｜导读｜
■研究了一种弧形结构钛合金铸件蜡模的变形规律，分析了蜡模冷却方法、工装校形时间、车间存放时间对蜡模尺寸变形的影响。结果表明，弧形结构件蜡模冷却过程中弧面会发生翘起变形，水冷比空冷的蜡模变形严重。制作蜡模专用工装可控制蜡模变形，工装校形时间不同，蜡模尺寸控制结果不同，校形3h后蜡模尺寸稳定。蜡模完成校形后，自由放置继续变形，1天时变形最大0.26mm，1天后变形小，3天后尺寸稳定。
关键词：铸造钛合金；蜡模尺寸控制；校形时间；存放时间
■钛和钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀等特点，在航空航天结构件中得到广泛应用。钛合金精密铸造是采用精确凝固成型方法实现各种复杂构件的近净成型，金属使用率高，机械加工余量少，可获得尺寸精度高，表面质量好，形状结构复杂的铸件。钛合金熔模精密铸造的工艺流程复杂，生产周期长，要经过蜡模、涂料、焙烧、熔炼等工序。蜡模制造是至关重要的环节，蜡模的尺寸稳定性和变形程度极大地影响了铸件的品质。对于易变形件，要得到形状尺寸合格的铸件，首要的就是将变形控制在源头，制备出一个合格蜡模。目前，对于钛合金熔模精密铸造的蜡模研究主要集中在蜡料上的一些基础研究，对于易变形件的蜡模成形工艺，以及蜡模变形控制研究较少。
■选择了钛合金结构件中常见的一种弧形结构铸件，其外形尺寸为413mm´140mm´90mm，最小壁厚为5mm，铸件质量为2.5kg。蜡料选用KC-4017B型蜡料，使用MPI型号压蜡机，按表1参数压制蜡模，蜡模压制前在指定位置放置冷蜡，防止蜡模厚大区面缩。图2是压制后的蜡模。
图1弧形结构件示意图
表1压蜡参数
图2压制后的蜡模
■蜡模的变形量一般在毫米以内的级别，选择精度高的GOM扫描机和qualify软件分析蜡模尺寸。
1、蜡模变形规律
■蜡模压制后选择3种方式放置，1号立放，2号扣放，3号平放，见图3。在放置24线h后使用GOM扫描，与蜡模理论数模对比，分析实际蜡模与数模的偏差，判断蜡模变形情况，结果见4。
（a）1号（b）2号（c）3号
图3蜡模3种放置方式
■对比3个蜡模各位置的偏差，发现3种放置方式下的蜡模均有变形（偏差超过±0.25mm），变形位置主要集中在弧面的两端。其中，1号蜡模变形最小，最大偏差为0.52mm，2号蜡模变形最大，偏差为2.83mm，3号蜡模最大偏差为1.05mm。分析原因，1号蜡模立着放置，弧面不受力，冷却过程中自由收缩，自身结构收缩应力导致弧面向上翘起。2号蜡模除了自身弧形结构导致变形外，弧面反面支撑受力增加了变形程度。3号蜡模因自身重力的原因，变形程度同样大于1号蜡模。
（a）1号蜡模尺寸结果
（b）2号蜡模尺寸结果
（c）3号蜡模尺寸结果
图4不同放置方式下蜡模扫描结果
■为使蜡模尺寸满足要求，设计蜡模专用胎具，并使用金属块反校形蜡模，使用专用胎具校形见图5。蜡模扫描结果见图6。可以看出，蜡模尺寸控制较好，满足要求。
图5蜡模校形
图6校形后的蜡模尺寸结果
2、蜡模冷却方式对蜡模变形影响
■蜡模压制后选择两种冷却方式，一种放置在空气中自由冷却，一种放置在水中水冷，分析冷却方式对蜡模变形的影响。图7为不同冷却条件下的蜡模尺寸结果。对比图7发现，在水中冷却的蜡模最大偏差为0.64mm，空冷蜡模最大偏差为0.45mm。同时水中冷却的蜡模变形面积大于空冷蜡模，图7b中两边浅色区（蜡模偏差为0.25mm以上的区域）大于图7a的。分析原因，压制后的蜡模未完全冷却，局部温度保持在30℃左右，放入水中，蜡模急冷导致变形加重。由此可知，蜡模的冷却速率对尺寸变形有一定影响，水冷比空冷蜡模变形更严重。
（a）空气中冷却的蜡模尺寸结果
（b）水中冷却的蜡模尺寸结果
图7不同冷却条件下的蜡模尺寸结果
3、蜡模在工装放置时间对其变形的影响
■使用蜡模专用放置工装后可以解决蜡模变形问题，那么如何确定蜡模在工装上的放置时间，放置时间长影响生产效率，放置时间短蜡模变形得不到有效控制。为此，针对蜡模在工装上的放置时间开展研究。选取0.25、3，5，24的放置时间，分析工装放置时间对蜡模变形的影响。图9是4个放置时间后的蜡模扫描结果。图10为蜡模4个不同位置上，不同放置时间下蜡模偏差的对比。对比发现，放置0.25h后蜡模依然有变形，最大偏差为0.45mm。蜡模放置3h后，偏差在0.2mm左右。
（a）0.25h（b）3h
（c）5h（d）24h
图8不同工装放置时间下蜡模尺寸结果
图9不同工装放置时间下在蜡模不同位置的偏差对比
4、蜡模存放时间对蜡模变形的影响
■蜡模自工装取下后，放置1、3、5天，分析蜡模存放时间对尺寸变形的影响。将不同存放时间的蜡模分别与刚完成校形的蜡模对比，分析不同状态下蜡模偏差。图10是存放1、3、5天蜡模变形结果，对比发现放置1天后蜡模最大变形为0.26mm，放置3天后最大偏差为0.36mm，对比存放3天与5天的蜡模最大偏差基本一致。
图10蜡模尺寸变形量与放置时间的关系
5、结论
（1）弧形结构的蜡模因自身结构原因导致弧面向上翘起变形，放置方式不当会加重蜡模变形，制作专用校形工装可控制蜡模变形。
（2）蜡模冷却速率对尺寸变形有影响，水中冷却的蜡模变形较空气中冷却的变形严重。
（3）蜡模的校形时间不同，尺寸控制效果不同，校形3h后蜡模尺寸基本稳定。
（4）蜡模在车间的存放时间对尺寸有一定的影响，存放1天蜡模变形量最大，0.26mm左右，1天后蜡模变形量在0.1mm左右，3天后基本稳定。
本文引用格式：杨冬丽，高富辉，那玥.某弧形结构钛合金铸件蜡模尺寸控制[J].特种铸造及有色合金，2021,41（4）：521-524.
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