基于FDM技術(shù)的薄壁盤類件砂型鑄造技術(shù)研究

耿 佩,馬 麗,周 超

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空材料工程學(xué)院,陜西 西安 710089)

3D打印是一種對事先設(shè)計好的三維模型進(jìn)行逐層打印成形的技術(shù)。它一般采用熔融性塑料或者粉末狀金屬等作為原材料，通過噴頭加熱或者激光掃描等方式讓原材料逐層堆積構(gòu)造出物體形狀。3D打印一般要借助相應(yīng)的快速打印設(shè)備完成物體的成形。在模具加工、工業(yè)設(shè)計等行業(yè)，技術(shù)人員常采用3D打印技術(shù)來制造模具原型，該技術(shù)目前在醫(yī)療、藝術(shù)、航空航天、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用較多[1-3]。

3D打印之所以備受各行業(yè)重點關(guān)注，主要是由于它不需要專門的輔助工具，不受批量大小的限制，能夠直接將三維軟件模型快速轉(zhuǎn)變?yōu)槿S實體，而且可制造的零件種類也很豐富，且制造柔性高，非常適合于那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多腔、薄壁類零件的成形。利用一臺快速成型機就可以制造出各種形狀的零件[2-4]。

對于某薄壁盤類件，傳統(tǒng)砂型鑄造一般以木模為鑄造原型模具，然后澆鑄成形，該木模在使用一定時間后會出現(xiàn)表面磨損、薄壁處發(fā)生變形等問題，導(dǎo)致鑄造出的鑄件質(zhì)量不合格。為此，本文基于FDM(fused deposition modeling,熔融沉積成形)技術(shù)打印成形該薄壁盤類件鑄模，并以此代替原有木模進(jìn)行零件的砂型鑄造成形。

1 CAD模型建立

本文的研究對象是某薄壁盤類件，該盤類件最大外輪廓直徑為124 mm，最大高度為40 mm，薄壁厚度為8 mm，零件圖如圖1所示。

圖1 零件圖

2 鑄造工藝方案的確定

2.1 零件鑄造工藝性分析

由圖1可知，該盤類件壁厚為8 mm，利用砂型鑄造成形有一定難度，而原有鑄造模型使用的是木模，常出現(xiàn)因木模表面磨損、薄壁處變形開裂而導(dǎo)致無法造型或鑄件質(zhì)量下降的問題。為保證鑄件質(zhì)量合格，選擇φ116的端面為重要加工面,慎重選擇造型方法，且要保證提箱時鑄件薄壁處不會塌方。

2.2 鑄造成形方案的確定

1)分型面的確定。充分分析零件結(jié)構(gòu)，選擇最佳分型面，可以極大地簡化鑄造工藝，節(jié)約勞動成本，提高生產(chǎn)效率，同時提升鑄件質(zhì)量。對于該盤類件，為了保證鑄件成形完全且便于脫模，將分型面選在最大平面處，即φ124的端面，讓鑄件型腔完全處于上砂箱中。

2)澆鑄系統(tǒng)設(shè)計。澆鑄系統(tǒng)位置要根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)、尺寸、合金特性、生產(chǎn)批量等因素來確定，且要嚴(yán)格遵守澆鑄系統(tǒng)的位置選擇原則，確保澆鑄順利進(jìn)行。該盤類件屬于軸對稱零件，故澆鑄系統(tǒng)位置選擇在外壁中間處即可，如圖2所示。

圖2 澆鑄系統(tǒng)位置

3)鑄件圖。依據(jù)該盤類件結(jié)構(gòu)形狀尺寸和分型面的位置，通過查閱砂型鑄造手冊可確定其加工余量為2 mm，由于該薄壁件材料為鑄鋼，因此選取收縮率為2.0%。由此可設(shè)計出薄壁件的鑄件圖，如圖3所示。

圖3 鑄件圖

3 盤類件鑄模的打印成形

3.1 FDM打印原理

FDM技術(shù)所使用的原材料一般是熱熔性材料，常用的有ABS和尼龍等合成材料，該類材料在設(shè)備噴頭內(nèi)被加熱融化后以絲狀擠出。設(shè)備噴頭一邊沿著零件每層切片后的截面輪廓軌跡做平面運動，一邊擠出熔融好的材料并層層堆積。物體一層打印完畢，噴頭便按照數(shù)據(jù)指令向Z軸正向上移一層，如此循環(huán)，直至物體被打印完成。打印過程中，熔融好的材料每擠出一層后便迅速固化，并與周圍已經(jīng)固化的材料無縫結(jié)合起來[5]。

3.2 打印成形

本文選用基于FDM原理的快速成型機完成了該薄壁盤類件鑄模原型的打印。首先利用三維造型軟件完成零件的三維模型；然后將其導(dǎo)入快速成型機附帶的軟件系統(tǒng)，并調(diào)整模型位置，使零件三維模型的最大截面處于水平面；接著進(jìn)行打印參數(shù)的設(shè)置,參數(shù)設(shè)置情況如圖4所示；最后在快速成型機軟件系統(tǒng)中查看模擬打印過程，從而檢查路徑及模型是否正確，檢查無誤后即可生成路徑數(shù)據(jù)文件，并調(diào)節(jié)打印噴頭的高度至合適的位置[5-6]。此時，要檢查噴料是否能正常從噴頭擠出，確保無誤后即可開始打印。圖5是利用FDM快速成型機打印好的薄壁盤類件鑄模原型。

圖4 FDM打印參數(shù)設(shè)置

圖5 FDM快速成型機打印的薄壁盤類件鑄模原型

4 砂型鑄造過程

對上述打印好的鑄模原型進(jìn)行表面拋光處理后，表面質(zhì)量良好，可用其代替原有木模進(jìn)行手工挖砂造型和澆鑄，得到砂型鑄件。通過對比可知，該鑄件質(zhì)量相比原有通過木模得到的鑄件質(zhì)量要高，且打印出的鑄模使用壽命更長。

5 結(jié)束語

本文完成了某薄壁盤類件的砂型鑄造工藝設(shè)計，并針對原有木模和鑄件出現(xiàn)的質(zhì)量問題進(jìn)行改進(jìn)。利用3D打印技術(shù)完成了該薄壁盤類件的鑄模原型制造，并進(jìn)行砂型鑄造成形。研究結(jié)果表明，基于3D打印的鑄模原型澆鑄出的鑄件表面質(zhì)量好，解決了因原有木模出現(xiàn)的表面磨損、薄壁處變形開裂導(dǎo)致無法造型或鑄件質(zhì)量下降的問題。

基于3D打印技術(shù)的砂型鑄造成形流程為零件三維模型設(shè)計-工藝仿真得出數(shù)據(jù)文件-3D打印鑄模原型-造型和澆鑄成形。原來需要一個月的生產(chǎn)周期，現(xiàn)在只需要幾天就可以完成，大大縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)省了大量的人工作業(yè)。3D打印技術(shù)在鑄造行業(yè)和醫(yī)療器械等領(lǐng)域都已經(jīng)展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。未來，結(jié)合人工智能的技術(shù)發(fā)展，3D打印將逐步替代某些傳統(tǒng)的制造方法，衍生出更新的低成本、智能化、節(jié)能環(huán)保的鑄造成形方法。