消失模技術在潛水泵生產中的應用

董曉麗，尚懷元，董云雷，史海玲，崔 康

(1.北京機科國創輕量化科學研究院有限公司，北京 100083； 2.山西天海泵業有限公司，山西 運城044001；3.中國農業機械化科學研究院，北京 100083)

0 引言

我國井用潛水電泵已廣泛應用到農業、工礦、化工和人民生活中。近幾年，產品發展迅速，全國范圍內17個省市近千家企業生產井用潛水泵，年產量為300萬～400萬臺。以井用潛水泵中典型產品200QJW60-114為例，鑄件質量為108 kg，占整個產品中85%。單臺泵鑄件按300萬臺/年計算，需要成品鑄件32.4萬t/年。其中，葉輪和導流殼為井用潛水泵核心部件，兩者過流部件均為空間曲面，結構復雜，采用傳統砂型鑄造工藝，存在操作技術水平要求高、勞動強度大、易產生合箱錯位、葉片分布不均等問題，造成零部件壁厚不均、結構一致性差等缺陷。另外，傳統砂型鑄造的作業環境惡劣，導致年輕員工進入鑄造行業意愿不強，行業招工難問題日益突出[1]。采用消失模鑄造技術可以有效解決上述問題。

1 消失模鑄造技術特點

消失模鑄造是目前國際上最先進的鑄造工藝之一，被譽為是鑄造史上的一次革命，是21世紀“綠色集約化鑄造的主要途徑”，在鑄造生產中占有越來越重要的地位[2]。

真空負壓消失模鑄造是將涂有耐火材料涂層的聚苯乙烯泡沫材料模樣放入砂箱，采用不添加任何粘結劑的干砂填充造型，在澆注和凝固期間砂箱型腔保持一定負壓，使干砂具有一定強度并緊裹模樣。澆注時高溫金屬液使模具熱解“消失”，同時通過抽負壓，砂箱內形成了排氣循環，使澆注金屬液后泡沫熱解氣化產生的氣體瞬間排到砂箱型腔之外，金屬液占據模樣空間而獲得鑄件的工藝[3]。

消失模鑄造所生產的鑄件，具有尺寸形狀精確，表面粗糙度好的特點。與傳統鑄造相比，該技術減少加工余量6%～10%，可大大降低機加工成本，降低對工人的熟練度要求，減少制模和清砂時間，提高產品合格率、生產效率和型砂復用率，提升自動化水平，降低勞動強度[4]。消失模鑄造工藝特別適合形狀復雜的鑄件，可應用于鑄鋼、鑄鐵、鑄銅和鑄鋁等多種材質鑄件的快速制造。與傳統鑄造工藝相比，具有較強的競爭力[3]。

2 葉輪鑄造工藝

2.1 工藝流程

以葉輪為例，開展潛水泵消失模鑄造生產工藝流程的研究，如圖1所示[5]。

2.2 葉輪技術要求

葉輪零件外形如圖2所示。其中，未注圓角為R2～R3，未注倒角為C1，平衡孔的周向位置以不傷葉片為準，葉輪最大外圓不平衡允差為1 g，在蓋板前去重，不得超過蓋板厚度的1/3，鑄件不應有砂眼縮孔等缺陷。葉片最小厚度為2 mm，在葉片入口邊和出口邊處。

圖2 葉輪零件圖

2.3 鑄造工藝參數分析

根據實際經驗，綜合考慮葉輪加工面和非加工面、EPS白模收縮率、鑄件收縮率、薄壁厚度(前后蓋板4 mm，葉片最小厚度2 mm)、同時冷卻、成型后缺陷等因素，鑄件在非過流面處加厚1.4～1.7 mm，加工面加厚1.5～1.8 mm(軸孔處加厚1.4～1.7 mm)[6]。要求鑄件應無氣孔、砂眼、皺皮、粘砂等缺陷，如圖3所示。

圖3 葉輪鑄件圖

2.4 模具制作

根據產品結構特點，采用一個分型面工藝方案，有效減少由合箱錯位造成的飛邊、毛刺等缺陷。根據產品鑄件圖，制作泡塑氣化模具。因其具有鑄造性能好、無熱裂傾向、氣密性高、線收縮小、高強度、可熱處理強化和耐蝕性好的優點，模具材料選用ZL104。考慮現有成型機臺面大小、EPS顆粒的充型流動性和冷卻一致性，選擇一模六件模具結構，如圖4所示。

1.上模 2.料管 3.料棒 4.下模

2.5 EPS預發泡和熟化

EPS原始珠粒料選擇與鑄造材料有密切關系。對于HT200，EPS原始珠粒料可選用小料4S或國產501料(粒徑0.3～0.4 mm)[7]。EPS原始珠粒不能直接用于白膜發泡成形，需進行預發泡處理，轉變為低密度珠料。鑒于原始珠粒在空氣介質條件下溫度上限為107.25 ℃，設定其工藝參數為蒸汽壓力0.10～0.15 MPa，預熱溫度78～86 ℃，發泡溫度98～110 ℃，保溫時間23～30 s[8]。此外，考慮該薄壁葉輪的葉片最薄處厚度僅2 mm，為了防止葉片變形，其粒徑和密度控制在0.3～0.5 mm和0.024～0.026 g/cm3[9]。為提高EPS預發珠粒的流動性和彈性，需對其進行沸騰干燥處理和熟化，熟化溫度和時間參考值為18～25 ℃和7～12 h[8]。

2.6 制模成型及白膜熟化

通過0.8 MPa高壓空氣，將熟化后的低密度顆粒料送入泡塑氣化模具型腔中，通入中壓蒸汽(0.35～0.55 MPa)，通汽時間23～25 s，保溫時間7～10 s，使泡沫原料二次發泡；通冷卻水，冷卻65～80 s，打開模具，葉輪白膜成型。蒸汽溫度和加熱時間是成型的關鍵因素，兩者均會影響表面光潔度。蒸汽溫度過高、加熱時間過長容易燒白膜，反之則白膜熔合不充分。同時，蒸汽溫度過低也影響生產效率低[4]。通蒸汽及保溫時間可根據蒸汽壓力變化進行調節，冷卻時間可根據水壓變化調節。

白膜成型后，需進一步熟化。熟化溫度過高、干燥過快都容易使葉片產生變形[9]。建議熟化溫度和時間為28 ℃和不低于72 h。

2.7 白膜粘接

根據潛水泵葉輪的開模需求，葉輪拆成兩個單獨的白膜，即前蓋和后蓋(帶葉片)。白膜完成后，使用細砂紙及刀片修理白模披縫及打料口，利用專用定位工裝進行粘接，確保各葉片冷膠涂沫均勻。為防止葉片變形，白膜粘接時需均勻用力，確保葉片與蓋板無縫隙。白膜組架(含澆注系統)如圖5所示。粘接前應檢查白模有無損傷；在保障粘接牢固條件下，盡量減少熱膠用量，防止產生膠瘤；流道粘接處涂層均勻、細致。

圖5 白膜組架示意

2.8 白膜沾漿

白膜沾漿的涂料由桂林5號、石英砂、石墨和水，按1∶10∶0.5∶(10～13)比例配制，要求涂料混合均勻，密度一致性好。白膜沾漿涂層干燥后，要有一定的透氣性，線性膨脹系數不宜過大[9]。將粘接好的白膜表面沾漿3次，沾漿層應均勻，氣泡、漏白應用涂料補涂，注意防止涂料積瘤；在沾漿過程中，要確保葉片幾何形狀不變；澆口杯處加大沾漿層厚度；涂層干透后才可沾下層涂料；第1層密度為1 400～1 500 kg/m3，洪干房溫度50～58 ℃；第2層密度為1 500～1 600 kg/m3，洪干房溫度50～58 ℃；第3層密度為1 500～1 600 kg/m3，洪干房溫度10～25 ℃。烘干過程中需避免白模損傷、燒傷。

2.9 造型

造型砂選用寶珠砂(圓外形)代替石英砂可解決產生粘砂問題[1]。同時，要求型砂溫度≤50 ℃，主目數為20～40目(占85%以上)，含泥量≤0.3%，水分含量≤1%[3]。另外，砂箱充填緊實度對鑄件成型影響很大，緊實度不足，會使薄壁零件在金屬溶液沖擊下，產生嚴重變形、粘砂等缺陷；緊實度過大，模型將在澆鑄前發生變形[9]。故采用的填砂方案為底砂高度150～200 mm，距箱頂高度20 mm；16件/組，3組/箱，共計48/箱。加砂過程：①加底砂，振實后放入模型；②加砂至模型一半高，振實；③加砂至模型頂部，振實，加砂至砂箱頂振實。加砂結束后，需要進行覆膜。為確保造型過程順利，需注意以下情況：①用塑料薄膜覆蓋砂箱上，放澆口杯，抽真空；②在鑄造過程中，覆膜不能出現破損現象；③覆膜上蓋型砂，厚度約25 mm，防止覆膜破損出現真空度降低的問題。

2.10 澆鑄

鑄件材料HT200執行GB/T 9439—2010標準，化學成分為C(3.0～3.6)、S(≤0.12)、P(<0.15)、Mn(0.6～1.0)和Si(1.4～2.0)，具有較好鑄造性能和經濟性，但要嚴格控制鑄件材料中的碳含量。合適的負壓度可以降低金屬液和模樣界面氣壓，提高液態金屬充型速度和能力，減少鑄件表面炭黑缺陷，提高鑄件的外觀質量，還可抑制泡塑模材料的燃燒，促使其氣化，改善環境[10]。結合相關技術資料和工廠實踐經驗，總結出澆鑄工藝過程：鐵水出爐溫度1 500～1 580 ℃，扒碴后靜置1～2 min，澆注溫度1 410～1 440 ℃，澆注時間13 s[11]。真空負壓0.05±0.01 MPa，保壓負壓0.02 MPa，保壓時間5 min，保溫時間≥0.5 h。澆鑄需要注意：①應緩慢開啟負壓系統，防止負壓突變引起模樣變形或損傷；②采用先燒后澆工藝方法，澆注前用細流鐵液緩慢澆鑄，點透直澆道，以防發氣量過大金屬液反噗飛濺，產生皺皮、夾渣和氣孔等鑄造缺陷；③澆注過程中，澆口杯保證充滿但不能使鐵液外溢；④澆注完后應保壓足夠時間；⑤鑄件保溫到規定時間才能翻箱[12]。

2.11 落砂清理

釋放真空，待鑄件冷凝后翻箱，從松散的干砂中取出鑄件，進行表面清理，形成合格鑄件。

3 結束語

采用消失模工藝制造葉輪，消除了傳統砂型鑄造中的人為偏差和鑄造缺陷，零件流道光滑、均勻對稱，壁厚均勻，實現了工藝出品率>75%，鑄造廢品率<8%，鐵液燒損<3%，澆注余量<5%，舊砂再生回用率≥95%。水泵成品效率提高8%～10%，質量穩定性提高30%，產品外表面光滑，機加工量大幅減少。目前，國內山西天海泵業有限公司、鄭州市神龍泵業有限公司、河北普樂泵業科技有限公司等均采用消失模技術進行了井用潛水泵規模化生產。其中，山西天海泵業有限公司更是首次將消失模精鑄工藝引入井用潛水泵行業，并取得了良好的經濟效益。