基于砂型3D打印技術(shù)電機(jī)機(jī)座鑄件研發(fā)

黃景彬 朱磊 楊曉磊

摘要：3D打印技術(shù)在快速鑄件研發(fā)和生產(chǎn)上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以使用鑄造工藝三維數(shù)模，直接地制造出和三維數(shù)模相同形狀和尺寸型腔的砂型，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體制造，改變了鑄造企業(yè)在新產(chǎn)品研發(fā)和首件生產(chǎn)中必須加工制造模板、模樣、芯盒等鑄造工裝的傳統(tǒng)工藝路線，克服了鑄造工裝加工費(fèi)用高、制造周期長(zhǎng)且無(wú)法隨時(shí)修改的問(wèn)題。本文中改型電機(jī)機(jī)座鑄件鑄造工藝的研發(fā)和首件生產(chǎn)使用鑄造工藝數(shù)值模擬仿真和選擇性激光燒結(jié)3D打印技術(shù)直接打印砂型，加快了鑄件新產(chǎn)品的研發(fā)速度，減少了研發(fā)成本，實(shí)現(xiàn)了快速鑄件的生產(chǎn)，有效的降低了新鑄件研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

Abstract： 3D printing technology has unique advantages in rapid casting research and production. Sand mold with the same shape and size is produced directly by using 3D digital mold. 3D Printing realize the overall manufacturing of complex structure， and change the traditional way of new casting development and first production，such as template， pattern and core box and other casting tooling made before production.The process route overcomes the problems of high processing cost， long manufacturing cycle and can not be modified at any time.In this paper， the research and development of casting process and the first production of new motor frame casting are carried out by using the casting process numerical simulation simulation and SLS 3D printing technology to directly print sand mold， which speeds up the research and development speed of casting new products， reduces the research cost， realizes the rapid casting production， and effectively reduces the risk of new casting research and development.

關(guān)鍵詞：3D打印;選擇性激光燒結(jié);快速鑄件制造;數(shù)值模擬

Key words： 3D printing;selected laser sintering;rapid casting;numerical simulation

中圖分類號(hào)：TP391.73;TG24? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0112-03

0? 引言

3D打印技術(shù)是在19世紀(jì)末的美國(guó)出現(xiàn)的一種新型制造技術(shù)，又稱為快速成型技術(shù)或增材制造技術(shù)，是近年來(lái)全球先進(jìn)制造領(lǐng)域興起的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)。3D打印的制造方式擺脫了傳統(tǒng)的加工制造需要特定刀具、工裝、專用機(jī)床等的難題;而是通過(guò)零件的三維數(shù)字模型，直接制造出和三維模型同比例或放大或縮小比例的實(shí)物，可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體制造;其根據(jù)離散、堆積原理，具有制造過(guò)程直接而無(wú)需設(shè)計(jì)加工專用工裝、不受結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度限制、材料利用率高、制造過(guò)程節(jié)能環(huán)保等諸多特點(diǎn)，不但改變了傳統(tǒng)制造的理念和模式，而且還是制造行業(yè)最具代表性的顛覆性技術(shù)[1～3]。

3D打印與傳統(tǒng)制造業(yè)的不斷深入融合發(fā)展，在鑄造行業(yè)中也有較大的應(yīng)用，并經(jīng)過(guò)工藝員的不斷挖掘，形成了一種快速鑄件成型技術(shù)，為企業(yè)研發(fā)或生產(chǎn)新產(chǎn)品提供新的技術(shù)手段與工藝選擇，也為企業(yè)減少生產(chǎn)研發(fā)成本，提高生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)利益提供了途徑;目前應(yīng)用在鑄造領(lǐng)域中較為廣泛的3D打印技術(shù)是使用激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）直接打印鑄件成形的所需要的砂型。

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS），最早是由來(lái)自美國(guó)Texas大學(xué)Austin分校的C.R.Decard首先提出的，由DTM公司推廣并發(fā)展生產(chǎn)化設(shè)備而進(jìn)入市場(chǎng)，因其能夠成型多種粉末材料（呋喃樹(shù)脂砂、酚醛樹(shù)脂砂、覆膜砂、陶瓷、金屬等）、制造工藝簡(jiǎn)單，以及其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前發(fā)展最快的3D打印技術(shù)之一[4～5]。在2011年，3D System公司收購(gòu)DTM公司之后，就擁有了世界上最先進(jìn)的SLS技術(shù)，該公司不斷陳新，研發(fā)了智能溫控系統(tǒng)，激光器功率也可達(dá)到100W，可用于多種粉末材料的打印，也使得3D打印出的燒結(jié)件強(qiáng)度有較大的提升，對(duì)打印出來(lái)的燒結(jié)件后期硬化時(shí)間也大大縮短。世界范圍內(nèi)，EOS公司也致力于SLS技術(shù)的研發(fā)，推出一系列成型設(shè)備EOSINTP/M/S，可用于塑料、熔模鑄造、砂型鑄造等，優(yōu)化3D打印成型件的尺寸，效率以及精度[6];華中科技大學(xué)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)也推出用于高分子粉末3D打印成型的設(shè)備，因其具有雙送料桶的送粉系統(tǒng)及獨(dú)特的三缸式方案，在快速成型過(guò)程中可以大大縮短燒結(jié)時(shí)間，提高成型效率，此外激光掃描速度最大可達(dá)4000mm/s，且可用于多種粉末材料的成型[7];南京航空航天大學(xué)研發(fā)SLS技術(shù)，成功燒結(jié)出了整體葉輪和齒輪砂型、葉輪鑄造蠟型;中北大學(xué)自主研發(fā)變長(zhǎng)度線掃描的方法提高了成型效率[8～11]。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)能夠在工業(yè)制造產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，可直接制造出任意形狀復(fù)雜的產(chǎn)品原型或各種零部件，能夠廣泛適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的變化并及時(shí)對(duì)其進(jìn)行修改，且材料利用率是最高的，可在較大程度上提高生產(chǎn)效率、降低成本。采用該項(xiàng)技術(shù)可以直接制造鑄造砂型，且無(wú)需提前設(shè)計(jì)加工模樣、模板、芯盒等造型工裝和專用制芯設(shè)備，可以方便修改鑄件鑄造工藝，對(duì)于新鑄件鑄造工藝的研發(fā)和首件的快速生產(chǎn)有著傳統(tǒng)制造方法所不具備的便捷和快速的優(yōu)勢(shì)，SLS激光燒結(jié)3D打印技術(shù)必將廣泛應(yīng)用于砂型鑄造領(lǐng)域。

1? 某型電機(jī)機(jī)座結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

機(jī)座作為電機(jī)的外殼，不僅需要支撐整個(gè)電機(jī)的質(zhì)量，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中還要承受較大的振動(dòng)，以及電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生大量熱量的傳導(dǎo)，這就需要機(jī)座零部件有足夠的強(qiáng)度、剛度以及較好的散熱性能。圖1為企業(yè)研發(fā)的某改型電機(jī)機(jī)座首件產(chǎn)品。

該機(jī)座結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，零件重約1.45t。輪廓尺寸為1623mm×852mm×852mm，主體壁厚為25.5mm，最大壁厚為45mm，最小壁厚為4mm（散熱片厚度）。該機(jī)座整體為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但鑄件壁厚較為均勻，適合鑄造，少數(shù)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的壁厚較大，位于加工裝配面處，但由于其尺寸的限定，鑄造模數(shù)較小，不易產(chǎn)生鑄造缺陷;整個(gè)鑄件最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)在于密排式分布的散熱片，散熱片不難鑄出，但卻對(duì)鑄型提出較高要求，如果使用傳統(tǒng)的模板、芯盒等鑄造工裝來(lái)制作鑄型，工裝的加工周期長(zhǎng)，一旦工藝設(shè)計(jì)需要改動(dòng)，工裝改型費(fèi)用昂貴且難度較大，對(duì)于新鑄件產(chǎn)品的研發(fā)周期和費(fèi)用影響很大。

企業(yè)使用3D打印技術(shù)，可在相對(duì)較低的成本下完成鑄型的制作，可以加快新鑄件的研發(fā)和首件生產(chǎn)。SLS選擇性激光燒結(jié)3D打印機(jī)打印出來(lái)的砂型強(qiáng)度可達(dá)1.1～1.3MPa，完全滿足澆注過(guò)程中產(chǎn)生的脹力而不被破壞。

2? 鑄件鑄造工藝方案和數(shù)值模擬驗(yàn)證

該機(jī)座的鑄造方案采用四瓣鑄型生產(chǎn)工藝，雨淋式立式澆注系統(tǒng)，設(shè)置四個(gè)補(bǔ)縮冒口，四個(gè)出氣冒口，四瓣鑄型的分型面設(shè)計(jì)如圖2所示。

為了增加鑄件首件產(chǎn)品成功率，驗(yàn)證該機(jī)座鑄造工藝的合理性，采用ProCAST軟件對(duì)該鑄造工藝進(jìn)行模擬仿真。鑄件結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，為了節(jié)約計(jì)算成本，采用一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，幾何網(wǎng)格模型如圖3所示。

該鑄件材質(zhì)為HT250，根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，獲得生產(chǎn)用HT250成分如表1所示。利用ProCAST中的材料計(jì)算器得到該元素配比的HT250的各項(xiàng)熱物理性能參數(shù)。

其他模擬工藝參數(shù)分別為：澆注溫度1390℃，、鑄件與鑄型的換熱系數(shù)為750W/（m2·K），鑄型與外界條件的換熱系數(shù)設(shè)置為10W/（m2·K），澆注時(shí)間92s，砂型的溫度為25℃;中止計(jì)算溫度設(shè)定為500℃;隨后對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 充型過(guò)程分析

通過(guò)對(duì)ProCAST數(shù)值模擬軟件對(duì)鑄造過(guò)程進(jìn)行流場(chǎng)分析，可以觀測(cè)到鑄件澆注過(guò)程的流場(chǎng)分布情況，如圖4所示。圖4中不同顏色表示金屬液在型腔中的流動(dòng)速度，顯示了充型過(guò)程中的不同位置的速度場(chǎng)。根據(jù)流動(dòng)速度的不同可以判斷充型是否平穩(wěn)、是否出現(xiàn)紊流。

通過(guò)對(duì)鑄件充型過(guò)程模擬可以觀察到，金屬液按照雨淋式澆注系統(tǒng)進(jìn)入型腔，分成多股細(xì)流流至底部，型腔內(nèi)液面平均上升速度為1m/s，型腔底部金屬液面上升流動(dòng)較為平穩(wěn)，充型最大速度為5m/s，直接沖擊已進(jìn)入型腔金屬液未直接沖擊鑄型，鑄型內(nèi)金屬液擾動(dòng)不大，流動(dòng)平穩(wěn)，不易產(chǎn)生卷流、夾渣等充型過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷。

2.2 凝固缺陷分析

孔隙率率是ProCAST軟件衡量鑄件在冷卻凝固過(guò)程中出現(xiàn)縮松縮孔趨勢(shì)的一個(gè)定量指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算最后凝固的孤立液相區(qū)域的溫度場(chǎng)變化判斷鑄件是否會(huì)出現(xiàn)凝固缺陷。不同材質(zhì)金屬在不同的鑄造工藝方法中，當(dāng)孔隙率超過(guò)一定的數(shù)值，即可判定該區(qū)域存在縮松縮孔缺陷。根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于樹(shù)脂砂重力鑄造的HT250鑄件，由于灰鑄鐵石墨化膨脹現(xiàn)象的存在，當(dāng)孔隙率不超過(guò)10%即可判定鑄件無(wú)凝固缺陷。圖5為鑄件冷卻后的孔隙率分布情況，圖5中顯示的孔隙率較高區(qū)域的最大孔隙率均低于10%，可以認(rèn)為該鑄件在設(shè)計(jì)的工藝生產(chǎn)狀態(tài)下，鑄件中不存在縮松縮孔。

通過(guò)對(duì)該工藝方案的工藝模擬，初步確定該鑄造工藝方案設(shè)計(jì)合理，在鑄件生產(chǎn)中不會(huì)產(chǎn)生各種因工藝設(shè)計(jì)不合理而形成的鑄造缺陷。

3? 3D打印鑄型

完成鑄造工藝設(shè)計(jì)后，使用3D打印的砂型作為新鑄件產(chǎn)品的首件生產(chǎn)鑄型。本文中的鑄型使用SLS技術(shù)打印，所用的打印砂為呋喃樹(shù)脂砂，調(diào)整樹(shù)脂加入量、固化劑加入量、固化溫度和固化時(shí)間四個(gè)影響參數(shù)，優(yōu)化3D打印的樹(shù)脂砂鑄型，3D打印出的鑄型實(shí)際強(qiáng)度達(dá)到了1.3MPa。圖6為設(shè)計(jì)的鑄型數(shù)模，圖7為鑄件首件生產(chǎn)使用的3D打印鑄型。

4? 結(jié)論

3D打印樹(shù)脂砂鑄型后，合箱、澆注、冷卻、凝固、打箱、落砂、清理、檢驗(yàn)，新鑄件首件完成了新鑄件鑄造工藝驗(yàn)證和首件生產(chǎn)，首件如圖1所示。

使用3D打印技術(shù)打印鑄造砂型，目前在鑄造行業(yè)工業(yè)化批量生產(chǎn)中仍存在費(fèi)用高、打印周期長(zhǎng)的短板，但是應(yīng)用在小批量，特別是新鑄件研發(fā)和首件鑄件生產(chǎn)時(shí)，無(wú)需設(shè)計(jì)加工專用的工裝，可以直接打印得到結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、滿足鑄造工藝要求的鑄型，且能夠靈活的修改不合理的鑄造工藝設(shè)計(jì)，有著傳統(tǒng)鑄件設(shè)計(jì)研發(fā)所不可實(shí)現(xiàn)的低研發(fā)成本、快速制造的優(yōu)勢(shì)。

本文新改型電機(jī)機(jī)座鑄件通過(guò)使用3D打印技術(shù)研發(fā)鑄造工藝和生產(chǎn)首件，使企業(yè)之前需要一個(gè)月左右的研發(fā)周期降低到不足一周，極大的縮短了研發(fā)周期，減少了研發(fā)費(fèi)用，降低了企業(yè)研發(fā)新鑄件產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)，提高了企業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]王廣春.3D打印技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[2]臧加倫，孫玉成，李闖，黎智勇.國(guó)內(nèi)鑄造快速成型技術(shù)與應(yīng)用[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2015（04）：1-5.

[3]盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打?。┘夹g(shù)發(fā)展[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013，42（04）：1-4.

[4]王廣春，趙國(guó)群.快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用[M].第三版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：74-90.

[5]白培康.選擇性激光燒結(jié)快速成型技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].航空制造技術(shù)，2009（03）：51-53.

[6]史玉升，李遠(yuǎn)才，楊勁松.高分子材料成型工藝[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：162-163.

[7]劉偉軍.快速成型技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：械工業(yè)出版社，2006：68-69.

[8]Feng T. Rapid Casting by Selective Laser Sintering[J]. China Mechanical Engineering， 1997， 05：114-116.

[9]韓霞.快速成型技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：械工業(yè)出版社，2016.

[10]Song J L， Li Y T， Deng Q L，et al. Rapid prototyping manufacturing of silica sand patterns based on selective laser sintering[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2007，? 187-188（12）： 614-618.

[11]Fan Z， Hljang N， Yan L I.Investigating on casting mold （or core） making with coated sand by the selected laser sintering[J].China Foundry， 2004， 1（2）： 122-126.