基于三維粘結成形打印原型的砂型鑄造模具快速制造技術*

□ 趙國強 □ 劉慶義,2 □ 段文超 □ 倪允強□ 孫曉敏 □ 孫玉成,2 □ 李春旭

1.濰柴動力股份有限公司 工藝工匠研究院 山東濰坊 2610612.內燃機可靠性國家重點實驗室 山東濰坊 261061

1 研究背景

伴隨著激烈的市場競爭,多品種小批量產品不斷增多,產品更新換代也越來越快,這就要求企業對市場做出快速響應來滿足客戶的個性化定制需求[1-2]。對于傳統的裝備制造企業,大量的機械零件需采用砂型鑄造方式生產,而傳統鑄造模具的設計制造存在工序多、周期長、成本高等難題,無法滿足市場對模具短周期、低成本交付的要求,嚴重制約了企業新產品開發的進度[3-4]。

快速成形是20世紀90年代發展起來的一種基于材料離散堆積原理的先進制造技術,其最大優點是成形速度快且不受制件復雜程度限制,近年來已在鑄造行業得到廣泛的研究和應用[5]。同時,快速成形技術也推動了快速模具技術的蓬勃發展,目前，基于快速成形的快速模具制造技術已成為模具制造業的研究和應用熱點[6-8]。

針對多品種小批量鑄件快速開發對模具的要求,筆者提出了一種基于三維粘結成形打印原型的砂型鑄造模具快速制造技術,并對這一技術涉及的快速模具優化設計、快速模具模樣原型制造、快速模具模樣原型強度增強、快速模具裝配、快速模具應用等工藝流程進行了研究及應用驗證,以期實現快速、靈活、低成本制造模具的目標。

2 工藝流程

基于三維粘結成形打印原型的砂型鑄造模具快速制造技術將模具三維計算機輔助設計與快速成形計算機輔助制造相結合,可快速獲得滿足砂型鑄造使用要求的模具,其工藝流程如圖1所示。

▲圖1 基于三維粘結成形打印原型的砂型鑄造模具快速制造技術工藝流程

2.1 快速模具優化設計

模具設計是保證鑄件尺寸精度的重要環節,也是后續快速成形的基礎。由零件計算機輔助設計模型得到鑄件計算機輔助設計模型,并在此基礎上設計鑄造模具。由于模具采用快速成形方式制造,因此可對鑄造模具在三維方向上進行隨形分割,從而優化模具結構,提高模具裝配精度,便于造型時起模。

基于模塊化的思路,筆者開發的快速模具結構分為兩個模塊:模樣模塊和非模樣輔助模塊。模樣模塊采取快速成形的方式制造,并設有定位和鎖緊結構,采用一體化成形來保證制造精度。對于非模樣輔助模塊,采用通用金屬裝配平臺,并在適當位置設計定位和鎖緊結構,保證模具的裝配精度。

2.2 快速模具模樣原型制造

目前，砂型快速制造較成熟的技術主要有激光選區燒結、三維粘結成形、數字化減材成形等。筆者綜合考慮成形精度、效率和成本等因素,選用三維粘結成形技術來快速制造模樣原型。

樹脂砂三維粘結成形的工作原理類似于噴墨打印機,利用噴嘴將液態粘結劑噴在預先鋪好的粉層特定區域，再鋪粉噴粘結劑,如此逐層疊加,并最終得到砂型[9-10]。這一技術具有成形速度快、使用成本相對低廉等優點,但制作的原型強度不高,不能作為模具直接使用。

2.3 快速模具模樣原型強度增強

采用三維粘結成形技術快速成形的樹脂砂原型初始強度較低,無法承受造型時的壓力和振動,成為制約將三維粘結成形打印原型作為砂型鑄造模具使用的瓶頸。

針對上述問題,筆者提出了一種樹脂砂模樣原型強度增強的工藝方法，在原型表面直接均勻刷涂一定配比的環氧樹脂,待樹脂完全固化后,即可得到鑄造模具要求的強度、尺寸精度和表面粗糙度。其中,模樣原型強度增強工藝采用的雙組分環氧樹脂為常溫固化型,固化后粘結力強，收縮小，硬度高，抗沖擊，韌性好[11]。實際使用時,應通過現場試驗來確定最優的樹脂配比，以獲得理想的固化速度,并由此控制配膠量。

2.4 快速模具裝配

根據模具裝配圖樣和技術要求,按照模樣模塊和非模樣輔助模塊之間的位置關系進行準確安裝,用螺栓來緊固鎖緊模具,從而實現快速模具的組合裝配。其中,由于模樣采用的是環氧樹脂強度增強工藝,其表層強度要小于傳統的金屬模具,因此在現場使用時,應通過試驗手段來確定合理的鎖緊力矩，以保證模樣不被破壞。

2.5 快速模具應用

快速模具裝配完成并試模合格后,即可投入現場使用。在模樣表面均勻涂覆兩三遍脫模劑，以保證順利脫模。然后將砂箱按位置關系準確安裝至模具上,最后按照傳統砂型鑄造工藝造型即可。

造型完成后,采用起模裝置將砂箱與快速模具平穩脫開,從而完成砂型制作。重復上述步驟,可進行砂型的小批量生產。

3 應用驗證

以某柴油機氣缸蓋的砂型鑄造模具下模開發為例,對基于三維粘結成形打印原型的砂型鑄造模具快速制造技術的工藝流程和具體實施步驟等進行應用驗證。

3.1 快速模具優化設計

以鑄件計算機輔助設計模型為基礎,根據快速成形工藝特點,對某氣缸蓋的砂型鑄造模具進行了優化設計,得到圖2所示模具下模計算機輔助設計模型。其中,下模的模樣模塊和非模樣輔助模塊均設有定位和鎖緊結構，如圖3、圖4所示，以保證模具裝配精度。在滿足強度要求的前提下,對模樣成形面的背部進行掏空處理，來減少原材料消耗。

▲圖2 氣缸蓋鑄造模具下模模型▲圖3 模樣模塊

▲圖4 非模樣輔助模塊

3.2 快速模具模樣原型制造

筆者采用三維粘結成形技術快速成形模具下模的模樣原型,生產設備為某進口呋喃樹脂砂三維粘結成形打印機。其中,模樣原型打印工藝參數見表1。

表1 模樣原型打印工藝參數

3.3 快速模具模樣原型強度增強

由表1可知,采用三維粘結成形打印的樹脂砂模樣原型Z向抗拉強度僅為2.5 MPa,無法直接作為模具使用。經過現場驗證,筆者開發的模樣原型強度增強工藝可有效提高模樣的強度和表面粗糙度。其中,環氧樹脂強度增強主要工藝參數見表2。

表2 環氧樹脂強度增強工藝參數

按照表2中的環氧樹脂配比參數,在模樣原型表面一般均勻刷涂一遍即可獲得需要的強度和表面粗糙度。同時,由于砂型起模時摩擦力較大,因此需要在模樣側壁、鎖緊位置等受力部位均勻刷涂兩三遍以提高強度。

刷涂完成后,按照表2中的固化參數進行固化。待樹脂完全固化后，得到滿足砂型鑄造要求的模樣。模樣具有較高的尺寸精度(±0.3 mm)和表面粗糙度(Ra6.3 μm),強度增強后的模樣如圖5所示。

3.4 快速模具裝配

按照模樣模塊和非模樣輔助模塊之間的位置關系準確安裝并鎖緊后,得到圖6所示模具下模。經過現場驗證,采用10～15 N·m的力矩既不會破壞模樣，又可保證鎖緊模具。

3.5 快速模具應用

模具裝配完成后,在生產現場進行了造型驗證，圖7所示為利用模具下模造型后的砂型。

▲圖5 強度增強后模樣▲圖6 氣缸蓋鑄造模具下模▲圖7 氣缸蓋砂型

按照上述模具快速開發方法,完成了模具其它部分的制造,并分別進行了手工造型。各個砂型經檢驗合格后,進行了組裝及鑄件毛坯的試制。鑄件毛坯如圖8所示。

用于驗證的某氣缸蓋輪廓尺寸約為1 110 mm×500 mm,基于三維粘結成形技術的砂型鑄造快速原型件制造精度高于±0.3 mm,砂型尺寸精度高于±0.5mm,鑄件尺寸精度達到CT9級,可滿足100件以內的小

▲圖8 氣缸蓋鑄件毛坯

批量鑄件開發對模具的要求。

以筆者開發的某氣缸蓋砂型鑄造模具下模為例,統計其制造周期和成本,并與金屬模具制造進行了比較,見表3。由表3可知,與傳統的數控加工金屬模具方法相比,基于三維粘結成形打印原型的砂型鑄造模具快速制造技術制造周期縮短70%左右，成本降低85%左右,具有顯著的經濟效益。

表3 模具制造比較

4 結束語

筆者針對多品種小批量鑄件快速開發對模具的要求,提出了一種基于三維粘結成形打印原型的砂型鑄造模具快速制造技術,并在某氣缸蓋砂型鑄造模具開發中進行了應用驗證。相比傳統的金屬模具制造,該技術可明顯縮短制造周期，降低制造成本,是目前砂型鑄造模具開發中一種短周期、低成本的先進制造技術。

實踐證明,基于三維粘結成形打印原型的砂型鑄造模具快速制造技術能夠快速生產出具有較高尺寸精度和表面質量的模具,可為小批量鑄件的快速開發提供有力的技術支持。同時,該技術也為小批量砂型鑄造模具的開發開辟了一條新的技術路線,具有顯著的經濟效益和良好的應用價值。