基于 3D 打印的泵殼快速鑄造方法
2023-5-9 來源： 北京浩鵬科技有限公司技術(shù)中心 作者： 武志良
摘要 : 傳統(tǒng)的砂型鑄造工藝在鑄件生產(chǎn)時，首先需要制作模具，存在周期長、費(fèi)用高等問題，不能完全滿足新產(chǎn)品研發(fā)的周期要求。采用 3D打印砂型或者砂芯，一方面減少對技術(shù)工人的依賴，增強(qiáng)了產(chǎn)品品質(zhì)。另一方面速度快，縮短了交貨期。最后，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性提供了保障，3D 打印能夠及時應(yīng)對設(shè)計(jì)變更，提升產(chǎn)品研發(fā)的驗(yàn)證效率。
1.引言
本文主要介紹了三維鑄造工藝設(shè)計(jì)、砂型3D 打印技術(shù)、光學(xué)三維掃描技術(shù)在小批量鑄件開發(fā)中的應(yīng)用，結(jié)合泵殼的制造過程，比較了3D 打印砂型和傳統(tǒng)鑄造工藝的特點(diǎn)，結(jié)果表明，采用砂型 3D 打印的數(shù)字化鑄造技術(shù)，能夠明顯縮短交貨期、降低產(chǎn)品研發(fā)成本，而且精度高，工藝性能穩(wěn)定。
3DP 砂型 3D 打印的原理 : 將樹脂砂鋪在 3D打印平臺上，用刮板機(jī)刮平，層厚大約在 0.28-0.5mm。打印頭根據(jù)三維模型的二維切片生成的路徑噴射呋喃樹脂膠，將樹脂砂粘接在一起，然后如此往復(fù)，完成整個三維模型的打印。3DP 打印砂型的優(yōu)點(diǎn)就是成本低，效率高，力學(xué)性能好。
通過比較 3DP 砂型打印快速鑄造和傳統(tǒng)鑄造工藝流程不難看出，3D打印砂型快速鑄造實(shí)現(xiàn)了無模制造，節(jié)省了模具設(shè)計(jì)、制造、造型、制芯等工序，同時 3D 打印砂型精度高，質(zhì)量穩(wěn)定，節(jié)約生產(chǎn)制造周期。
2. 鑄造工藝設(shè)計(jì)
在砂型和砂芯 3D 打印之前，需要在產(chǎn)品三維數(shù)模上進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，包括預(yù)留加工余量、澆鑄系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必要時進(jìn)行鑄造仿真模擬，及時發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷。
（1）添加加工余量
某水泵殼體，材質(zhì)為 HT200，考慮到鑄件在凝固過程中有收縮，所以需要對產(chǎn)品數(shù)模進(jìn)行一定比例的放大，灰鐵的收縮率為 1%。在 UGNX11 軟件中，比例因子選擇 1.01。見圖 1。
圖 1 圖 2
然后需要根據(jù)二維圖紙，對安裝面增加加工余量，目的是保證成品的尺寸公差。加工余量的大小對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率有很大影響，加工余量過大，不僅增加機(jī)械加工的工作量，增加能源消耗，也降低了生產(chǎn)效率。而加工余量過小，機(jī)械加工無法加工掉鑄造缺陷，也無法補(bǔ)償加工過程中產(chǎn)生的裝夾誤差，從而產(chǎn)生廢品。所以我們參考砂型鑄造的精度，加工余量增加 5mm。見圖 2。
（2）澆鑄系統(tǒng)設(shè)計(jì)
澆鑄系統(tǒng)是鑄型中液態(tài)金屬流入型腔通道的總稱，澆鑄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要考慮金屬液流動的速度和方向平穩(wěn)、連續(xù)、均勻，不沖擊砂芯和型壁，不產(chǎn)生飛濺和渦流，不卷入氣體。澆鑄系統(tǒng)要結(jié)構(gòu)簡單，不影響鑄件的外觀。對于案例中的殼體設(shè)計(jì)澆鑄系統(tǒng)采用收縮式，也就是直澆道的橫截面大于橫澆道的橫截面，也大于內(nèi)澆道的橫截面。見圖 3。
圖 3 圖 4
3. 砂型（芯）設(shè)計(jì)與 3D 打印
我們采用 UG NX 11 軟件，對三維數(shù)模進(jìn)行砂型和砂芯分模設(shè)計(jì)，需要考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、3D打印設(shè)備的打印范圍等因素。對于本次殼體的砂芯和砂型設(shè)計(jì)，考慮到尺寸最大是 200mm。一次成型兩件也在 3D 打印設(shè)備范圍內(nèi)，所以砂型和砂芯采用整體打印。分上下兩部分合模，方便清理澆道內(nèi)多余的砂子。
打印砂型的精度是 ±0.5mm，3D 打印砂型的材料是呋喃樹脂自硬砂，砂子粒度為 70 目。3D 打印設(shè)備成型尺寸為 2000mm×1000mm×800mm，砂型的抗拉強(qiáng)度在 1.4-1.9MPA，發(fā)氣量 12-15ML/g。要打印的砂型和砂芯。見圖 4。
4.合型、澆鑄
砂型打印完成之后，清理表面的浮砂，然后合型，圍箱澆鑄。澆鑄重量 10kg，澆鑄溫度為 :1370-1380℃。澆鑄完成后，冷卻 12 小時，然后敲掉砂型和砂芯，做拋丸處理，并打磨掉澆鑄口，檢查鑄件有無氣孔、砂眼、夾渣、縮孔、縮松、裂紋等鑄造缺陷。最后對配合面進(jìn)行數(shù)控加工，確保尺寸公差在要求范圍內(nèi)。見圖 5。
圖 5 圖 6
5. 尺寸檢測
尺寸檢測的方式很多，可以采用三坐標(biāo)、二次元、光學(xué)三維掃描儀等。其中光學(xué)三維掃描儀具有精度高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，而且是全尺寸檢測，所以廣受歡迎。光學(xué)三維掃描屬于非接觸式掃描，可以對柔軟、易碎的物體進(jìn)行測量，其缺點(diǎn)是很難掃描高反光、高透光的表面，而且掃描后的點(diǎn)云質(zhì)量一般，需要噴顯像劑才能提高掃描的點(diǎn)云質(zhì)量。光學(xué)掃描儀根據(jù)光源的不同，分為白光、藍(lán)光、激光等不同的類型。
白光和藍(lán)光都屬于結(jié)構(gòu)光，適合掃描小件，精度高，但是使用不如激光掃描儀方便。激光三維掃描儀在中大型產(chǎn)品的掃描上比較出色。對于本次泵殼的尺寸檢測，采用藍(lán)光三維掃描。因?yàn)楫a(chǎn)品小，精度要求高。藍(lán)光三維掃描儀的設(shè)備參數(shù)見下表。
將數(shù)控加工后的泵殼進(jìn)行 3D 掃描，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在 Geomagic Qualify 軟件中，將產(chǎn)品的 3D 數(shù)模和點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入，根據(jù)基準(zhǔn)進(jìn)行對齊，做 3D 尺寸比較。最后得到全尺寸的檢測報告。見圖 6。
6. 結(jié)論
本文介紹通過砂型 3D 打印技術(shù)在快速鑄造方面的應(yīng)用，將泵殼的開發(fā)周期從 2 個月降到 20天內(nèi)，縮短了接近 70%。同時因?yàn)闇p少了模具設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造等工序，降低了成本。最后，砂型 3D 打印快速鑄造的工藝減少了砂芯的數(shù)量，也就減少了組芯的誤差，能有效保證鑄件的精度，適合在新品開發(fā)中推廣應(yīng)用。
投稿箱：
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關(guān)信息
業(yè)界視點(diǎn)
| 更多
行業(yè)數(shù)據(jù)
| 更多
- 2025年1月 新能源汽車銷量情況
- 2024年12月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 軸承出口情況
- 2024年12月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 軸承出口情況
- 2024年11月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車銷量情況
- 2024年10月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
博文選萃
| 更多
- 機(jī)械加工過程圖示
- 判斷一臺加工中心精度的幾種辦法
- 中走絲線切割機(jī)床的發(fā)展趨勢
- 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床何去何從？
- 中國的技術(shù)工人都去哪里了？
- 機(jī)械老板做了十多年，為何還是小作坊？
- 機(jī)械行業(yè)最新自殺性營銷，害人害己！不倒閉才
- 制造業(yè)大逃亡
- 智能時代，少談點(diǎn)智造，多談點(diǎn)制造
- 現(xiàn)實(shí)面前，國人沉默。制造業(yè)的騰飛，要從機(jī)床
- 一文搞懂?dāng)?shù)控車床加工刀具補(bǔ)償功能
- 車床鉆孔攻螺紋加工方法及工裝設(shè)計(jì)
- 傳統(tǒng)鉆削與螺旋銑孔加工工藝的區(qū)別