快速成型模具代替泵轮传统木模制作工艺的研究

富岩岩 张艳梅

摘 要：传统上核泵叶轮的制造大部分都采用木模铸造的方式，但往往由于木模结构复杂且适应性较差影响叶轮制造精度。文章提出一种用快速成型模具代替泵轮传统木模制作的方法，根据核泵叶轮的结构形式及项目所要求的指标，首先选择一个核泵叶轮，进行三维实体造型，并分析叶轮结构；然后设计模具结构，根据叶轮形状设计模具拆分方式，利用三维软件进行仿真模拟，避免模具结构不合理；找出最优方案之后，利用激光快速成型机，将PSB粉烧结成型；最后用配比好的树脂进行涂刷并固化，最后得到可供铸造使用的树脂模具。

关键词：木模；快速成型；三维建模；树脂涂刷；叶轮

中图分类号：TH16 文献标志码：A 文章编号：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

模具在成型工藝中对成型件尺寸、形状精度和内在质量具有重要作用[1]。模具生产技术水平的高低很大程度上决定着产品的质量、效益和产品的开发能力[2]。现代工业的发展，对模具技术的要求越来越高，它也正向高精度、寿命长、高生产率、结构复杂等方面发展[3]。快速成型技术是一项集控制、材料、激光灯为一体的高新制造技术，是制造领域的重大突破，与并行工程一起被列为当代两项最重要的技术[4]。快速成型技术的出现有效推进了产品的创新，并增加了产品的生产效率。将快速成型应用于模具加工的技术简称为快速模具技术[5-6]。快速成型模具只需要传统加工方法40%左右的工时和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术主要分为两大方面：一是直接快速制膜，即用快速成型方法直接制造出模具；二是间接快速制膜，先用快速成型方法制造出母模，再按照传统方法制造模具。

核泵的叶轮的强度要求不是很高，且材料较贵，因此大多为铸件，目前传统工艺都是采用木模制作砂型然后进行浇铸。由于叶轮形式一般都是三元叶轮，因此所使用的木模结构形状非常复杂，对木材纹理、硬度等指标要求很高，特别是叶片流道位置的木模件，都需要在数控加工中心上进行加工，这就造成了木模制作成本特别高，加工周期特别长的状况，一般都需要很长的制作周期。已制好的木型对环境的温度、湿度变化特别敏感，尺寸容易发生改变，影响叶轮精度。并且制作木型过程中对我们的叶轮型线数据无法有效保密，容易造成数据流失。本项目主要研究的是用树脂模具代替传统木模，使模具制作周期缩短为几天，并可节约大量模具成本，提高铸件叶轮的叶型精度，还可以有效防止叶片型线数据的泄密。

1 模具设计

1.1 选择叶轮

与压缩机相比，核泵叶轮叶数较少，叶片弯曲较大，我们选择了一个有5个叶片、直径220mm的核泵叶轮进行模具设计。根据叶轮的二维图，考虑铸造工艺、铸造收缩率、加工余量等需求，设计了分模面位置，尽可能加大了拔模角度，完成了上、下盖板的模具轮廓图，并设计了叶片砂芯的放置位置。

德国数学家G.Contor于19世纪创立了经典的集合论，集合中的元素只能在{0，1}两个数字中取值，这是他将丰富的世界经过简单抽象提炼后而得出的理论。随着科学技术日新月异的发展，这一理论已越来越显示出他的不足，世界并不是这样简单。Zadeh创立了模糊集合的理论，他将集合中的元素定义在[0，1]中取值，这一理论的诞生为我们描述丰富多彩的世界提供一个更符合实际的方法和工具。

基于两个领域的巨大优势，结合视觉导引的精确性和模糊控制的先进控制策略，基于模糊控制的视觉引导机器人应运而生，已经成功地应用于机器人的控制。其实伴随着智能控制技术出现的还有很多先进的算法，如神经网络、遗传算法等，但其中模糊逻辑控制策略已经比较成熟，再加上经典控制中的PID调节，使控制策略更凸显深度。模糊控制策略需要明确的指定输入变量，这些输入变量具有能够影响系统输出的特征。而视觉引导技术的输出恰能很好地与模糊控制的输入端口相适应，其偏差及偏转角基本能标识所有的重要特征，在高速扫描精度的保证下很少丢失系统特征，也基本不会增加多余的特征以致规则库的复杂性增大。模糊控制解决了智能控制中人类语言尤其是不确定性语言的描述和推理问题，其在视觉导引上的应用更能发挥它的优势。

1.2 叶片部位砂芯模具的设计

首先按照叶片型线数据，及子午轮廓尺寸，利用UG软件对叶轮进行了三维造型，如图3所示，然后抽取出单个流道位置的整体形状。

再按照流道形状，进行砂芯模具的结构设计，设计过程中必须考虑如何将模具定位组合、砂芯硬化后如何将模具拆分并取出来。因此我们利用UG软件的运动仿真功能，在设计阶段就对模具各部分进行了干涉检查，并进行了优化设计，确保了最终制作好的模具能够顺利进行组装与拆分。其过程如图4所示：

2 模具制造

按照最终确定的模具设计方案，考虑快速成型的要求，给模具各部分结构增加支撑，考虑安放位置利用快速成型机进行激光烧结成型。得到如图5的各部件。然后再进行树脂涂刷、固化，得到树脂模具的各部分零件。因受涂刷工艺方式的限制，模具表面比较粗糙，还需要用砂纸进行简单的抛光处理，然后才能使用。

图片6是应用树脂模具实物照片，经过强度、硬度、浸泡试验等方式的验证，树脂件的抗拉强度为32Mpa，表面硬度HB70，在水中浸泡后自然风干，无变形及开裂现象，因此完全可以满足铸造使用的需要。

3 浇铸试验

为验证树脂模具的可用性，我们在铸造园进行了浇铸验证。具体过程如以下图片所示：

4 关键技术及创新点

与传统木模相比，利用激光快速成型技术制作的树脂模，具有加工周期短，形状准确，修改方便，模具成本低等优势，并且可以提高我公司快速成型机的设备利用率。在制作传统木模时，不得不向铸造厂提供叶轮的叶片型线数据，数据外流后很容易被他人窃取使用，利用快速成型技术代替传统木模就可以有效地解决这个泄密问题。制作过程中，利用计算机模拟，缩小比例试制等手段，解决了叶轮模型拆分困难，模具各部件空间定位复杂等问题，最终完成树脂模具的制作。

本项目所使用的树脂，大约是500元/公斤，PSB粉的使用量更少，成本更低。根据快速成型技术的特点，非常适合制作复杂形状的模具，不像木模必须在数控加工中心上进行铣制加工，涂刷完树脂的表面，仅用细砂纸简单打磨即可直接使用。因此，與传统木模相比，模具形状结构越复杂，本技术越有优势；树脂的表面硬度远高于木材，因此表面更耐磨，不需要涂漆，受潮后不会像木模一样变形开裂。

5 结束语

本项目的完成，实现了泵轮铸造用树脂模具的设计及制作，经过实践验证，可以得出以下结论：树脂模具的强度可以满足制作砂型使用；树脂模具在固化过程中，几乎没有变形，涂刷固化后可以保持与PSB粉烧结形状一致，因此可以满足模具的精度要求；树脂模具表面粗糙度要优于木模，更有利于起模；树脂模具更方便保存，使用寿命较长。

本项目虽然实现模具的制作，但工作尚存许多不足之处有待在后续的研究中加以完善和提高。比如提高树脂的渗透性，使模具厚度可以再加大；模具结构还需进一步优化，比如可采用中空填充结构，减少树脂使用量；如何更好地控制固化温度与速度，还需要进一步研究。

参考文献：

[1]机械电子工业部.模具结构与设计基础[M].北京：机械工业出版社，1993.

[2]柳建安，邝艺.模具快速成形技术的发展[J].农业装备技术，2002（5）：38-39.

[3]杜志俊.现代模具技术综述[J].机械工程师，1999（6）：3-5.

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

[5]徐顺利.快速成型的生产工艺及关键技术[J].制造业自动化，2000，22（8）：4-5.

[6]兰红波，洪军，丁玉成，等.快速成型/模具网络化制造服务平台的研究现状及其发展趋势[J].制造业自动化，2003，25（3）：1-4.

[7]柯映林.逆向工程CAD系统和技术[J]快速制造技术，2000（1）：11-14.