激光快速成型與傳統(tǒng)精密鑄造技術(shù)的工藝組合應(yīng)用
發(fā)布日期:2011-11-25 蘭生客服中心 瀏覽:2479
1 引言
快速自動(dòng)成型(Rapid Prototyping)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的直接根據(jù)CAD模型快速生產(chǎn)樣件或零件的成組技術(shù)總稱(chēng)。該技術(shù)解決了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)中三維造型的“看得見(jiàn),摸不著”的問(wèn)題,能將屏幕上的幾何圖形快速自動(dòng)實(shí)體化。它集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代化科技成果,是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。其本質(zhì)是用積分法制造三維實(shí)體,將計(jì)算機(jī)中儲(chǔ)存的任意三維型體信息傳遞給成型機(jī),通過(guò)材料逐層添加法直接制造出來(lái),而不需要特殊的模具、工具或人工干涉。
2 國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨向
美國(guó)在發(fā)展快速自動(dòng)成型技術(shù)方面,一直處于領(lǐng)先地位,一些著名的高校如麻省理工學(xué)院、得克薩斯大學(xué)和一批研究機(jī)構(gòu)從政府和工業(yè)界取得了大筆開(kāi)發(fā)、研究經(jīng)費(fèi),用于這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步研究。各大公司紛紛購(gòu)入成型機(jī),以滿(mǎn)足爭(zhēng)分奪秒的市場(chǎng)需求。日本、德國(guó)、英國(guó)等都在研究新的成型技術(shù),開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品,F(xiàn)已有2500 多套快速成型機(jī)分布在世界各地的不同領(lǐng)域。
自從快速自動(dòng)成型問(wèn)世后,國(guó)外就很重視其與傳統(tǒng)精密鑄造技術(shù)相結(jié)合,繼而產(chǎn)生了快速鑄造。快速成型技術(shù)在熔模精密鑄造中的應(yīng)用可以分為三種:一是消失成型件(模)過(guò)程,用于小量件生產(chǎn);二是直接型殼法,也用于小量件生產(chǎn);三是快速蠟?zāi)D>咧圃,用于大批量生產(chǎn)。這三種方法與傳統(tǒng)精密鑄造相比,解決了傳統(tǒng)方法的蠟?zāi)V圃炱款i問(wèn)題,其流程示意如圖1。
傳統(tǒng)過(guò)程 快速成型消失模 快速成型陶瓷模
圖1 快速鑄造流程示意圖
國(guó)內(nèi)目前主要有北京隆源、華北工學(xué)院、華中理工大學(xué)等在進(jìn)行快速成型設(shè)備生產(chǎn)與工藝研究。使用快速自動(dòng)成型技術(shù)生產(chǎn)精鑄用蠟?zāi)5膹S(chǎng)家主要有航空部材料研究所、北京鋼鐵研究總院、西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠(chǎng)等,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。目前,該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、化工、醫(yī)藥等行業(yè)。
我公司選用的是北京隆源快速成型公司生產(chǎn)的AFS-320MZ設(shè)備。該設(shè)備采用固態(tài)粉末材料逐層選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù),目前主要是與公司現(xiàn)有的精密鑄造工藝相結(jié)合,生產(chǎn)用于熔模鑄造的蠟?zāi)!?/p>
3 蠟?zāi)5募す饪焖俪尚?br />我公司在引進(jìn)快速成型技術(shù)前,采用圖1 所示的傳統(tǒng)精鑄工藝生產(chǎn)。對(duì)于新產(chǎn)品的研制,生產(chǎn)周期相當(dāng)長(zhǎng),其中壓型的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)又占據(jù)了較長(zhǎng)的時(shí)間。如圖2 所示的支架類(lèi)零件,其形狀并不復(fù)雜,如果采用設(shè)計(jì)壓型進(jìn)行生產(chǎn),其模具的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期約需2~3 個(gè)月,模具投入生產(chǎn)到得到鑄件還需半個(gè)月的時(shí)間。而快速成型設(shè)備恰好具備這方面的優(yōu)勢(shì),利用其特點(diǎn),3 天內(nèi)可以得到零件蠟?zāi)蛹,再花半個(gè)月即可得到鑄件。
圖2 支架類(lèi)零件圖
使用激光快速成型設(shè)備制作蠟?zāi),最關(guān)鍵是要控制蠟?zāi)5某叽绾妥冃,同時(shí)盡可能地提高蠟?zāi)5谋砻尜|(zhì)量。
3.1 蠟?zāi)3叽缈刂?br /> 我公司現(xiàn)使用Pro_Engineer 進(jìn)行三維造型,并將其轉(zhuǎn)換成STL 文件格式;再使用Magics RP 軟件導(dǎo)入該STL 文件,合理放置后進(jìn)行切片處理,導(dǎo)出CLI格式文件;然后使用隆源公司的ARPS 軟件將其轉(zhuǎn)換為設(shè)備使用的AFI 文件;最后導(dǎo)入快速成型設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。
要控制蠟?zāi)3叽,先需根?jù)合金收縮率、模殼膨脹系數(shù)、工藝方案給出蠟?zāi)、Y、Z 方向上的線(xiàn)收縮率。該收縮率確定后,可以在Magics RP 軟件對(duì)零件處理時(shí)首先進(jìn)行放縮,這樣即可得到理想尺寸的蠟?zāi)#^而獲得鑄件。通過(guò)對(duì)鑄件尺寸的測(cè)定反過(guò)來(lái)可再次對(duì)蠟?zāi)3叽邕M(jìn)行協(xié)調(diào),最終獲得合格的蠟?zāi):丸T件。例如某鑄鋼件,按最初的工藝方案生產(chǎn),設(shè)定其綜合收縮率為2%,經(jīng)過(guò)對(duì)鑄件的實(shí)際測(cè)量,其綜合收縮率變?yōu)?.7%,只需在Magics RP 軟件下,對(duì)模型的放縮進(jìn)行調(diào)整即可校正蠟?zāi)3叽。如果采用壓型生產(chǎn),該收縮率的調(diào)整將可能導(dǎo)致其報(bào)廢,除造成成本大幅提高,其生產(chǎn)周期至少耽誤半年以上。
對(duì)于鑄件生產(chǎn)過(guò)程中存在阻礙收縮等非自由收縮情況,導(dǎo)致鑄件非線(xiàn)性收縮嚴(yán)重,繼而影響到鑄件尺寸精度時(shí),我們可以在使用Pro/Engineer 進(jìn)行三維造型時(shí)考慮,直接根據(jù)其收縮關(guān)系繪出實(shí)際使用的蠟?zāi)3叽,最終獲得合格的鑄件。
3.2 蠟?zāi)W冃慰刂?br /> 如何有效地控制蠟?zāi)5淖冃危枰攘私饧す膺x區(qū)的燒結(jié)原理。北京隆源選區(qū)激光燒結(jié)成型系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)是:在一封閉成型室中裝有兩個(gè)活塞筒,一個(gè)用于供粉,另一個(gè)用于成型。加工開(kāi)始時(shí),供粉活塞上移一定量,鋪粉滾筒將粉均勻地鋪在加工平面上,激光束在計(jì)算機(jī)的控制下,透過(guò)激光窗口以一定的速度和能量密度掃描,激光束掃過(guò)之處,粉末燒結(jié)成一定厚度的片層,未掃過(guò)的地方仍然是松散的粉末,這樣零件的第一層就制造出來(lái)了。這時(shí),成型活塞下移一定距離,這個(gè)距離與設(shè)計(jì)零件的切片厚度一致,而供粉活塞上移一定量。鋪粉滾筒再次將粉末鋪平后,激光束開(kāi)始依照設(shè)計(jì)零件第二層的信息掃描。激光掃過(guò)之后,所形成的第二個(gè)片層同時(shí)也燒結(jié)在第一層上。如此反復(fù),一個(gè)三維實(shí)體就制造出來(lái)了。如圖3所示。
選區(qū)激光燒結(jié)成型與其它許多快速成型方法不同,不需要先搭支架。在激光燒結(jié)前未燒結(jié)的松散的粉末作了自然支架。這對(duì)含懸臂結(jié)構(gòu)(Overhangs)、中空結(jié)構(gòu)(hollowed areas)、和槽中套槽(nothces withinnotches)結(jié)構(gòu)的零件制造很有效。對(duì)這些松散的粉末進(jìn)行加熱處理可以使之粘結(jié),加熱溫度越高其板結(jié)程度越高,其對(duì)零件的支撐作用就越顯著,可以更好地防止零件(蠟?zāi)#┳冃;但加熱溫度越高,未燒結(jié)粉末越板結(jié),蠟?zāi)G謇砭驮嚼щy;因此,我們需要采取多種措施來(lái)防止蠟?zāi)5淖冃巍R韵率菐讉(gè)典型零件的示例。
3.2.1 支座
支座示意圖如圖4。從剖視圖上可以看出,該零件壁厚差別大,按0.2mm 一層切片,激光功率22.5W。燒結(jié)制造的蠟?zāi)1”诤秃癖诮唤犹幯貓A周方向有一圈縮陷,沿零件軸線(xiàn)方向約10mm,中間縮陷最深處約1.2mm。其產(chǎn)生原因是由于該處壁厚差別大,有熱節(jié),粉末燒結(jié)收縮不勻造成。因此,我們對(duì)蠟?zāi)5娜S原型進(jìn)行了鏤空處理,同時(shí)在懸空凸臺(tái)部位加上一些支撐薄片,防止變形,如圖5 所示。
從圖5 可以看出,鏤空后的三維原型壁厚4mm均勻。然后使用原參數(shù)對(duì)該模型進(jìn)行切片、激光選區(qū)燒結(jié),獲得的蠟?zāi)o(wú)縮陷,強(qiáng)度能滿(mǎn)足后續(xù)工作要求。并且該鏤空及壁厚均勻化處理極大地縮小了蠟?zāi)5慕孛娣e,使激光選區(qū)燒結(jié)的時(shí)間從原來(lái)的8.5h 減少到現(xiàn)在的4.5h,縮短了約一半的激光燒結(jié)時(shí)間;同時(shí),由于蠟?zāi)?nèi)部PSB 粉料未曾燒結(jié),鉆孔倒出后可節(jié)約大量粉料,而且蠟?zāi)gU空后還能縮短浸蠟時(shí)間。綜上所述,該零件蠟?zāi)gU空處理后可極大地降低原材料成本、生產(chǎn)成本,同時(shí)由于蠟?zāi)V亓康臏p輕可降低后續(xù)工作的勞動(dòng)強(qiáng)度。
3.2.2 盒子
盒子示意圖如圖6。該零件最小壁厚2mm,最大輪廓尺寸大于400mm?紤]到薄壁大平面易變形問(wèn)題,采用了加筋工藝,同時(shí)零件尺寸超出了設(shè)備成型缸的尺寸,只有采取分塊燒結(jié)最后組合的工藝方案。為了最大可能地保證蠟?zāi)3叽缇龋捎昧艘韵路桨浮?nbsp;
圖6 盒子示意圖
如圖7 所示,切除該零件四個(gè)耳片,保證其主要結(jié)構(gòu)尺寸,切除后零件尺寸滿(mǎn)足設(shè)備生產(chǎn)要求。然后設(shè)定切層厚度0.15mm,激光功率25W,粉末表面加熱溫度95℃。從激光燒結(jié)的角度來(lái)說(shuō),選區(qū)燒結(jié)激光束按X、Y 方向交替掃描,旋轉(zhuǎn)45°后同樣能量的激光通過(guò)掃描器后燒結(jié)的長(zhǎng)度變短,作用于單位面積上能量提高,有利于提高燒結(jié)原型強(qiáng)度。
圖7 工藝圖
3.2.3 多通零件
多通零件示意圖如圖8。該零件兩個(gè)發(fā)蘭角度要求很高,通過(guò)加筋不能防止變形,最后采用反變形法,將兩發(fā)蘭的角度人為增加,蠟?zāi)<庸ね旰螅瑴y(cè)量角度剛好在公差范圍內(nèi),同時(shí)在懸空的發(fā)蘭和彎管處加支撐薄片,防止變形。
圖8 多通零件示意圖
以上是幾種典型的變形現(xiàn)象,加以歸納總結(jié),我們可以將其運(yùn)用于其它零件,減少失誤,增大模型燒結(jié)的一次成功率。
3.3 蠟?zāi)1砻尜|(zhì)量控制
快速成型機(jī)制出蠟?zāi)T秃,首先要把附在原型上未燒結(jié)的粉末清理干凈,然后浸蠟,把蠟?zāi)T头湃?5~70℃的蠟液中,浸透,待無(wú)氣泡溢出后,再把蠟?zāi)H〕觯o置,使多余蠟析出。待蠟?zāi)@鋮s至室溫,再進(jìn)行精整處理后就能得到表面光滑的蠟?zāi)!?br />4 快速成型蠟?zāi)Ec精鑄工藝結(jié)合
對(duì)精鑄工藝而言,蠟?zāi)S糜诤罄m(xù)工序的有蠟?zāi)=M合、涂料、脫蠟。激光快速成型蠟?zāi)R獫M(mǎn)足精鑄工藝生產(chǎn),就必須在以上三方面達(dá)到其使用要求。
4.1 模組組合
激光成型蠟?zāi)V坪煤,需要按工藝要求進(jìn)行澆冒口組合。根據(jù)我們的試驗(yàn),使用車(chē)間現(xiàn)有的中溫蠟料即可對(duì)激光成型蠟?zāi)_M(jìn)行修補(bǔ)、組合、粘接,兩者的粘合強(qiáng)度足以滿(mǎn)足制殼的強(qiáng)度需求。因此,根據(jù)成本、機(jī)加、生產(chǎn)周期考慮,澆冒口一般選用車(chē)間現(xiàn)有澆注系統(tǒng)。由于澆冒口形狀簡(jiǎn)單,即使車(chē)間澆注系統(tǒng)不合適,加工其壓型也很方便、快捷。
4.2 模組涂料制殼
經(jīng)過(guò)試驗(yàn),快速成型蠟?zāi)5耐繏煨院芎,完全可以利用原有工藝進(jìn)行涂料配制,模組涂掛制殼,面層硅溶膠+鋯英粉涂料,加強(qiáng)層硅酸乙酯+煤矸石涂料。
4.3 脫蠟
由于快速成型蠟?zāi)5娜刍瘻囟雀,不能使用蒸氣脫蠟工藝,為此設(shè)計(jì)了專(zhuān)用工藝,首先利用車(chē)間現(xiàn)有的坭芯烘烤爐脫去模組中的中溫蠟料制作的澆冒口,然后將模殼裝入一自制的簡(jiǎn)易工裝,放入井式電阻爐,在開(kāi)放的環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行烘烤,脫掉快速成型蠟?zāi)!Mㄟ^(guò)脫蠟后的目視檢查,同時(shí)參考澆注后的鑄件表面質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)脫模(烘烤)后快速成型蠟?zāi);灸軌驌]發(fā)干凈,其殘留物對(duì)最終鑄件沒(méi)有影響。
4.4 模殼焙燒、澆注、鑄件清理
模殼焙燒、澆注、鑄件清理和原精鑄工序相同。
5 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)開(kāi)展激光快速成型技術(shù)研究,對(duì)一些任務(wù)緊、時(shí)間急的單件小批量熔模精密鑄件的生產(chǎn),能比傳統(tǒng)的精密鑄件生產(chǎn)周期減少60%,大大節(jié)省成本。目前已成功運(yùn)用于多種型號(hào)航天產(chǎn)品中。
快速自動(dòng)成型技術(shù)與鑄造車(chē)間現(xiàn)有的精密鑄造工藝相結(jié)合,使鑄造車(chē)間自己有能力快速生產(chǎn)各類(lèi)大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜熔模精密鑄件所用蠟?zāi),減少大量外協(xié)費(fèi)用,同時(shí)對(duì)于單件、小批量熔模精密鑄件的生產(chǎn)可以不用模具,從而節(jié)省大量模具加工費(fèi)用,大大縮短生產(chǎn)周期,為新產(chǎn)品研制和開(kāi)發(fā)獲得了大量寶貴時(shí)間,降低了生產(chǎn)成本,而且也使鑄造車(chē)間精密鑄造水平有所提高,為確保后續(xù)型號(hào)產(chǎn)品中精密鑄件生產(chǎn)任務(wù)的順利完成打下良好的基礎(chǔ)。
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