大型葉輪精密鑄造模具及系統及大型葉輪低壓鑄造系統的制作方法

本實用新型屬于精密鑄造技術領域，具體涉及一種大型葉輪精密鑄造模具及系統及大型葉輪低壓鑄造系統。

背景技術：

離心式壓縮機或離心泵用來為各種流體流動提供加壓。這種壓縮機或離心泵包含葉輪，當葉輪旋轉時，流體軸向方向進入，然后加速進入周向和徑向方向，高流速流體進入擴壓器，經轉換速度后輸出高壓流體，對此類壓縮機或離心泵，所使用的葉輪一般為精密鑄造大型薄壁葉輪。

在使用低壓鑄造方法鑄造葉輪時，其冷卻過程需要滿足一定的冷卻梯度，最理想的冷卻狀態是由上到下、由外到里，底部鋁液可以對上部鑄件進行補縮，可以有效避免出現縮松。現有的葉輪鑄造模具一般設置為上模、下模和芯模，在利用現有鑄造模具進行大型薄壁葉輪的鑄造加工時，往往由于其本身模具結構的不合理，無法達到理想的由上至下、由外至內的冷卻順序和冷卻效果，整個冷卻過程中葉輪鑄件的冷卻速度不均一，冷卻程度不均一，最終成型的葉輪鑄件出現縮松等缺陷；

由于大型薄壁葉輪的直徑尺寸較大，葉輪的壁較薄，葉片最薄處約1.2mm，現有的鑄造模具在鑄造大型葉輪時，模具的透氣性差，造成鑄造過程排氣不暢，在鑄造溶液往模具內填充時會產生阻力，導致葉輪鑄件出現澆不足現象，或者模具內氣體排不出去發生熔融金屬液窩氣現象，使葉輪鑄件產生氣孔、砂眼等缺陷，組織性能低，影響葉輪鑄件質量；

因大型薄壁葉輪的葉片厚度小，葉片的形狀扭曲，結構復雜，在利用現有葉輪鑄造模具進行鑄造時，起模難度高，難以保證葉輪鑄件的尺寸精度和表面粗糙度，在不能滿足對葉輪鑄件的冷卻前提下，對大型薄壁葉輪鑄件可能產生的縮孔無法進一步補縮，最終成型的葉輪鑄件成品率低，質量差。

而且，在利用現有的葉輪鑄造模具進行低壓鑄造時，往往因為不能達到很好的冷卻梯度。通常會出現葉輪的內部結構如葉片和內腔表面比較光潔，但在葉片根部T形熱節部位縮松較嚴重，進行多次改進也無法獲得合格鑄件的情況。而在大型薄壁葉輪鑄造時，由其直徑尺寸的增大，模具結構本身尺寸也增大，在整個模具結構進行冷卻時更加難以滿足一定的冷卻梯度，最終成型的葉輪鑄件無法滿足正常使用的需求。

技術實現要素：

本實用新型的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種大型葉輪精密鑄造模具，該模具通過上模中的環槽、排氣塞改善排氣，并在上模上設置冷卻錐和冷卻環，提高鑄件冷卻速度；同時型芯和成型元件(可以采用砂型/石膏型/陶瓷型)的配合也有利于底部鋁液保溫及對鑄件的補縮。

還提供一種大型葉輪精密鑄造系統，將上述鑄造模具與現有鑄造裝置配合形成葉輪鑄造系統，通過模具上冷卻環和冷卻錐的設置提升葉輪鑄造的冷卻效果，通過模具上環槽的設置提升葉輪鑄造的排氣效果，由模具結構上的這些特殊設置，使最終形成的葉輪鑄件精度高，質量好，實現對葉輪的精密鑄造。

還提供一種大型葉輪低壓鑄造系統，將模具和現有低壓鑄造裝置配合形成葉輪低壓鑄造系統，通過模具上冷卻環和冷卻錐的設置提升葉輪鑄造的冷卻效果，通過模具上環槽的設置提升葉輪鑄造的排氣效果，由模具結構上的這些特殊設置，使最終形成的葉輪鑄件精度高，質量好，實現對葉輪的低壓鑄造。

為實現上述目的，本實用新型采用下述技術方案：

一種大型葉輪精密鑄造模具，包括上下相對應設置的上模和下模，所述上模和下模形成的型腔內設有成型元件，所述成型元件上部設有用以形成葉輪內腔和葉片的型芯；在所述上模設有用于對葉輪內部進行冷卻的第一冷卻部，所述上模的頂部設有用于對上模進行噴氣冷卻的多個第二冷卻部，所述上模的下表面設有用于對鑄造過程中產生的氣體進行排氣的多個排氣部。模具中采用型芯和成型元件的配合有利于底部鋁液保溫及對鑄件的補縮；在上模上設置的冷卻環和冷卻錐可以很好的提高鑄件的冷卻速度，改善縮松；在上模上設置環槽對鑄造產生的氣體排出，改善了葉輪鑄造的排氣。

大型葉輪是指直徑為600mm以上的葉輪，本實用新型方案的鑄造模具經適當修改結構尺寸等條件后，可用于小型葉輪。

成型元件可以為砂型，也可以為石膏型，還可以為陶瓷型或其他材料。陶瓷型和石膏型可以達到對鋁液保溫及對鑄件補縮的功能，且陶瓷型和石膏型都比砂型保溫性能好。

優選的，所述上模和下模為金屬模，所述型芯為石膏型芯；通過金屬模和成型元件相配合進行澆注，可以避免普通模具制成的鑄件有砂眼、縮松等質量缺陷。

所述第一冷卻部為冷卻錐，在第一冷卻部內通入冷卻介質。在鑄造填充完畢后，由第一冷卻部通入冷卻氣，對葉輪內部進行降溫。

為實現本實用新型對葉輪內部冷卻的目的，冷卻錐可以替代為冷卻孔，也可以替代為其他能供冷卻介質進入的空腔型結構；為向第一冷卻部內通入冷卻介質，可以在冷卻錐或冷卻孔內插設通入冷卻氣體的進氣管，在進氣管內通入冷卻氣體，進而對葉輪內部進行冷卻。

所述第二冷卻部為冷卻環，冷卻環的數量大于4個，冷卻環的數量根據需要進行設置，冷卻環間間距不易過大，以免影響冷卻效果，本實用新型模具中設置4個以上冷卻環時冷卻效果更好，冷卻環在需要冷卻時再設置在上模上方，即裝配鑄造裝置時將其裝配到上模上方。在所述冷卻環底部開有對上模上表面進行吹氣的開口；在冷卻環中通入冷卻空氣后，從開口中吹出，對上模上表面冷卻。采用多個冷卻環的設置方式，可以在模具冷卻階段，先在最外側的冷卻環中通入冷卻介質，之后，向內依次向其他的冷卻環中通入冷卻介質，最終向冷卻錐中通入介質，形成一個從外向內的冷卻梯度。

上述開口可以是在冷卻環底部間隔布設的多個開孔，也可以是在冷卻環底部開設的狹縫，或者其他能從冷卻環底部對上模吹氣的結構。

所述第二冷卻部為螺旋狀結構，在所述螺旋狀結構底部開有對上模上表面進行吹氣的開口；在冷卻環中通入冷卻空氣后，從開口中吹出，對上模上表面冷卻。

所述第二冷卻部可以為蛇形結構或波浪形結構或以其他任意形式布設，也可以是S型結構或V型結構或W型結構。

所述排氣部為環槽狀結構，所述環槽狀結構的數量大于3條，環槽狀結構的數量根據需要進行設置，環槽狀結構之間間距不易過大，本實用新型模具中設置3條以上環槽狀結構排氣效果更好，在所述環槽狀結構上間隔布設多個排氣孔，所述排氣孔中設置排氣塞；在環槽上布設排氣孔，改善模具的排氣，同時在排氣孔上設置排氣塞，實現只排氣不排鑄造溶液。

根據排氣的需要，可以在模具上開設曲折式縫隙作為排氣通道；也可以在模具中設置排氣針進行排氣，或者在設置排氣針和排氣塞的位置處改成設置排氣線進行排氣；也可以在模具中設置排氣片進行排氣。

所述排氣部為螺旋狀結構，在所述螺旋狀結構上間隔布設多個排氣孔，所述排氣孔中設置排氣塞；在環槽上布設排氣孔，改善模具的排氣，同時在排氣孔上設置排氣塞，實現只排氣不排鑄造溶液。

所述上模下表面設置集渣包；集渣包在鋁液流動的最末端，能夠起到聚集氧化皮、外來夾雜的作用，在葉輪加工時將其去除。

所述下模在澆口布設處可拆卸設有模芯環，所述模芯環與下模之間設置密封件；在下模上分體設置模芯環，在出現鑄造溶液凝固堵口時，方便將模芯環拆卸進行清理。

所述密封件為石墨盤；在模芯環和下模之間設置石墨盤，可以有效防止鑄造溶液漏出；設置石墨盤也可以在出現漏鋁時，便于拆卸進行清理。

優選的，所述下模下表面設有多個環形凹槽；減少下金屬模同鑄造平臺之間的接觸面積，使模具在鑄造平臺上放置的更加平穩，保證鑄造過程中模具的穩固性。

所述成型元件底部設置支撐型芯的支撐件，支撐件之間設有供鑄造溶液進入的澆道；支撐件可以采用臺階形式或其他可能的塊狀、階梯狀等形式，成型元件的臺階支撐型芯，在臺階之間的澆道供鑄造溶液進入模具內成型。支撐件可以設置3個以上。

優選的，所述砂型頂部設有支撐定位型芯的支撐定位件，所述型芯具有與支撐定位件相配合的定位件；成型元件上設置的支撐定位件，型芯底部的定位件和支撐定位件可以相配合，在裝配成型元件和型芯時，通過將定位件直接卡合到支撐定位件內，即可實現成型元件和型芯的定位。

為實現成型元件對型芯的定位支撐作用，支撐定位件可以為在成型元件頂部設置的凹槽，定位件可以為在型芯上設置的支撐臺；也可以將支撐定位件設置成支撐臺，而將定位件設置成凹槽；還可以將支撐定位件和定位件設置成凹凸配合狀結構，或者其他任何可以定位的結構。

所述型芯側面與成型元件之間具有用以形成葉輪下蓋板的第一設定間隙；型芯側面與成型元件之間的縫隙形成葉輪下蓋板，用以形成封閉式葉輪結構。

所述型芯上表面與上模之間具有用以形成葉輪上蓋板的第二設定間隙；型芯上表面和上模之間的間隙形成葉輪上蓋板，用以形成封閉式葉輪結構。

所述型芯內部設有多條用以形成葉輪葉片的縫隙；在型芯內設置上多個與葉輪的葉片形狀相適配的縫隙，用以在鑄造過程中形成葉輪的葉片。

所述下模在成型元件周邊設有外框，所述外框頂部具有限定上模位置的第一限位元件，所述上模下部設有與第一限位元件相配合的第二限位元件；通過外框與上模和下模的配合，形成封閉的鑄造模具結構，同時外框和上模通過第一限位元件和第二限位元件的限定作用，固定上模的位置。

為了實現外框對上模的限位作用，可以將第一限位元件設置為限位臺，而將第二限位元件設置為與限位臺配合的限位塊；也可以將第一限位元件設置為限位塊，而將第二限位元件設置為與限位塊配合的限位臺；還可以將第一限位元件和第二限位元件設置成其他任何可以相互配合或卡合或契合等的結構。

一種大型葉輪精密鑄造系統，包括模具和鑄造裝置，模具采用前面所述的大型葉輪精密鑄造模具。將模具和現有鑄造裝置配合形成葉輪鑄造系統，通過模具上冷卻環和冷卻錐的設置提升葉輪鑄造的冷卻效果，通過模具上環槽的設置提升葉輪鑄造的排氣效果，由模具結構上的這些特殊設置，使最終形成的葉輪鑄件精度高，質量好，實現對葉輪的精密鑄造。

一種大型葉輪低壓鑄造系統，其特征是，包括模具和低壓鑄造裝置，模具采用前面所述的大型葉輪精密鑄造模具。將模具和現有低壓鑄造裝置配合形成葉輪低壓鑄造系統，通過模具上冷卻環和冷卻錐的設置提升葉輪鑄造的冷卻效果，通過模具上環槽的設置提升葉輪鑄造的排氣效果，由模具結構上的這些特殊設置，使最終形成的葉輪鑄件精度高，質量好，實現對葉輪的低壓鑄造。

在所述下模設有供鑄造溶液進入的澆口，所述低壓鑄造裝置與模具之間設有對澆口處鑄造溶液進行加熱的加熱裝置(中間加熱器)；避免鑄造溶液在下模的澆口處凝固堵塞澆口。

所述低壓鑄造裝置包括支撐所述模具的鑄造平臺，所述鑄造平臺下部設置加熱裝置，加熱裝置頂部設有蓋板，所述蓋板上通有升液管，升液管與模具的澆口連接。

所述加熱裝置內置有坩堝，所述蓋板上插設有進氣管。

優選的，所述坩堝與加熱裝置之間設有空氣層或傳熱層；使坩堝和加熱裝置之間通過空氣層或傳熱層隔離，避免加熱裝置直接對坩堝進行加熱造成坩堝的損壞。

所述升液管與蓋板之間通過升液管圓盤固定連接。

優選的，所述升液管上部與中間加熱器連接，所述中間加熱器穿過鑄造平臺與澆口連接；在升液管連接到澆口處設置中間加熱器，對升液管內的鑄造溶液進行加熱，避免鑄造溶液在下模的澆口處凝固堵塞澆口。

本實用新型的有益效果為：

1、本實用新型模具的上模中設置環槽和排氣塞改善排氣，在上模上設置冷卻錐及在上模上表面設置冷卻環來提高鑄件冷卻速度，同時在石膏型芯底部使用砂型有利于底部鋁液保溫及對鑄件的補縮。

2、本實用新型模具上通過改善排氣和冷卻的能夠實現對薄壁大尺寸的葉輪的整體鑄造程序，成型質量好，精度高。

3.本實用新型模具在下模上配合設置可拆卸的模芯環和石墨盤，在出現鑄造溶液凝固堵口時，方便將模芯環拆卸進行清理，并能有效防止鑄造溶液漏出。

4.本實用新型鑄造系統將改進后的模具和鑄造裝置結合，能夠滿足葉輪鑄造過程中的排氣和冷卻需求，利用該鑄造系統生產的葉輪成品質量好。

附圖說明

圖1為本實用新型葉輪鑄造模具的結構示意圖；

圖2為葉輪鑄造模具的俯視圖；

圖3為本實用新型葉輪鑄造系統的結構示意圖；

圖中，1上模，2下模，3成型元件，4型芯，5冷卻錐，6澆口，7冷卻環，8環槽，9進氣管，10集渣包，11模芯環，12石墨盤，13環形凹槽，14臺階，15凹槽，16支撐臺，17外框，18限位臺，19鑄造平臺，20加熱裝置，21蓋板，22升液管，23升液管圓盤，24坩堝，25進氣管，26中間加熱器，27墊子，28排氣孔，29縫隙。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

實施例1：

如圖1所示，大型葉輪精密鑄造模具，包括上下相對應設置的上模1和下模2，上模1和下模2形成的型腔內設有成型元件3和型芯4，上模1和下模2選擇金屬模，型芯4選擇石膏型芯，上模和下模也可以選擇其他材質，最好采用金屬材質；型芯也可以采用其他材質，如陶瓷、耐高溫高分子材料、砂型等；在上模1設有用于對葉輪內部進行冷卻的冷卻錐5，在下模2設有供鑄造溶液進入的澆口6，上模1的頂部設有用于對上模1進行噴氣冷卻的多個冷卻環7，上模1的下表面設有用于對鑄造過程中產生的氣體進行排氣的多個環槽8。模具中采用型芯和成型元件的配合有利于底部鋁液保溫及對鑄件的補縮；在上模上設置的冷卻環和冷卻錐可以很好的提高鑄件的冷卻速度，改善縮松；在上模上設置環槽對鑄造產生的氣體排出，改善了葉輪鑄造的排氣。

為了配合葉輪形狀，上模1中部凹陷，中空，并設有冷卻錐5，冷卻錐5為一個空腔。冷卻錐5中插有進氣管9，在鑄造填充完畢后，通入冷卻氣，對葉輪內部進行降溫。在加工其他葉輪時，若葉輪在上模中部位置有類似圓弧的話，也需要相應設計凹陷，作用是減少加工余量、提高冷卻速度。

冷卻環7的數量大于4個，冷卻環7中空，在冷卻環7底部具有多個對上模1上表面進行吹氣的出氣口；在冷卻環中通入冷卻空氣后，從出氣口中吹出，對上金屬模上表面冷卻。冷卻環的設置是為了加強局部的冷卻。在此鑄造模具中，為了滿足從上至下的冷卻梯度，所以冷卻環7在上模上方設置。冷卻環7可以替換成螺旋狀結構或蛇形結構或波浪形結構，也可以是S型結構或V型結構或W型結構，或以其他任意結構形式布設。出氣口可以是在冷卻環7底部間隔布設的多個開孔，也可以是在冷卻環底部開設的狹縫，或者其他能從冷卻環底部對上模吹氣的結構。采用多個冷卻環的設置方式，可以在模具冷卻階段，先在最外側的冷卻環中通入冷卻介質，之后，向內依次向其他的冷卻環中通入冷卻介質，最終向冷卻錐中通入介質，形成一個從外向內的冷卻梯度。

在下模2下表面設置集渣包10；下模2在澆口6布設處可拆卸設有模芯環11，模芯環11與下模2之間設置密封件；選擇的密封件可以為石墨盤12；下模2底部可拆卸設有模芯環11，模芯環11和下模2連接在一起，在下模2上分體設置模芯環11，可以在出現鑄造溶液凝固堵口時，方便拆卸、清理：同時在模芯環11中間有石墨盤12，可以有效防止漏鑄造溶液。

下模2下表面設有多個環形凹槽13；減少下模2同鑄造平臺19之間的接觸面積，使模具在鑄造平臺上放置的更加平穩。

下模2內部設有成型元件3，成型元件3上部填充有型芯4，型芯4底部放置在成型元件3的臺階14上，臺階14數量大于等于3個，兩個臺階14之間設有澆道，鋁液從其中進入到模具內部。本實施例中，成型元件采用砂型。

成型元件3頂部設有支撐定位型芯4的凹槽15，型芯4具有與凹槽15相配合的支撐臺16；型芯4放置在成型元件3臺階14上，型芯4外側下邊緣軸向設有支撐臺16，對應放置在凹槽15內。

型芯4下表面同成型元件3之間留有一定距離空隙，用以形成葉輪的下蓋板，其距離根據葉輪下蓋板厚度設定。型芯4上表面與上模1之間具有用以形成葉輪上蓋板的設定間隙，用以形成葉輪的上蓋板，其距離根據葉輪上蓋板的厚度設定；用以形成封閉式葉輪。型芯4設有多條縫隙29，用以形成葉輪的葉片的填充。

下模2上在成型元件3周邊設有外框17，外框17頂部具有限定上模1位置的限位臺18，上模1下部設有與限位臺18相配合的限位塊，上模1放置在下模2的外框17上，通過外框17頂部的限位臺18固定其位置。

如圖2所示，上模1下表面設置環槽8以改善排氣，環槽8的數量大于3條，在每條環槽8上間隔一定距離布設多個排氣孔28，排氣孔28中設置排氣塞，實現只排氣不排溶液。排氣塞的由耐熱材料制備而成，中間設有很小排氣縫隙，保證不漏鑄造溶液。環槽8也可以設置成螺旋狀結構。

根據排氣的需要，可以在模具上開設曲折式縫隙作為排氣通道；也可以在模具中設置排氣針進行排氣，或者在設置排氣針和排氣塞的位置處改成設置排氣線進行排氣；也可以在模具中設置排氣片進行排氣。

在鑄造過程中，通過調節冷卻空氣的進量以控制模具的溫度、調節加熱裝置的溫度以控制鋁液溫度700-740℃、控制進氣壓力以控制充型壓力及速度、保壓時間等參數來改善鑄造缺陷、提高鑄造質量。

實施例2：

將實施例1中的成型元件由砂型替換成石膏型，模具的其他結構部分與實施例1中相同。

需要注意的是：由于石膏型是用漿料進行灌注、且需要徹底干燥，所以替換成石膏型時，需要保證灌注時各部分配合不能漏漿料、干燥過程中石膏型不會受力變形和裂紋。

實施例3：

將實施例1中的成型元件由砂型替換成陶瓷型，模具的其他結構部分與實施例1中相同。

實施例4：

大型葉輪精密鑄造系統，包括模具和鑄造裝置，模具采用前面所述的如圖1-圖2所示的葉輪精密鑄造模具。將模具置于現有鑄造裝置上配合形成葉輪鑄造系統，通過模具上冷卻環和冷卻錐的設置提升葉輪鑄造的冷卻效果，通過模具上環槽的設置提升葉輪鑄造的排氣效果，由模具結構上的這些特殊設置，使最終形成的葉輪鑄件精度高，質量好，實現對葉輪的精密鑄造。

實施例5：

如圖3所示，大型葉輪低壓鑄造系統，包括模具和低壓鑄造裝置，模具采用前面所述的如圖1-圖2所示的葉輪精密鑄造模具。將模具置于現有低壓鑄造裝置上配合形成葉輪低壓鑄造系統，通過模具上冷卻環和冷卻錐的設置提升葉輪鑄造的冷卻效果，通過模具上環槽的設置提升葉輪鑄造的排氣效果，由模具結構上的這些特殊設置，使最終形成的葉輪鑄件精度高，質量好，實現對葉輪的低壓鑄造。

低壓鑄造裝置包括支撐所述模具的鑄造平臺19，鑄造平臺19固定在地面上，其上放置有上下金屬模具，鑄造平臺19中心中空，中間加熱器26從中穿出。鑄造平臺19下部設置加熱裝置20，加熱裝置20頂部設有蓋板21，加熱裝置20內置有坩堝24，用于對坩堝及內部的鋁合金進行加熱。加熱裝置20可以與坩堝24之間直接接觸，也可以通過空氣層、傳熱層隔離。加熱裝置可以為加熱套等。

坩堝24內部插設有升液管22，蓋板21上設有進氣管25，提供壓力，將坩堝內的鋁液沿升液管填充到模具中。升液管22上部設有升液管圓盤23，用以固定連接在蓋板21上，升液管22的上部出口同中間加熱器26底部連接，中間加熱器26穿過鑄造平臺19與澆口6連接，中間加熱器26和模芯環11之間設置墊子27。

上述雖然結合附圖對本實用新型的具體實施方式進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內。