富巖巖 張艷梅

摘 要：傳統(tǒng)上核泵葉輪的制造大部分都采用木模鑄造的方式，但往往由于木模結(jié)構(gòu)復(fù)雜且適應(yīng)性較差影響葉輪制造精度。文章提出一種用快速成型模具代替泵輪傳統(tǒng)木模制作的方法，根據(jù)核泵葉輪的結(jié)構(gòu)形式及項(xiàng)目所要求的指標(biāo)，首先選擇一個(gè)核泵葉輪，進(jìn)行三維實(shí)體造型，并分析葉輪結(jié)構(gòu)；然后設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，根據(jù)葉輪形狀設(shè)計(jì)模具拆分方式，利用三維軟件進(jìn)行仿真模擬，避免模具結(jié)構(gòu)不合理；找出最優(yōu)方案之后，利用激光快速成型機(jī)，將PSB粉燒結(jié)成型；最后用配比好的樹(shù)脂進(jìn)行涂刷并固化，最后得到可供鑄造使用的樹(shù)脂模具。

關(guān)鍵詞：木模；快速成型；三維建模；樹(shù)脂涂刷；葉輪

中圖分類(lèi)號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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

模具在成型工藝中對(duì)成型件尺寸、形狀精度和內(nèi)在質(zhì)量具有重要作用[1]。模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力[2]?，F(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)模具技術(shù)的要求越來(lái)越高，它也正向高精度、壽命長(zhǎng)、高生產(chǎn)率、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等方面發(fā)展[3]?？焖俪尚图夹g(shù)是一項(xiàng)集控制、材料、激光燈為一體的高新制造技術(shù)，是制造領(lǐng)域的重大突破，與并行工程一起被列為當(dāng)代兩項(xiàng)最重要的技術(shù)[4]?？焖俪尚图夹g(shù)的出現(xiàn)有效推進(jìn)了產(chǎn)品的創(chuàng)新，并增加了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。將快速成型應(yīng)用于模具加工的技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)為快速模具技術(shù)[5-6]?？焖俪尚湍＞咧恍枰獋鹘y(tǒng)加工方法40%左右的工時(shí)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術(shù)主要分為兩大方面：一是直接快速制膜，即用快速成型方法直接制造出模具；二是間接快速制膜，先用快速成型方法制造出母模，再按照傳統(tǒng)方法制造模具。

核泵的葉輪的強(qiáng)度要求不是很高，且材料較貴，因此大多為鑄件，目前傳統(tǒng)工藝都是采用木模制作砂型然后進(jìn)行澆鑄。由于葉輪形式一般都是三元葉輪，因此所使用的木模結(jié)構(gòu)形狀非常復(fù)雜，對(duì)木材紋理、硬度等指標(biāo)要求很高，特別是葉片流道位置的木模件，都需要在數(shù)控加工中心上進(jìn)行加工，這就造成了木模制作成本特別高，加工周期特別長(zhǎng)的狀況，一般都需要很長(zhǎng)的制作周期。已制好的木型對(duì)環(huán)境的溫度、濕度變化特別敏感，尺寸容易發(fā)生改變，影響葉輪精度。并且制作木型過(guò)程中對(duì)我們的葉輪型線數(shù)據(jù)無(wú)法有效保密，容易造成數(shù)據(jù)流失。本項(xiàng)目主要研究的是用樹(shù)脂模具代替?zhèn)鹘y(tǒng)木模，使模具制作周期縮短為幾天，并可節(jié)約大量模具成本，提高鑄件葉輪的葉型精度，還可以有效防止葉片型線數(shù)據(jù)的泄密。

1 模具設(shè)計(jì)

1.1 選擇葉輪

與壓縮機(jī)相比，核泵葉輪葉數(shù)較少，葉片彎曲較大，我們選擇了一個(gè)有5個(gè)葉片、直徑220mm的核泵葉輪進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。根據(jù)葉輪的二維圖，考慮鑄造工藝、鑄造收縮率、加工余量等需求，設(shè)計(jì)了分模面位置，盡可能加大了拔模角度，完成了上、下蓋板的模具輪廓圖，并設(shè)計(jì)了葉片砂芯的放置位置。

德國(guó)數(shù)學(xué)家G.Contor于19世紀(jì)創(chuàng)立了經(jīng)典的集合論，集合中的元素只能在{0，1}兩個(gè)數(shù)字中取值，這是他將豐富的世界經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單抽象提煉后而得出的理論。隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，這一理論已越來(lái)越顯示出他的不足，世界并不是這樣簡(jiǎn)單。Zadeh創(chuàng)立了模糊集合的理論，他將集合中的元素定義在[0，1]中取值，這一理論的誕生為我們描述豐富多彩的世界提供一個(gè)更符合實(shí)際的方法和工具。

基于兩個(gè)領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢(shì)，結(jié)合視覺(jué)導(dǎo)引的精確性和模糊控制的先進(jìn)控制策略，基于模糊控制的視覺(jué)引導(dǎo)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，已經(jīng)成功地應(yīng)用于機(jī)器人的控制。其實(shí)伴隨著智能控制技術(shù)出現(xiàn)的還有很多先進(jìn)的算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等，但其中模糊邏輯控制策略已經(jīng)比較成熟，再加上經(jīng)典控制中的PID調(diào)節(jié)，使控制策略更凸顯深度。模糊控制策略需要明確的指定輸入變量，這些輸入變量具有能夠影響系統(tǒng)輸出的特征。而視覺(jué)引導(dǎo)技術(shù)的輸出恰能很好地與模糊控制的輸入端口相適應(yīng)，其偏差及偏轉(zhuǎn)角基本能標(biāo)識(shí)所有的重要特征，在高速掃描精度的保證下很少丟失系統(tǒng)特征，也基本不會(huì)增加多余的特征以致規(guī)則庫(kù)的復(fù)雜性增大。模糊控制解決了智能控制中人類(lèi)語(yǔ)言尤其是不確定性語(yǔ)言的描述和推理問(wèn)題，其在視覺(jué)導(dǎo)引上的應(yīng)用更能發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)。

1.2 葉片部位砂芯模具的設(shè)計(jì)

首先按照葉片型線數(shù)據(jù)，及子午輪廓尺寸，利用UG軟件對(duì)葉輪進(jìn)行了三維造型，如圖3所示，然后抽取出單個(gè)流道位置的整體形狀。

再按照流道形狀，進(jìn)行砂芯模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮如何將模具定位組合、砂芯硬化后如何將模具拆分并取出來(lái)。因此我們利用UG軟件的運(yùn)動(dòng)仿真功能，在設(shè)計(jì)階段就對(duì)模具各部分進(jìn)行了干涉檢查，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保了最終制作好的模具能夠順利進(jìn)行組裝與拆分。其過(guò)程如圖4所示：

2 模具制造

按照最終確定的模具設(shè)計(jì)方案，考慮快速成型的要求，給模具各部分結(jié)構(gòu)增加支撐，考慮安放位置利用快速成型機(jī)進(jìn)行激光燒結(jié)成型。得到如圖5的各部件。然后再進(jìn)行樹(shù)脂涂刷、固化，得到樹(shù)脂模具的各部分零件。因受涂刷工藝方式的限制，模具表面比較粗糙，還需要用砂紙進(jìn)行簡(jiǎn)單的拋光處理，然后才能使用。

圖片6是應(yīng)用樹(shù)脂模具實(shí)物照片，經(jīng)過(guò)強(qiáng)度、硬度、浸泡試驗(yàn)等方式的驗(yàn)證，樹(shù)脂件的抗拉強(qiáng)度為32Mpa，表面硬度HB70，在水中浸泡后自然風(fēng)干，無(wú)變形及開(kāi)裂現(xiàn)象，因此完全可以滿足鑄造使用的需要。

3 澆鑄試驗(yàn)

為驗(yàn)證樹(shù)脂模具的可用性，我們?cè)阼T造園進(jìn)行了澆鑄驗(yàn)證。具體過(guò)程如以下圖片所示：

4 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

與傳統(tǒng)木模相比，利用激光快速成型技術(shù)制作的樹(shù)脂模，具有加工周期短，形狀準(zhǔn)確，修改方便，模具成本低等優(yōu)勢(shì)，并且可以提高我公司快速成型機(jī)的設(shè)備利用率。在制作傳統(tǒng)木模時(shí)，不得不向鑄造廠提供葉輪的葉片型線數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)外流后很容易被他人竊取使用，利用快速成型技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)木模就可以有效地解決這個(gè)泄密問(wèn)題。制作過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)模擬，縮小比例試制等手段，解決了葉輪模型拆分困難，模具各部件空間定位復(fù)雜等問(wèn)題，最終完成樹(shù)脂模具的制作。

本項(xiàng)目所使用的樹(shù)脂，大約是500元/公斤，PSB粉的使用量更少，成本更低。根據(jù)快速成型技術(shù)的特點(diǎn)，非常適合制作復(fù)雜形狀的模具，不像木模必須在數(shù)控加工中心上進(jìn)行銑制加工，涂刷完樹(shù)脂的表面，僅用細(xì)砂紙簡(jiǎn)單打磨即可直接使用。因此，與傳統(tǒng)木模相比，模具形狀結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，本技術(shù)越有優(yōu)勢(shì)；樹(shù)脂的表面硬度遠(yuǎn)高于木材，因此表面更耐磨，不需要涂漆，受潮后不會(huì)像木模一樣變形開(kāi)裂。

5 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目的完成，實(shí)現(xiàn)了泵輪鑄造用樹(shù)脂模具的設(shè)計(jì)及制作，經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：樹(shù)脂模具的強(qiáng)度可以滿足制作砂型使用；樹(shù)脂模具在固化過(guò)程中，幾乎沒(méi)有變形，涂刷固化后可以保持與PSB粉燒結(jié)形狀一致，因此可以滿足模具的精度要求；樹(shù)脂模具表面粗糙度要優(yōu)于木模，更有利于起模；樹(shù)脂模具更方便保存，使用壽命較長(zhǎng)。

本項(xiàng)目雖然實(shí)現(xiàn)模具的制作，但工作尚存許多不足之處有待在后續(xù)的研究中加以完善和提高。比如提高樹(shù)脂的滲透性，使模具厚度可以再加大；模具結(jié)構(gòu)還需進(jìn)一步優(yōu)化，比如可采用中空填充結(jié)構(gòu)，減少樹(shù)脂使用量；如何更好地控制固化溫度與速度，還需要進(jìn)一步研究。

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