淺談端蓋零件重構(gòu)與快速鑄件制造

劉海闖，趙亞忠，張澤旭，張力重

（南陽理工學(xué)院，河南 南陽 473004）

在“中國智造2025”的背景下，現(xiàn)代技術(shù)融入到傳統(tǒng)鑄造行業(yè)是實(shí)現(xiàn)鑄件智能化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型的科學(xué)道路。隨著現(xiàn)代化進(jìn)程，逆向工程愈加成熟，給零件改型和設(shè)計(jì)帶來不同選擇。增材制造的3D打印技術(shù)在追求定制化生產(chǎn)的模式下也愈加流行。因此也衍生出更加綠色、智能的生產(chǎn)方式。

1 現(xiàn)代技術(shù)下的新流程特點(diǎn)

傳統(tǒng)鑄造流程分部門進(jìn)行鑄件生產(chǎn)，主要流程為零件改型—鑄造工藝設(shè)計(jì)—鑄造工裝生產(chǎn)—鑄件生產(chǎn)，要求設(shè)計(jì)人員對整個(gè)生產(chǎn)技術(shù)有一定的了解，人員流動(dòng)大，生產(chǎn)周期長。使用逆向工程和3D打印技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，可以將每個(gè)流程簡化，零件模型重構(gòu)—鑄造工藝設(shè)計(jì)—砂型3D打印—澆注清理。相比傳統(tǒng)鑄造，采用逆向工程對零件模型進(jìn)行重構(gòu)的方案對丟失原始數(shù)據(jù)的模型進(jìn)行修復(fù)和改型更加友好，也加快無紙化生產(chǎn)進(jìn)程。采用砂型3D打印技術(shù)不僅省去設(shè)計(jì)和制造鑄造工裝的流程，更省去鑄造工藝設(shè)計(jì)中分型面設(shè)計(jì)、砂芯設(shè)計(jì)、拔模斜度等參數(shù)的選取，極大減少工藝設(shè)計(jì)和制造工裝的成本。由于需要專業(yè)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，所以在定制化生產(chǎn)和單件、小批量生產(chǎn)中優(yōu)勢更加凸顯。下面以端蓋生產(chǎn)為實(shí)例進(jìn)行講述。

2 模型重構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用

本文通過逆向工程實(shí)現(xiàn)模型重構(gòu)，通過逆向設(shè)備對零件表面進(jìn)行掃描，獲得表面的點(diǎn)云文件。經(jīng)過點(diǎn)云處理、面片擬合和模型建立實(shí)現(xiàn)零件三維模型重構(gòu)。本文逆向時(shí)所使用的逆向設(shè)備為HandySCAN 3D掃描平臺(tái)，配備手持式3D掃描儀，采用多條激光線組成掃描區(qū)域?qū)Σ考M(jìn)行掃描，設(shè)備依靠對標(biāo)志點(diǎn)的追蹤實(shí)現(xiàn)零件和掃描儀在掃描過程中相對運(yùn)動(dòng)也能自動(dòng)追蹤部件表面點(diǎn)的位置，達(dá)到實(shí)時(shí)掃描效果，掃描精度可達(dá)到0.025mm。

2.1 掃描部件的處理

對于掃描部件要求部件材料和顏色對激光的吸收較弱并且反射一致性良好。通過對端蓋噴砂清理達(dá)到要求，對色差比較嚴(yán)重或者吸收率高的表面可以噴涂反差劑來達(dá)到部件表面特性的一致。

2.2 部件掃描流程

（1）將手持掃描儀通電與電腦連接后，使用VXelements軟件創(chuàng)建掃描項(xiàng)目。

（2）根據(jù)說明書和軟件提示進(jìn)行掃描儀校準(zhǔn)。

（3）根據(jù)測量零件特點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)配置，比如本次測量零件為鑄鐵小零件，因此對掃描范圍進(jìn)行調(diào)整，快門時(shí)間保持默認(rèn)，掃描精度需要調(diào)整到0.1mm。

（4）對零件貼定標(biāo)志點(diǎn)，不同規(guī)格標(biāo)志點(diǎn)不可混用，本次零件較小，將標(biāo)志點(diǎn)貼于地面作為參考，因此只能進(jìn)行單個(gè)面并且掃描時(shí)零件不能移動(dòng)，保證與標(biāo)志點(diǎn)相對位置不變。注意標(biāo)志點(diǎn)不要貼在曲率較大處，對后期修補(bǔ)模型造成誤差。

（5）掃描部件，掃描時(shí)掃描儀距離部件30cm，提示燈顯示綠色，保證每次掃描至少有6個(gè)標(biāo)志點(diǎn)被正常掃描，在掃描時(shí)，可實(shí)時(shí)自由視角顯示掃描圖像，調(diào)整掃描位置。注意在掃描時(shí)可選用單條激光線對零件較深部位進(jìn)行精準(zhǔn)掃描特征，掃描過程如圖1所示。

圖1 掃描過程可視化

對于端蓋部件，首先掃描一個(gè)面，掃描結(jié)束后在同一個(gè)項(xiàng)目中創(chuàng)建掃描再對另一個(gè)面進(jìn)行掃描，之后只需要對2次掃描的點(diǎn)云文件進(jìn)行擬合就可以得到較為準(zhǔn)確的特征參數(shù)。VXelements軟件提供點(diǎn)云處理，在結(jié)束時(shí)勾選優(yōu)化體積精度、填充定位目標(biāo)、優(yōu)化邊界精度選項(xiàng)，利用已調(diào)教設(shè)備的自動(dòng)優(yōu)化命令對標(biāo)志點(diǎn)等缺陷進(jìn)行修補(bǔ)，效果良好。

（6）處理點(diǎn)云文件，將點(diǎn)云文件進(jìn)行去除背景。背景包含大量特征點(diǎn)，點(diǎn)云文件不進(jìn)行去除背景會(huì)浪費(fèi)電腦資源并會(huì)導(dǎo)致軟件打開崩潰。將點(diǎn)云文件保存后再對點(diǎn)云進(jìn)行降噪處理，并手動(dòng)將多余的雜點(diǎn)進(jìn)行去除。

（7）將2個(gè)點(diǎn)云文件進(jìn)行擬合，在端蓋掃描中公共點(diǎn)較少，因此采用合并掃描中的曲面最佳擬合，擬合后的效果良好，擬合面片如圖2所示。

圖2 面片模型

（8）三維模型建立。將點(diǎn)云文件用點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行面片處理。對導(dǎo)出的面片文件進(jìn)行對齊，通過手動(dòng)擬合進(jìn)行拼合，將面片文件進(jìn)行降噪、修補(bǔ)，并把多余的面片和孤立面片進(jìn)行刪除，整理好形狀特征后對其包覆處理，得到實(shí)體，對實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將其分解為片體特征。對照面片進(jìn)行建模，按照重構(gòu)的實(shí)體模型對建模參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終經(jīng)過軟件對比差值在誤差范圍內(nèi)得到合格的實(shí)體模型。需要注意在建模時(shí)保證基準(zhǔn)正確。最后將三維圖形轉(zhuǎn)為二維圖，并繪制零件圖。

本文由于端蓋較小，因此，將目標(biāo)點(diǎn)置于部件和地面上，當(dāng)零件較大時(shí)，目標(biāo)點(diǎn)完全置于部件上可以實(shí)現(xiàn)高精度一次掃描完成，省去模型建立步驟，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)完成模型構(gòu)建。

模型構(gòu)建后進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)，對于單件、小批量生產(chǎn)只需要設(shè)計(jì)出澆冒系統(tǒng)和澆注工藝參數(shù)，不需要進(jìn)行砂芯等傳統(tǒng)工藝和工裝設(shè)計(jì)。確定澆冒系統(tǒng)后根據(jù)吃砂量設(shè)計(jì)砂型。

3 砂型3D打印的特點(diǎn)及應(yīng)用

砂型3D打印主流為選擇性激光燒結(jié)、分層實(shí)體制造、熔融沉積造型，本文采用選擇性激光燒結(jié)方案。選擇性激光燒結(jié)采用每層鋪砂后激光燒結(jié)所需結(jié)構(gòu)，將未燒結(jié)的散砂倒出得到砂型。砂型3D打印主要采用樹脂砂，國內(nèi)研究者針對主要參數(shù)測試分析了樹脂及黏結(jié)劑的pH值、粘度指標(biāo)，研究了原砂、黏結(jié)劑、固化劑的比例與砂型性能的關(guān)系及國產(chǎn)樹脂的改性方法。不同類型設(shè)備打印出的砂型緊實(shí)度與透氣性各不相同，不少學(xué)者對砂型結(jié)構(gòu)的鏤空優(yōu)化也有研究。

砂型3D打印設(shè)備型號(hào)為EP-C7250，如圖3所示。工作方式為打印機(jī)在打印平臺(tái)鋪一層型砂，激光按軟件規(guī)劃的路徑燒結(jié)一層砂型結(jié)構(gòu)，最終得到固化的砂型。本文采用的激光燒結(jié)式打印機(jī)打印的砂型需要進(jìn)行烘干以加強(qiáng)砂型強(qiáng)度，因此對砂型結(jié)構(gòu)有不能出現(xiàn)薄壁和大面積懸空的要求。采用噴墨式的打印機(jī)則不需要烘干，可以不分型直接進(jìn)行砂型打印。

圖3 3D打印設(shè)備

主要工作步驟為：用Magics軟件對2套砂型進(jìn)行布局，布局符合快速成型要求，將部件切片為每層0.2mm。將切片模型導(dǎo)入到EPHatch軟件，軟件根據(jù)每層的結(jié)構(gòu)生成激光掃描路徑，對于需支撐的部件可以單獨(dú)設(shè)置支撐部分激光掃描路徑，最后對激光參數(shù)進(jìn)行設(shè)置完成激光掃描的設(shè)置。最后通過設(shè)備控制軟件EPlus3D設(shè)定打印設(shè)備參數(shù)并執(zhí)行打印。設(shè)備根據(jù)不同需求可以對加工前預(yù)鋪粉層數(shù)、加工后鋪粉層數(shù)、鋪粉溫度曲線、加工溫度曲線等進(jìn)行調(diào)整。

對設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)簡單，主要為檢測部件連接狀態(tài)，型砂干凈無雜物和砂型濕度正常，重新篩砂，鏡頭、溫度傳感器擦凈。開機(jī)先上砂，進(jìn)行手動(dòng)鋪砂檢查設(shè)備狀態(tài)，然后準(zhǔn)備足夠型砂用于打印。建模砂型與3D打印砂型對比如圖4所示。澆注采用QT500-7，在1400℃時(shí)澆注1s充滿型腔，最后清理后得到鑄件。

圖4 砂型合型圖

4 結(jié)語

本文最主要的特點(diǎn)是采用了逆向工程進(jìn)行模型重構(gòu)，對于沒有數(shù)據(jù)的部件的修補(bǔ)和零件改型具有重要作用。而采用了砂型3D打印技術(shù)將單件、小批量生產(chǎn)和首批制件所需周期縮短，有效控制成本。本文所提出的方案可以分開使用，進(jìn)行鑄造工藝上的簡化，符合現(xiàn)代對節(jié)省資源、高效生產(chǎn)和綠色生產(chǎn)的要求，對智能化生產(chǎn)線建設(shè)具有指導(dǎo)意義。