基于SLS原型的石膏型熔模精密鑄造在零部件開發(fā)中的應(yīng)用

王翠芳+趙輝+孫備

摘 要：快速成型技術(shù)與精密鑄造相結(jié)合的應(yīng)用不僅解決了復(fù)雜零部件的制造，而且其制造周期短、成本低、應(yīng)用范圍廣。文章通過一種發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門室罩蓋樣件制造，介紹了基于SLS（激光選區(qū)燒結(jié)）原型的石膏型熔模精密鑄造的工藝流程及鑄造過程中出現(xiàn)問題的解決方案。

關(guān)鍵詞：快速成型；熔模精密鑄造；激光選區(qū)燒結(jié)

1 概述

隨著汽車工業(yè)迅猛的發(fā)展，市場競爭愈演愈烈，對于汽車零部件的開發(fā)也提出了新的要求，特別是需要重復(fù)試驗(yàn)和調(diào)整的零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)氣門室罩蓋小批量生產(chǎn)，因此新產(chǎn)品的開發(fā)對于低成本、快速樣件鑄造有著迫切的需求。快速原型制造（Rapid Prototyping，RP）因其快速和經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)為零部件快速開發(fā)提供技術(shù)支撐。在多種快速成型工藝中，激光選區(qū)燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）由于燒結(jié)原材料選擇范圍廣泛，多余材料易于清理，工藝及操作集成化、簡單化和自動(dòng)化，而且可燒結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的樣件，應(yīng)用較為廣泛。本文通過一種發(fā)動(dòng)機(jī)氣門室罩蓋的快速成型樣件的制造為例，介紹基于SLS的石膏型熔模鑄造的工藝流程以及在鑄造中出現(xiàn)的問題及其解決方案。

2 基于SLS的石膏型熔模鑄造工藝流程

基于SLS的石膏型熔模精密鑄造是將快速成型技術(shù)與精密鑄造相結(jié)合的一種快速、經(jīng)濟(jì)制造零件樣件技術(shù)。其工藝流程如下：

2.1 SLS三維實(shí)體模型制造

激光選區(qū)燒結(jié)系統(tǒng)是通過Creo軟件繪制零件的三維實(shí)體造型，將三維實(shí)體造型轉(zhuǎn)換為快速成型領(lǐng)域最常用的STL格式，它采用大量的三角形面網(wǎng)來逼近三維實(shí)體表面，分辨率越高，越接近理想實(shí)體造型表面，但會(huì)影響電腦對數(shù)據(jù)的處理速度，應(yīng)合理選擇分辨率，通過STL網(wǎng)格模型所提供的幾何信息，切片軟件對零件模型進(jìn)行分層切片，得到一定厚度的封閉切片，激光選區(qū)燒結(jié)系統(tǒng)的激光束在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)切片中的輪廓信息，有選擇性的燒結(jié)PS（Polystyrene，聚苯乙烯）粉末材料，從而還原各封閉切片的實(shí)體輪廓，本層面燒結(jié)完成后，工作臺(tái)下降一個(gè)層面，鋪上新的粉末，按照上面方法進(jìn)行下個(gè)層面的燒結(jié)，如此反復(fù)，逐步堆積成SLS三維實(shí)體模型，可通過軟件對零件分層厚度、激光功率、掃描間距、掃描速度進(jìn)行設(shè)置，得到最佳的工藝參數(shù)。經(jīng)過滲蠟處理，直接得到蠟?zāi)＃绫砻嬗腥毕荩柽M(jìn)行表面修整處理。

2.2 SLS原型制殼工藝

制殼過程是快速成型鑄造中關(guān)鍵的工藝，制殼過程要很好地復(fù)制SLS原型的尺寸參數(shù)以及外觀質(zhì)量，同時(shí)還要設(shè)計(jì)好合理的澆冒口，才能形成一個(gè)完整的澆注系統(tǒng)組件。在SLS蠟?zāi)５幕A(chǔ)上，用蠟料焊接組合成澆道及澆冒口，組裝并固定于灌漿用的沙箱平板上，組模過程中為防止石膏型懸空斷裂，需要在局部做龍骨以加強(qiáng)石膏型強(qiáng)度，并在易于憋氣的地方進(jìn)行石膏漿預(yù)灌。

灌漿時(shí)先將蠟?zāi)Ｅc沙箱放入灌漿爐內(nèi)，通過一套真空系統(tǒng)把灌漿爐內(nèi)抽成真空，隨后通過送料口將石膏漿灌入箱內(nèi)，這樣可以有效防止石膏型在灌漿過程中因?yàn)楸餁舛鴮?dǎo)致鑄造缺陷，灌漿后等到石膏失水凝結(jié)到一定程度后放入脫蠟爐內(nèi)進(jìn)行脫蠟處理。SLS燒結(jié)模型用的PS粉熔點(diǎn)在200度以上，脫蠟過程中PS粉模型還存留在石膏型中，溫度繼續(xù)升高到100℃左右時(shí)，石膏型中的水份變?yōu)樗羝莩觯藭r(shí)應(yīng)控制溫升不易過快，防止石膏型開裂，為使SLS燒結(jié)的模型及滲入石膏型中的蠟料燒盡，焙燒爐內(nèi)溫度需提高到700℃左右，為防止石膏型開裂，焙燒過程中溫升不易過快，特別是在相變位置。為了把蠟?zāi)Ｅ艃粜枰獙⑹嘈驮诒簾隣t內(nèi)焙燒一定時(shí)間，以保證蠟料全部排出，而不是留在石膏型內(nèi)。焙燒過程中石膏型失水引起的收縮與石膏漿中的添加劑引起的膨脹相互抵消，減小石膏型因?yàn)楸簾鸬淖冃巍?/p>

2.3 澆鑄過程

石膏型焙燒后待溫度冷卻至300℃左右時(shí)放入真空澆鑄罐內(nèi)，根據(jù)鑄件大小先將鋁合金澆包放入罐內(nèi)指定位置，合上真空澆鑄罐，通過真空泵使罐內(nèi)產(chǎn)生一定的負(fù)壓，然后通過真空澆鑄機(jī)的視窗澆鑄，澆鑄完成后向真空澆鑄機(jī)內(nèi)加壓，并保壓至鋁合金凝固。石膏型導(dǎo)熱性差，鑄件結(jié)晶粗大，鑄件冷卻也比較慢，需等到鑄件完全冷卻后才可以進(jìn)行清理石膏。

多數(shù)情況下，石膏型澆鑄不另設(shè)冒口補(bǔ)縮，而是在壁厚較大部位加冷鐵，盡量使鑄件各部位同時(shí)凝固，澆鑄時(shí)澆道采用分散引入方式，避免過熱。

2.4 清理

等箱體完全冷卻后，就可以打開箱體，清理石膏，對于簡單的腔體件，采用清理工具及高壓水槍就可以將石膏清理干凈，對于復(fù)雜的具有內(nèi)腔的零部件，清理時(shí)較為困難，設(shè)計(jì)時(shí)就需要考慮清理石膏的通道，在不影響零件強(qiáng)度的情況下，可預(yù)留清理石膏孔，后續(xù)可以通過機(jī)加工的方式將孔堵上，從而滿足使用性能。

2.5 熱處理

本氣門室罩蓋鑄件采用ZL101A，鑄件經(jīng)T6處理達(dá)到氣門室罩蓋要求的性能，其熱處理工藝參數(shù)如下：

3 結(jié)束語

通過樣件尺寸檢測和裝機(jī)試驗(yàn)，該樣件能夠滿足功能需求，驗(yàn)證了快速成型技術(shù)和精密鑄造技術(shù)相結(jié)合所帶來的巨大的經(jīng)濟(jì)利益，它能夠縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，而且從簡單零件到復(fù)雜零件均能使用，因此基于SLS原型的石膏型熔模精密鑄造在新產(chǎn)品開發(fā)過程中具有突出優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

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