复杂内腔紧凑型精铸件整体蜡模模具研究

王国祥，雷四雄，李建中，陈 雅，张民政，蒋 明

(1. 上海交通大学材料科学与工程学院，上海 200240；2. 中国航发南方工业有限公司，湖南 株洲 412000；3. 江苏中超航宇精铸科技有限公司，江苏 宜兴 214241)

0 引言

随着航空、航天、机械、汽车等行业的飞速发展，金属部件的轻量化需求与日俱增。然而，轻量化设计往往会带来部件结构的复杂化和整体化，即原来由多个零件组合的部件，越来越多地被设计成为一个复杂的整体零件。在金属部件的各种成型工艺中，熔模铸造技术具有近净成型的优点，所制造的部件尺寸精度高、表面粗糙度低，尤其适用于铸造结构复杂的薄壁铸件，被广泛应用于航空发动机的空心涡轮叶片、涡轮机匣、航天器电子舱体、汽车发动机涡轮等复杂结构零部件的制造，在现代制造领域占据着重要的地位。然而，制造周期长、成本高、冶金质量与尺寸精度控制难度大等问题仍然制约着具有复杂结构且精度要求高的铸件的高效率制造。

熔模精密铸件的成型过程一般包括压制蜡模、制壳、脱蜡、焙烧、合金熔炼和浇注等工序，涉及金属模具、高分子材料的蜡模、陶瓷型壳以及高温合金等多种材料。同时，铸件的铸造过程还包括多次的“阴阳”转换，即先制成蜡模模具，经压蜡形成蜡模，再沾浆淋砂制得型壳，脱蜡后形成型腔，经浇注成型成最终的铸件。繁杂的阴阳转换，虽然可使得熔模精铸工艺成型结构极其复杂的铸件，但也给铸件的尺寸精度控制带来了巨大的挑战。

本文根据某航空发动机厂家的设计部门和主机厂提出的要求，以某航空发动机中使用的高温合金紧凑型铸件作为应用研究对象，设计了陶瓷芯、水溶芯相结合的整体蜡模模具方案，有效制作出符合要求的整体蜡模，并进行了铸件样件的实际浇注和解剖测量，铸件的内腔尺寸满足设计要求，为铸件的后续批量制造与合格率的提升提供了技术支持。

1 铸件结构分析

本文研究的目标铸件结构紧凑，最大外径为170 mm，高度为177 mm，最小壁厚为1.5 mm，含多处油管和安装凸台，内腔复杂，有两处悬空设计，控制尺寸达120多个，铸件模型的剖面图如图1所示。复杂的零件结构，尤其狭小的多层内腔，给蜡模的制备带来了很大的挑战。

2 熔模及模具的设计与制作

2.1 3D打印熔模

传统熔模精铸工艺中通常采用模具来制备蜡模，但因蜡模模具的制造时间长，导致复杂铸件整体制造周期大幅度延长，对主机的研制和生产进度造成了很大的影响。3D打印技术为复杂结构件的精密成型带来了新的契机，其中以光固化3D打印(SLA)技术的应用最为突出[1-3]。本文尝试采用3D打印熔模。

采用聚苯乙烯(PS)树脂粉为原料，通过采用选择性激光烧结技术制备的PS树脂熔模如图2所示。图2(a)为打印的熔模的外形，考虑到浇注系统组合的方便性，也将浇冒口一起进行了打印成型。由于铸件结构复杂，考虑到PS粉打印后内腔粉体无法有效清除等原因，只能采用分块打印熔模再拼接的工艺方式，但无法有效控制内部拼接缝的胶水用量，容易导致在铸件内腔形成焊瘤，如图2(b)所示，堵塞了空腔，造成PS树脂熔模的3D打印失败。本文采用SLA打印的光敏树脂熔模如图3所示。由图3可知，光敏树脂熔模表面光洁、结构完整，因此，首先采用3D打印的光敏树脂熔模进行该铸件精铸用陶瓷型壳的制备，以验证3D打印光敏树脂熔模的适用性。

(a) 3D蜡模拼接

(b) 局部放大图2 PS树脂熔模

图3 SLA光敏树脂熔模

熔模制备完成后，接下来的工序为制壳，将蜡模形状复制到型壳上。所涉及的铸件有几处狭窄内腔，该部位型壳的制备存在较大的难度。在型壳制备过程中，当熔模浸入到面层浆料中时，流动性较好的面层浆料可以完全覆盖在熔模表面，而粒度为80～120目的锆英砂也能够通过“雨淋式”的撒砂方式，进入狭窄内腔处，经干燥得到质量较好的面层。然而，随着背层沾淋次数的增多，狭窄空腔很难被背层浆料完整涂覆，粒度较大的背层砂料也难以进入到狭窄的空腔处，导致该处的型壳出现质量风险。本文采用前期研发的灌浆料，往缝隙的空腔内灌注浆料，浆料经一段时间自行固化形成型芯，充填了面层沾浆淋砂后留下的空腔，为型壳提供一定的加强支撑。铸件狭窄空腔的复杂结构，给灌浆制备型芯的操作带来很大困难。图4(a)为淋砂时内部砂子堆积占位，图4(b)中间为灌浆料，周边存在较多孔洞，影响强度。脱蜡后，狭小缝隙内腔的型壳(沾浆淋砂及灌浆形成的芯子)发生断裂现象，从型壳上掉落，无法形成完整的型壳。

(a) 沾浆淋砂

(b) 灌浆固化后的截面图4 型壳内腔

2.2 蜡模模具设计与应用验证

根据上述3D打印对熔模沾浆淋砂制壳的研究结果可知，采用浇注固化的方式在铸件狭窄空腔处形成陶瓷型芯，存在较多的缺陷，很可能会造成浇注时在该处的“漏钢”缺陷。因此，本文采用了型芯来解决狭窄空腔的成型问题。陶瓷型芯是将耐火材料与矿化剂、增塑剂混合后，在专用的压芯机上压制成型，并经高温焙烧而成[4]。陶瓷型芯在湿坯，尤其高温焙烧阶段，容易变形，精度难以控制，其尺寸调整需要多次迭代，开发周期长。实践表明，尺寸大、壁厚的陶瓷芯尺寸控制更加困难。而水溶芯可以形成具有复杂形状且相对较为宽大的内腔。其弯曲强度最高可达约6 MPa，在水中浸泡5～6 h即可溃溶；十分适用于各种带复杂宽大内腔的精密铸件的制造[5]。本项目采用蜡模模具结合陶瓷芯与水溶芯制备蜡模，狭窄的缝隙采用陶瓷芯，而宽大内腔采用水溶芯。

在压蜡前，将陶瓷型芯与水溶芯预先放入压型，使用压蜡机，将融化的型蜡注入压型的空腔内，经保压冷却，即可得到需要的蜡模。将带有可溶性型芯(水溶芯)的蜡模放入水中，待水溶芯被溶解去除后，即可得到具有复杂内腔的蜡模。陶瓷型芯埋在蜡模中，随着蜡模一起沾浆淋砂，脱蜡后与外部的陶瓷壳型一起形成精铸铸型。

根据铸件内腔模型，在狭窄内腔部位采用陶瓷型芯，较宽的内腔部位采用水溶芯来形成，根据分型条件，将水溶芯分成2部分。涉及的铸件共需要2件水溶芯和4件陶瓷芯，其模型如图5所示。水溶芯1、水溶芯2及陶瓷芯1的实物装配关系如图6所示。

a) 水溶芯1

(b) 水溶芯2

c) 陶瓷芯1

(d) 陶瓷芯2

(e) 陶瓷芯3

(f) 陶瓷芯4图5 水溶芯与陶瓷型芯模型

图6 型芯实物装配

将分别制备完成的水溶芯、陶瓷型芯装配到蜡模模具上。蜡模的外形也比较复杂，需要分块设计，图7显示外模分成7块，以不同颜色显示相邻的模具分块，各分块以底部的滑动导轨定位并用螺丝锁紧。模具组合完成后，在压蜡机上完成蜡模制备。图8为蜡模压制完成，外模分拆后的现场图。蜡模取出后，放置在水中溶解内部的水溶芯(见图9)。待水溶芯去除干净后，蜡模即制备完成，即可转入沾浆淋砂工序。

(a) 蜡模结构示意

(b) 型芯装配示意图7 蜡模设计示意

图8 蜡模压制完成实物

图9 水溶芯溶解过程

2.3 试验件的解剖与尺寸检测

经过制壳和浇注后，获得试验件，其外形尺寸采用3D蓝光扫描测量，结果如图10所示。在此基础上，对铸件进行解剖，测量其内部尺寸，从检测结果来看，除了个别位置加工余量较多，铸件尺寸基本满足公差要求。图11给出的是铸件狭窄空腔处的解剖实物照片，铸件的狭窄空腔成型完整，表明本工艺方案对于成型具有复杂狭窄空腔结构的铸件具有较好的适用性。

图10 铸件外形尺寸测量图

图11 铸件狭窄空腔处照片

3 结论

熔模是精铸件的基础环节，复杂内腔紧凑型精铸件的整体熔模成型较困难，本文开展了多种熔模成型方式的分析研究。结果表明： 由于熔模存在复杂的狭小内腔，后续沾浆淋砂技术目前还不成熟，窄缝处浇注固化陶瓷型芯无法正常成型，导致本项目的蜡模无法通过3D打印制备。经验证，采用了陶瓷型芯、水溶芯相结合的蜡模模具设计方案，并制作出符合要求的整体蜡模。经对铸件进行实际浇注并解剖测量得知，铸件的内腔尺寸满足设计要求。