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快速成形技術在鑄造模具制造中的應用

作者:admin 發布日期:2018-8-30 關注次數: 二維碼分享


1隨著經濟競爭的日益全球化,各企業需要用最短的時間將新產品投放市場,以增強自身的競爭力。模具開發周期長是制約新產品開發的瓶頸,必需縮短模具開發周期,降低制造成本。20世紀80年代末出現的快速成形技術(rapidprototyping,RP)較好地滿足了這一需要。RP技術是對一系列逐層零件制造工藝的統稱,它使用近乎全自動化的工藝直接從CAD文件生產所需要的模型或模具,可以顯著減少模具研發時間和成本,將更多的時間用于產品設計和優化,及早發現和更正設計中的錯誤,解決模具生產跟不上產品開發需要的矛盾,尤其在復雜薄壁零件的鑄造模制造領域表現出極大的優越性??焖俪尚文>咧圃旆譃橹苯臃ê烷g接法:直接法是將快速成形件進行后處理(如噴涂轉移涂料、滲蠟等),制作木模、蠟?;蛳?/span>,獲得鑄件或鑄型;間接法是用快速成形件做母?;蜻^渡模具(如硅橡膠模、石膏模等),再通過精密鑄造等傳統模具制造方法得到鑄件或鑄型。以下將對各種主要快速成形技術的特點和在鑄造模制造過程中的實際應用與發展方向做詳細介紹。

2快速成形技術特點

快速成形技術的出現改變了傳統的模具加工方式,其制造快捷、尺寸、性能穩定及市場響應速度快等特點開辟了模具制造的新途徑,更主要的是,其成形方式與零件復雜性沒有關系,尤其適用于復雜零件的快速制造,在模具制造方面取得了巨大進展。鑄造作為一項傳統的工藝,制造成本低、工藝靈活,且不受鑄件形狀、大小的限制,是復雜金屬零件的主要成型方法之一。二者的結合可以充分發揮各自的特點和優勢,為復雜零件的單件或小批量快速鑄造創造條件。目前應用較多的快速成形方法有:立體平板印刷(SLA),通過紫外波長激光束對液態光敏樹脂進行逐層掃描使其發生聚合反應,固化后逐層堆積成三維實體;分層實體制造(LOM),采用激光束照射薄層材料(如紙片等),使其單面涂敷的熱敏感材料達到一定溫度后粘在一起生成實體;選擇性激光燒結(SLS),采用激光逐層有選擇性地燒結固體粉末,疊加生成原型;熔化沉積成形(FDM),由計算機控制加熱噴頭將絲狀熱塑性材料加熱至熔融狀,有選擇性的涂覆在工作臺上,逐層固化后生成三維實體[1]。

3快速成形技術制造的鑄造模具

3.1木模

在砂型鑄造生產中,采用傳統的手工制作或常規的機械加工制作木模,制造周期長,精度低,對于一些復雜鑄件,木模制造困難,模工需經過多年培養。雖然一些大型鑄造廠引進了數控機床,但設備價格昂貴,模具加工周期較長。近年來,SLA制作的樹脂模已成功代替木模用于砂型鑄造[2];LOM制造的紙制模也可取代傳統木模用于鑄造生產。利用SLA制作樹脂原型代替木模,縮短了模具制造時間,成形精度高,強度和尺寸穩定性也優于木模,特別適用于難加工、需要拼鑲的組合模具的直接成形。宗學文等[3]解決了復雜殼體中SLA模型代替木模的問題,通過分析數據處理過程對造型工藝的影響,對模型制作進行了優化,結合新型變速器殼體實現了新品開發的快速鑄造。范興國[4]針對砂型鑄造中大型復雜薄壁鑄件的鑄造工藝特點,介紹了用樹脂模代替木模的方法,主要介紹了樹脂模具的制造、樹脂自硬砂砂芯應用等關鍵技術問題。采用LOM獲得的紙質原型是由背面涂有熱熔性粘合劑的特殊紙疊加而成,經過適當的表面防潮處理(如噴涂清漆、環氧基涂料等),表面平整光滑,硬度高,具有良好的尺寸穩定性,制模速度快,成本低,其相關性能達到傳統木模要求,可完成復雜模具的整體制造。紙制??梢赃M行機械加工和涂膩子修飾加工,能重復制作50~100件砂型,適用于形狀復雜的大中型鑄件[5]。美國福特汽車公司利用該技術制造出了685mm長的汽車曲軸模樣,先分3塊制作,然后拼裝成砂型鑄造用模樣,尺寸精度達到0.13mm.完全滿足普通砂型鑄造要求,大大縮短制造周期。美國Helisys公司用LOM制造的三維紙制??箟簭姸群陀捕壬踔粮哂谀灸?/span>[6],將其高的強度和造型精度應用于制造大型汽車驅動機構外殼零件鑄模,外形尺寸達到760mm600mm280mm。

3.2蠟模

傳統的蠟模大都采用壓型壓制,用普通蠟料(烷烴蠟、脂肪酸蠟等)制造的蠟模強度較低,難以滿足復雜薄壁鑄件要求,且成型精度低。楊世洲等[7]針對SLS原型蠟模在灰分、與水玻璃的潤濕性及涂覆性方面能否達到熔模鑄造的相關試驗標準進行了驗證,并用實例證實,SLS原型蠟模代替熔模鑄造蠟模是可行的。用SLS可迅速、的制作形狀幾乎任意復雜的蠟模,且不需要制備壓蠟的模具,其蠟型尺寸精度可達(0.13~0.25)mm,表面粗糙度均方根值為Ra=3.048~4.064m,在熔模鑄造領域已得到廣泛應用[8]。但因制造費用相對較高,常用SLS制造形狀復雜部位的蠟模,而澆冒口等簡單部位則用普通精鑄蠟料,降低了產品開發成本。SLS制造蠟模的材料為高分子化合物,熔化溫度高,熔體黏度大,不利于脫蠟,易產生夾渣等缺陷,所以不能用一般的水煮或蒸氣脫蠟方法,而是采用高溫焙燒使材料熔化流走直到完全揮發。楊勁松等[9]針對材料特性設計出合理的結殼脫蠟工藝,在蠟模易積渣部位和凸臺處設置出氣冒口及排渣冒口,可使蠟料脫出干凈,解決了鑄件夾渣問題,成功澆注出了汽車排氣管、大型不銹鋼泵輪等復雜精密鑄件。SLA制成的蠟模尺寸精度和表面質量較好,但價格較貴,在航天航空和軍工部門的熔模鑄造中應用較廣泛。FDM工藝所用材料為工業標準鑄造用石蠟(灰分含量很低且具有較好的表面粗糙度)或塑料等低熔點材料,制殼后可快速脫蠟,用于熔模鑄造后所得鑄件表面質量和尺寸精度稍差,適用于中等復雜程度的中小型鑄件。對于形狀復雜鑄件的單件或小批量生產,也可用LOM制作的紙制模代替蠟模,對其進行防潮處理后,涂掛涂料,構成形殼,然后除去紙模,利用熔模鑄造方法制殼后澆注鑄件。美國克萊斯勒公司用LOM制作蠟模生產出形狀復雜的排氣管鑄件。


3.3消失模

SLS工藝燒結PS粉末制成原型件,經后處理,可用做消失模鑄造母模生產金屬鑄件。由于燒結體的密度比傳統發泡聚苯乙烯的高,氣化產生的過量氣體將影響金屬的流動性和鑄件質量,降低燒結體密度是制作高質量消失模的關鍵。聚合物與石蠟相比具有較好的燒結性能、較低的溫度敏感性、熔解氣化完全、燒結體強度高、表面質量好、雜質少等優點熔模經浸蠟處理和機械拋光后,表面粗糙度值可從Ra=2~15m降低到Ra=0.3~0.9m,經表面鍍層處理可有效消除熔模表面氣孔,顯著提高成形件尺寸精度和表面質量。用其制成的熔模廣泛用于鋁合金、不銹鋼和鈦合金材料零件的鑄造,經浸蠟處理則可用于真空鑄造高品質零件。用于燒制消失模的聚合物粉末有金屬基和樹脂基2,如美國DTM公司開發的CuPA、DuraformPA、Rapidsteel等材料[11]。實驗結果表明,CuPA制成的模具易與消失模發生粘結,導致脫模困難,效果不理想;DuraformPA效果較好,但由于聚合物硬度低、耐熱性差,導致模具壽命較短,只適用于小批量生產;Rapidsteel效果雖好但價格較貴。中北大學的崔建芳等[12]用自制的PS原型燒結粉(牌號為STP1)進行燒結,經浸蠟處理制造出鑄造消失樹脂模;SLS技術制作的原型件模樣和芯盒經浸樹脂處理后,可直接在砂型鑄造造型時使用,大大縮短了模樣和芯盒的制造周期。

3.4覆膜砂型()

覆膜砂是鑄造中一種應用廣泛的造型材料,是采用熱固性樹脂(如酚醛樹脂)包覆石英砂或鋯砂的方法制得的。用覆膜砂制作的砂型和砂芯可配合使用,也可與其他砂型()配合使用,其所制的砂型()多為薄殼狀,故稱為殼型或殼芯。SLS技術可以直接制作砂型(),以覆膜砂(砂粒直徑小于0.2mm)為成形材料,根據零件模型的幾何信息進行逐層燒結,經固化處理并配以澆注系統后,即獲得鑄造用型殼或型芯并澆注出鑄件。該方法生產工藝過程短、成形速度快,特別適合于制造形狀復雜,尤其是內腔復雜的金屬鑄件。圖2所示為帶油路、直徑僅6mm的復雜砂芯。美國DTM公司開發的SolidFormZr材料是一種覆有樹脂粘結劑的鋯砂,燒制成的原型在100的烘箱中保溫2h硬化后,可以直接用作鑄造砂型。

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