基于Pro/E及RP技術(shù)的水泵葉輪成形技術(shù)研究

付海成 ，馬國彬 ，于延龍 ，王士杰 ，王子一 ，譚建波

（1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河北石家莊 050018；2.石家莊工業(yè)泵廠有限公司，河北石家莊 050100）

水泵是一種常見的水力機(jī)械，在農(nóng)林排水灌溉、工業(yè)工程、能源工程等領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。葉輪是水泵的核心過流元件，設(shè)計(jì)的好壞對水泵的效率和機(jī)組穩(wěn)定性起決定性作用?，F(xiàn)已證明，復(fù)雜扭曲的葉輪葉片在提高泵效方面具有普通圓柱葉片無法比擬的優(yōu)勢，但對葉輪的造型及生產(chǎn)工藝提出了巨大的挑戰(zhàn)，因此，準(zhǔn)確繪型是保證葉片形狀正確的必要前提。傳統(tǒng)的造型方法需要反復(fù)的驗(yàn)證和修改，整個(gè)過程費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。并且二維木模圖無法進(jìn)行水力學(xué)流場模擬分析和有限元分析，也不利于數(shù)控加工，所以無論做數(shù)值模擬，還是數(shù)控加工，都需要精確構(gòu)建葉輪的三維實(shí)體。Pro/E具有強(qiáng)大的曲面造型能力，擁有豐富的曲面分析及修改工具，并且生成的模型文件與模擬軟件和數(shù)控加工軟件無縫對接，是基于參數(shù)化、特征化新一代的實(shí)體造型系統(tǒng)。

在水泵市場需求高質(zhì)量及多樣化的背景下，核心部件需要不斷的升級改造以提高企業(yè)競爭力。研發(fā)過程中需要有差別以及小批量生產(chǎn)，樣件必須進(jìn)行不斷的檢測、優(yōu)化及設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)熔模鑄造工藝需要通過模具制造熔模，生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)工藝復(fù)雜且成本高，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜精密鑄件的快速制造，所以急需開發(fā)一種新工藝以適應(yīng)快速多變的市場需求。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，利用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造實(shí)體。本文基于Pro/E對葉輪三維模型精確繪制，結(jié)合激光燒結(jié)技術(shù)和熔模鑄造工藝制造水泵葉輪，可縮短產(chǎn)品試制周期。

1 葉輪結(jié)構(gòu)分析及造型步驟

葉輪是由前、后蓋板及葉片組成的。蓋板屬于回轉(zhuǎn)體，可以通過Pro/E中的旋轉(zhuǎn)命令得到，造型簡單[1-3]。葉片則是葉輪的重要組成部分，主要分圓柱形和扭曲形兩種。圓柱形葉片設(shè)計(jì)及制造相對簡單而且應(yīng)用廣泛，但較相同參數(shù)的扭曲葉片水力效率低且抗空化能力較差。隨著造型軟件及鑄造工藝的發(fā)展，扭曲葉片應(yīng)用越來越廣泛，但是其在空間中表現(xiàn)為復(fù)雜的扭曲形狀，一直是葉輪三維造型及制造的難點(diǎn)

扭曲葉片的造型，通常是通過葉片型值點(diǎn)的擬合來完成的。利用已有葉片木模圖和軸面截線圖得到一系列離散的型值點(diǎn)，同一軸面截線的型值點(diǎn)有規(guī)則擬合連接成光滑曲線，然后把從進(jìn)水口到出水口的曲線有序混合成曲面，依次做出工作面和背面，曲面縫合、實(shí)體化及陣列得到所需葉片，做出前、后蓋板后，生成實(shí)體葉輪[4]。

2 利用Pro/E軟件對空間扭曲葉片進(jìn)行三維造型

2.1 葉片工作面和背面的創(chuàng)建

圖1 軸面截線圖

圖2 葉片木模圖

表1 木模截線徑向坐標(biāo)

Pro/E5.0平臺繪制葉片三維立體圖思想主旨為：點(diǎn)→線→面→分析→實(shí)體化→完成[5]。從傳統(tǒng)的葉片軸面截線圖（圖1）和木模圖（圖2）上可以得到點(diǎn)數(shù)據(jù)。圖1能得到前后蓋板外部投影尺寸和各等高線在空間的高度值z，圖2根據(jù)包角的大小和葉片扭曲程度，將葉片從進(jìn)水處至出水處沿徑向分成12份（間隔角100），每條角度線與葉片前后蓋板和等高線的交點(diǎn)到葉輪中心的距離即為極坐標(biāo)的極軸半徑。表1為分析得到的葉片各曲線平面極坐標(biāo)的角度θ和極軸半徑r值，通過z、r和θ確定了葉片空間數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置。依據(jù)水力學(xué)理論和液體在葉輪中流動的規(guī)律，采用縱向數(shù)據(jù)點(diǎn)橫向混合的方法作出葉片曲面。

啟動Pro/E5.0，創(chuàng)建新的零件模塊，選擇公制單位（mm）.由于葉片上的每一個(gè)點(diǎn)繞徑向軸旋轉(zhuǎn)投影到同一個(gè)軸面上就得到了葉片的軸面投影圖，分別用垂直于軸的截面和等角度截面去裁剪葉片也就得到了葉片軸面截線圖，因此運(yùn)用其偏移坐標(biāo)系功能中的圓柱坐標(biāo)系繪制復(fù)雜的空間扭曲葉片較為簡單。

1）葉片三維坐標(biāo)點(diǎn)的輸入

根據(jù)以上所得數(shù)據(jù)結(jié)合表1，將工作面上各等高線的數(shù)據(jù)點(diǎn)按照“等角度值”輸入，結(jié)果如圖3所示。

2）連接成曲線并混合成曲面

用插入基準(zhǔn)曲線命令，將基準(zhǔn)點(diǎn)縱向有序的連接，構(gòu)成如圖4所示葉片工作面曲線。使用“邊界混合工具命令”，按造從入流到出流方向依次選取上述空間曲線，得到葉片工作面，用同樣方法完成背面造型，完成后的工作面和背面如圖5所示。

3）曲面的分析及修正

圖3 葉片工作面基準(zhǔn)點(diǎn)輸入結(jié)果

圖4 葉片工作面曲線

圖5 葉片前后曲面

圖6 實(shí)體化后的葉片

木模圖是通過保角變換法得來的，其數(shù)據(jù)點(diǎn)具有近似性，致使以這些數(shù)據(jù)點(diǎn)為基礎(chǔ)做出的葉片曲面往往精度不高，存在一定的誤差，所以要進(jìn)行光順分析檢查及修正。首先在感官上感覺曲面是否光滑順暢，如果存在凹凸不平處，要從根源處木模圖上檢查數(shù)據(jù)點(diǎn)的準(zhǔn)確性，適當(dāng)?shù)脑鰟h部分?jǐn)?shù)據(jù)來保證曲面在感官上光滑。Pro/E中對曲面光順的檢查，可以運(yùn)用其中的分析功能，進(jìn)行曲面曲率分析和著色曲率分析。曲率分析時(shí)可以明顯地觀察到曲面各點(diǎn)處曲率半徑變化的程度，相鄰曲面部位曲率值變化越小，則曲面越光順。著色曲率分析則是通過觀察曲面上色彩的變化，色彩跳躍大，說明曲面不平整。曲面修正可以利用Pro/E中插入—造型—使用直接操作編輯曲面的形狀的功能，拖動相應(yīng)的位置點(diǎn)，以修改曲面的光滑程度和微小形狀。對于微小的修正可以通過分析相應(yīng)的不平整部位，確定該區(qū)域相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，微量不斷的調(diào)整數(shù)據(jù)點(diǎn)，最終得到相對平順的葉片曲面。

2.2 葉片曲面縫合及實(shí)體化

工作面和背面完成后，用Pro/E中的邊界混合命令把剩余的四個(gè)面補(bǔ)全，縫合成一個(gè)整體。然后把相鄰曲面兩兩組合，實(shí)體化生成所需葉片，如圖6所示。

2.3 陣列葉片并加上端蓋

得到單個(gè)實(shí)體葉片后，對入流處倒圓角以減少流體阻力，然后將單個(gè)實(shí)體葉片陣列，得到一個(gè)具有6個(gè)葉片的葉片群，如圖7所示。實(shí)體葉片完成后，分別繪制前后蓋板的二維草繪圖，旋轉(zhuǎn)得到前后蓋板，最終生成完整的葉輪三維模型，如圖8所示。

3 基于SLS工藝生成葉輪蠟?zāi)?/h2>

3.1 SLS工藝原理

圖7 扭曲葉片

圖8 實(shí)體葉輪

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)采用離散—堆積成型的原理，即復(fù)雜的三維制件通過切片的方式轉(zhuǎn)化為簡單二維層片的疊加，以離散的方式得到堆積層面的輪廓、限制及高度，以堆積的方式成型?；镜墓に嚵鞒虨椋菏紫仍谟?jì)算機(jī)造型軟件中建立零件的CAD三維模型，轉(zhuǎn)換成STL文件格式，利用分層軟件得到零件各層的輪廓信息，在工作臺上均勻平鋪一層固體粉末，計(jì)算機(jī)控制激光源選擇性燒結(jié)固體粉末以形成零件的一個(gè)層面。完成一個(gè)層面后，工作臺下降一個(gè)層厚，鋪粉系統(tǒng)鋪設(shè)一層新粉，激光束掃描燒結(jié)新舊層燒結(jié)熔融且固化成型，全部燒結(jié)完成后，去除未被燒結(jié)的多余粉末，得到所需的原型件或零件。本文利用HLP-500激光粉末燒結(jié)快速成型機(jī)制作葉輪熔模模型，顯著特點(diǎn)是能夠在短時(shí)間內(nèi)制造出加工難度大、小批量的零件。

3.2 SLS成型材料的選擇

選擇性激光燒結(jié)工藝可燒結(jié)的材料廣泛，從金屬、陶瓷到高分子材料，幾乎可以利用所有可制成粉末的材料進(jìn)行原型制作。采用SLS工藝和熔模鑄造結(jié)合的工藝生產(chǎn)復(fù)雜水泵葉輪，所以選擇的成型材料必須同時(shí)滿足選擇性激光燒結(jié)工藝和后續(xù)精密鑄造工藝的要求，不僅要易于燒結(jié)、原型精度高且具有一定的強(qiáng)度，而且要在后續(xù)的熔模鑄造工藝中容易除去。在此前提下可選擇的成型材料主要有：蠟粉、聚苯乙烯PS、工程塑料ABS、聚碳酸酯PC及尼龍PA。蠟粉成型精度差且成型件強(qiáng)度低，難以制造復(fù)雜的精密零件。PS吸濕率小、收縮率小、價(jià)格低且成型溫度范圍寬，雖然初始成型件表面質(zhì)量較差且強(qiáng)度不高，但可通過浸蠟處理解決。ABS與聚苯乙烯成型性能相近，但燒結(jié)溫度稍高，成本相對要高些。用聚碳酸酯PC生成的成型件具有表面質(zhì)量好、強(qiáng)度高且脫模容易的優(yōu)點(diǎn)，但PC與PS相比價(jià)格較高。尼龍材料PA由選擇性激光燒結(jié)工藝主要直接燒制成功能零件，而直接燒結(jié)熔模模型的工藝研究還較少。綜合各種材料的優(yōu)缺點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)選擇聚苯乙烯PS粉作為葉輪模型的成型材料。

3.3 蠟?zāi)５闹谱?/h3>

利用選擇性激光成型機(jī)燒結(jié)專用PS粉末，生成葉輪的成型件。由于激光燒結(jié)速度很快，PS粉末熔融后來不及充分相互擴(kuò)散和融合，因此原型件的組織較疏松，密度一般只能達(dá)到實(shí)體密度的60%～70%，另外粉層堆積使表面質(zhì)量也不高，需要浸蠟處理工藝來提高成型件的強(qiáng)度和表面光潔度。另外成型件經(jīng)過浸蠟處理后，可以有效修補(bǔ)燒結(jié)時(shí)缺損的部分及容易焊接蠟質(zhì)澆冒口系統(tǒng)。如圖10和圖11為浸蠟處理前后的零件，可以看出浸蠟處理后表面質(zhì)量得到明顯提高。

圖9 浸蠟前PS葉輪成型件

圖10 浸蠟后的葉輪蠟?zāi)?/p>

圖11 完整鑄件

4 葉輪鑄件的熔模鑄造

選擇性激光燒結(jié)工藝制得PS成型件，浸蠟處理并修正后，得到葉輪蠟?zāi)?，還需要利用熔模鑄造工藝制得最終的金屬葉輪。具體工藝過程為：澆注系統(tǒng)的確定、澆注系統(tǒng)的焊接、制殼、澆注。由于葉輪蠟?zāi)２牧喜⒉煌耆莻鹘y(tǒng)熔模鑄造所用的蠟粉，而是在以PS粉制得葉輪零件上，浸覆了一定厚度的蠟料，所以在制殼階段與傳統(tǒng)熔模鑄造有所差別，其他工藝階段完全相同。制殼的過程中，脫蠟和焙燒尤為重要，蠟?zāi)５膾焱客苛吓c傳統(tǒng)熔模鑄造相同。

4.1 制殼

型殼是由黏結(jié)劑耐火涂料和撒砂材料等組成。根據(jù)鑄件尺寸確定掛涂7層半型殼。每一層都要經(jīng)過對模組的浸涂耐火涂料、撒砂、干燥、硬化、晾干五個(gè)步驟。待型殼充分硬化后，熔失模組，得到多層型殼。

4.1.1 脫蠟

在傳統(tǒng)熔模鑄造中，熔模熔失的過程稱為脫蠟。而在這里指的是脫去澆冒口中的蠟料，PS原型件熔失是在焙燒階段發(fā)生的。熱水脫蠟時(shí)要注意，盡量減少水煮時(shí)間，防止水煮時(shí)間過長而影響蠟?zāi)?qiáng)度，此階段澆冒口處，殘留少許蠟料對鑄件質(zhì)量影響不大，焙燒階段可以去除殘留物質(zhì)。

4.1.2 焙燒

通常來說，焙燒的目的是去除型殼中的水分及殘留的蠟料，使型殼在澆注時(shí)有較低的發(fā)氣量及良好的透氣性，在這里還有PS原型件高溫下分解并且氣化的過程。除此之外，焙燒還有以下兩個(gè)作用。首先在焙燒條件下，黏結(jié)劑及耐火涂料等物質(zhì)會發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，改善型殼的強(qiáng)度、透氣性及耐火性能。焙燒可以減小型殼與金屬液的溫度差，達(dá)到澆注所需的型殼溫度，提高金屬液充型能力。焙燒時(shí)模殼倒立放置并架空，進(jìn)爐后由室溫焙燒至950℃以上，焙燒約1.5 h，以型腔中的殘留物流出，余量分解并消失，保證型腔的清潔度，有利于制得表面質(zhì)量高的葉輪鑄件。

4.2 澆注

熔化鑄造合金，澆注水泵葉輪鑄件。澆注后，鑄件隨砂冷卻。冷卻后，對鑄件進(jìn)行脫殼、打磨噴砂等處理并檢驗(yàn)鑄件質(zhì)量。結(jié)果表明，鑄件形狀完整，輪廓清晰，表面質(zhì)量較好，尺寸精度達(dá)到CT5，尺寸符合使用要求，如圖11所示。

5 結(jié)論

為改善葉輪的過流能量損失，進(jìn)而提高水泵效率，本文利用Pro/E軟件精確繪制葉輪三維模型，可方便地進(jìn)行葉輪、葉片尺寸的修改，然后通過選擇性激光燒結(jié)機(jī)直接得到葉輪樹脂模型，并浸蠟處理修整后制得葉輪熔模，最終通過熔模鑄造工藝生產(chǎn)出葉輪精密金屬零件。葉輪的設(shè)計(jì)方法及基于3D打印技術(shù)的快速精鑄工藝大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，是降低產(chǎn)品開發(fā)成本的有效手段。并且該設(shè)計(jì)及工藝具有很強(qiáng)的通用性，除了水泵葉輪以外，可以廣泛應(yīng)用于其他單件、小批量復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的快速制造，具有良好的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景。