

0 引言

陶瓷型芯是熔模精密鑄造行業(yè)用來(lái)成型空心鑄件內(nèi)腔的轉(zhuǎn)接件。 陶瓷型芯主要采用注射成型方法進(jìn)行制備， 即將熔化態(tài)的陶瓷漿料在一定壓力下注入陶瓷型芯模具中， 待漿料冷卻固化后形成生坯。 注射成型后的陶瓷型芯生坯再經(jīng)過(guò)焙燒、強(qiáng)化、 修整、 檢測(cè)等工藝后即可使用。 目前， 對(duì)于陶瓷型芯的研究， 多集中于陶瓷粉料的粒度、成分、 質(zhì)量配比， 以及陶瓷型芯的焙燒、 強(qiáng)化工藝等方面， 研究熱點(diǎn)主要集中于如何提高燒成陶瓷型芯的高溫強(qiáng)度， 減小高溫形變[1-6]， 提高陶瓷型芯工作溫度[7-8]等方面， 對(duì)陶瓷型芯的注射成型方面的研究較少。 陶瓷型芯的質(zhì)量和性能除了取決于陶瓷粉料的配方、 焙燒以及強(qiáng)化等工藝外，還取決于注射成型時(shí)制成的生坯質(zhì)量。 因此， 對(duì)陶瓷型芯注射成型過(guò)程的研究很有必要。

注射成型過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)最早應(yīng)用于注塑行業(yè)， 目前已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段。 而對(duì)陶瓷材料的注射成型模擬研究也多集中于金屬粉末注射成型領(lǐng)域。 本文主要基于目前世界上應(yīng)用最廣泛的Moldflow 軟件， 模擬了某型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)空心透平葉片用陶瓷型芯的注射成型過(guò)程， 并預(yù)測(cè)了成型過(guò)程中的缺陷， 對(duì)比了平均體積收縮率和尺寸檢測(cè)結(jié)果， 分析了陶瓷型芯中的石英玻璃棒的應(yīng)力情況。

1 陶瓷型芯結(jié)構(gòu)

某型號(hào)燃機(jī)空心透平葉片用陶瓷型芯的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 該陶瓷型芯整體呈 “S” 形結(jié)構(gòu)， 包含7 個(gè)加強(qiáng)筋 （中部5 個(gè)， 石英玻璃棒兩側(cè)各1個(gè)）， 中部和頂部由 1 根 φ2 mm 的柱子和 1 段極其薄弱的截面類(lèi)似三角形的結(jié)構(gòu)連接。

圖1 某型號(hào)燃機(jī)空心透平葉片用陶瓷型芯結(jié)構(gòu)圖

2 模擬設(shè)置

本文采用的計(jì)算機(jī)模擬的主要參數(shù)設(shè)置及材料性能如圖2~5 所示。

圖2 陶瓷漿料的黏度曲線

圖3 陶瓷漿料的PVT 曲線

圖4 陶瓷漿料的熱屬性

3 模擬結(jié)果

3.1 充模

充模效果是否良好是評(píng)判注射成型的最重要標(biāo)準(zhǔn)。 在充模良好的情況下， 才能考慮改變其他工藝變量以提高制件質(zhì)量。 圖6 是在采用圖5 推薦工藝的條件下選擇注射流量為75 cc/s、 注射壓力為3.5 MPa 時(shí)的計(jì)算機(jī)模擬充型結(jié)果。 由圖可見(jiàn)， 陶瓷漿料能平穩(wěn)地充滿陶瓷型芯模具模腔，最后充填部位處于排氣側(cè)靠近頂部的位置。 圖7是采用與圖6 相同的注射工藝進(jìn)行短射試驗(yàn)得到的結(jié)果， 該圖中a~h 對(duì)應(yīng)于圖6 中的a~h。 對(duì)比圖6 和圖7 可以看出， 計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果和實(shí)際短射試驗(yàn)的結(jié)果的吻合程度很高， 但實(shí)際注射的時(shí)間上要較計(jì)算機(jī)模擬的時(shí)間長(zhǎng)約0.5 s， 這是由于壓芯機(jī)的液壓注射系統(tǒng)需要一定的反應(yīng)時(shí)間造成的。

圖5 陶瓷漿料的推薦壓注工藝

圖6 注射流量為75 cc/s、 注射壓力為3.5 MPa 時(shí)陶瓷型芯的充模模擬

圖7 注射流量為75 cc/s、 注射壓力為3.5 MPa 時(shí)陶瓷型芯的短射試驗(yàn)

3.2 缺陷預(yù)測(cè)

3.2.1 熔接線

不同料流前沿交叉匯合時(shí)會(huì)形成熔接線（亦稱熔接痕）。 制件產(chǎn)生熔接線的部位， 其強(qiáng)度取決于料流互相熔合的程度， 通常為制件基體材料強(qiáng)度的10%~90%[9]， 因此熔接線應(yīng)盡量位于制件厚大部位或非關(guān)鍵部位。 本文的研究對(duì)象存在七處加強(qiáng)筋， 這些加強(qiáng)筋起到了輔助充模的作用， 同時(shí)也增加了陶瓷漿料在模具型腔內(nèi)融合位置的數(shù)量。圖6 中共出現(xiàn)了7 處陶瓷漿料融合位置， 這些位置將形成熔接線。 圖8 是Moldflow 模擬得到的注射流量為75 cc/s、 注射壓力為3.5 MPa 時(shí)形成的熔接線位置， 從圖中可以看出， 形成的熔接線都位于陶瓷型芯的厚大部位， 不會(huì)對(duì)陶瓷型芯的使用強(qiáng)度帶來(lái)太大影響。

圖8 陶瓷型芯在充模時(shí)形成的熔接線

3.2.2 氣穴

如果模具排氣效果不好， 在注射過(guò)程中， 模具內(nèi)的空氣不能及時(shí)排出， 則會(huì)被卷入陶瓷漿料中形成氣穴。 氣穴的形成會(huì)降低這些部位的性能，給陶瓷型芯的質(zhì)量帶來(lái)不利影響。 圖9 是Moldflow 模擬得到的注射流量為75 cc/s、 注射壓力為3.5 MPa 時(shí)形成的氣穴位置， 圖10 是陶瓷型芯的x 射線檢測(cè)結(jié)果。 對(duì)比圖9~10 可以發(fā)現(xiàn)， Moldflow 對(duì)該陶瓷型芯的氣穴缺陷的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)50%， 這是由于實(shí)際的模具中會(huì)存在許多鑲塊間隙， 陶瓷漿料注射時(shí)， 這些間隙可以輔助排氣。由于這些氣穴均處于該陶瓷型芯的非薄弱部位，并不會(huì)給陶瓷型芯的使用帶來(lái)問(wèn)題。

圖10 陶瓷型芯的x 射線檢測(cè)結(jié)果

3.2.3 收縮和尺寸

注射成型過(guò)程中， 由于材料的冷卻固化收縮將造成尺寸的變化： 均勻收縮造成產(chǎn)品尺寸縮小，不均勻收縮將造成翹曲變形。 由于在陶瓷型芯的實(shí)際注射成型后， 生坯均是在模具中冷卻或在胎具上用沙袋重壓冷卻， 因此其變形很小， 尺寸變化主要體現(xiàn)在收縮。 圖11 是Moldflow 模擬的陶瓷型芯注射成型過(guò)程中的平均體積收縮結(jié)果和實(shí)際壓制的陶瓷型芯的藍(lán)光尺寸掃描結(jié)果。 （a）圖中顏色越接近紅色代表收縮越嚴(yán)重，（b） 圖中尺寸越接近深藍(lán)色代表尺寸的負(fù)值越大。 從圖中可以看出，該陶瓷型芯的整體尺寸較理論設(shè)計(jì)值小， 具體表現(xiàn)為陶瓷型芯的各部位均有一定程度收縮， 尤其在陶瓷型芯的根部和進(jìn)氣側(cè)的收縮程度明顯較其他部位嚴(yán)重。 在Moldflow 模擬出平均體積收縮率較大的地方， 陶瓷型芯的尺寸表現(xiàn)出較大的負(fù)值（即尺寸小于理論值）， 平均體積收縮率較小的地方， 尺寸表現(xiàn)出較小的負(fù)值， 兩者對(duì)應(yīng)性較好。

圖11 陶瓷型芯的計(jì)算機(jī)模擬平均體積收縮率和藍(lán)光檢測(cè)結(jié)果

3.3 石英玻璃棒的應(yīng)力

采用石英玻璃棒成型該陶瓷型芯頂部柱狀結(jié)構(gòu)， 就需要分析該石英玻璃棒在陶瓷型芯的注射成型過(guò)程中的受力情況， 以便為選定性能合格的石英玻璃棒提供理論支持， 防止用于壓制陶瓷型芯的石英玻璃棒在使用時(shí)發(fā)生斷裂。 石英玻璃棒在模具中的定位是靠模具的上下半模來(lái)固定石英玻璃棒露出陶瓷型芯的部分。

圖12 是在采用上述注射工藝下石英玻璃棒的應(yīng)力情況， 顏色越接近紅色代表應(yīng)力越大， 顏色越接近深藍(lán)色代表應(yīng)力越小。 由圖可見(jiàn)， 石英玻璃棒的最大應(yīng)力為3.124 MPa， 最大應(yīng)力發(fā)生在石英玻璃棒的固定位置附近， 距離固定位置越遠(yuǎn)的部位所受應(yīng)力越小。 一般說(shuō)來(lái)， 石英玻璃棒的抗折強(qiáng)度為60~70 MPa， 因此采用石英玻璃棒來(lái)成型該圓柱時(shí)， 不會(huì)發(fā)生由于注射工藝不當(dāng)而造成石英玻璃棒損壞的情況。

表1 是在不同注射壓力和注射流量下石英玻璃棒的應(yīng)力模擬結(jié)果。 由表可知， 當(dāng)注射壓力一定（3.5 MPa），注射流量分別為 75 cc/s、 100 cc/s、120 cc/s （此3 種流量代表了該陶瓷型芯壓制常用的低、 中、 高3 種注射流量）時(shí)， 石英玻璃棒所受最大應(yīng)力分別為 3.13 MPa、 3.79 MPa、 4.13 MPa，石英玻璃棒所受最大應(yīng)力隨著注射流量的增大而增大。 當(dāng)注射流量一定 （75 cc/s）， 注射壓力分別為 2.5 MPa、 3.5 MPa、 4.5 MPa 時(shí)， 石英玻璃棒所受最大應(yīng)力均為3.13 MPa， 石英玻璃棒所受最大應(yīng)力不會(huì)隨著注射壓力的增大而變化。 這是由于在陶瓷型芯的注射過(guò)程中， 注射流量相同時(shí)， 陶瓷漿料的流速一致， 充型時(shí)間也一樣， 陶瓷漿料流過(guò)石英玻璃棒時(shí)對(duì)石英玻璃棒的沖擊力大小基本一致， 所以石英玻璃棒所受應(yīng)力相同。 在冷卻過(guò)程中， 由于漿料粘度很大， 且冷卻較快， 注射壓力在模具型腔中難以通過(guò)漿料傳遞到石英玻璃棒上； 且由于石英玻璃棒呈圓柱結(jié)構(gòu)， 使其所受因陶瓷型芯冷卻收縮產(chǎn)生的應(yīng)力極小，所以在流量相同的情況下，石英玻璃棒上所受應(yīng)力幾乎不變。

表1 不同注射壓力和注射流量下陶瓷型芯中石英玻璃棒所受的最大應(yīng)力

4 結(jié)論

本文采用Moldflow 軟件對(duì)某燃機(jī)透平葉片熔模精密鑄造用陶瓷型芯的注射成型過(guò)程進(jìn)行仿真研究， 結(jié)果表明： Moldflow 可以準(zhǔn)確模擬該陶瓷型芯的充模過(guò)程， 預(yù)測(cè)熔接線和氣穴的位置， 模擬得到的該陶瓷型芯的平均收縮率與實(shí)際尺寸檢測(cè)結(jié)果有很好的對(duì)應(yīng)性； 陶瓷型芯中的石英玻璃棒所受最大應(yīng)力隨著注射流量的增大而增大， 不會(huì)隨著注射壓力的變化而變化。