薄壁鑄件壓鑄模具的快速成型工藝研究

1、薄壁鑄件壓鑄模具的快速成型工藝研究     快速成型(Rapid Prototyping , RP) 技術(shù)是20 世紀(jì)80 年代末傭年代初基于材料逐層堆積進(jìn)行零件加工的一種先進(jìn)制造技術(shù)。目前比較成熟的方法有立體光刻成型(SLA) 、分層實(shí)體造型(LOM) 、熔絲沉積造型(FDM) 、三維噴涂粘接(3DP) 和選擇性激光燒結(jié)成型( SLS) 等。由于快速成型具有成型速度快、制作過(guò)程與零件的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)、生產(chǎn)加工過(guò)程數(shù)字化、生產(chǎn)過(guò)程綠色環(huán)保等特點(diǎn)，因此在工業(yè)造型、汽車(chē)、航空航天、電子產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品造型評(píng)估、產(chǎn)品性能測(cè)試、快速制模、產(chǎn)品零件的快速直接

2、制造等。利用三維實(shí)體造型進(jìn)行即制造的工作流程如圖1 所示。    圖2 所示于機(jī)外殼是較典型的薄壁鑄件，其平均壁厚為1. 65 mm 。文獻(xiàn)2對(duì)該鎂合金于機(jī)外殼的壓鑄模具設(shè)計(jì)做了研究，模具澆注系統(tǒng)采用錐形雙切向澆注系統(tǒng)。圖3 是設(shè)計(jì)的壓鑄模具裝配圖。本文以該模具的動(dòng)、定模鑲塊為例研究其快速成型制造工藝。1 成型工藝SLS 成型機(jī)理是利用激光束對(duì)高分子材料、金屬或者陶瓷材料進(jìn)行掃描，使粉末材料瞬間熔融實(shí)現(xiàn)粘結(jié)，逐層燒結(jié)直至最終完成整個(gè)零件的加工。SIS成型工藝主要包括材料種類(lèi)、零件擺放方式、溫度、激光功率、掃描速度、掃描間距、層厚等。本文選用華中數(shù)控HRPIIIA

3、型激光快速成型機(jī)，使用的材料為聚苯乙烯(PS) 粉末，材料的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1 。激光器類(lèi)型為CO2 射頻激光器，最大功率50 kW 。1. 1 STL 文件的生成調(diào)用Pro/Engineer軟件中所帶的STL 文件生成格式模塊，將三維CAD 模型轉(zhuǎn)換成STL 格式，并對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。試驗(yàn)中所用定模鑲塊和動(dòng)模鑲塊的STL 網(wǎng)格劃分如圖4 所示。1.2 零件擺放方式零件擺放的基本原則是:盡量縮短某一方向上掃描路徑的長(zhǎng)度并使2 個(gè)方向的掃描路徑長(zhǎng)度相近。掃描路徑太長(zhǎng)，掃描時(shí)間變長(zhǎng)，燒結(jié)深度變大，一個(gè)方向的掃描路徑太長(zhǎng)，制件在該方向上容易開(kāi)裂。    圖5

4、是定模鑲塊的4 種擺放方式，圖a )，b）， c) 所示的擺放方式都存在某個(gè)方向掃描路徑長(zhǎng)且2 個(gè)方向上激光掃描路徑相差較大的缺點(diǎn)，制備的制件容易開(kāi)裂;圖d) 所示的擺放方式2 個(gè)方向上的激光掃描路徑相近且較短，因此能夠很好地解決零件開(kāi)裂問(wèn)題。1. 3 激光功率激光功率的高低影響工件的尺寸精度和燒結(jié)強(qiáng)度。激光功率高，制件燒結(jié)強(qiáng)度高，零件外形尺寸和壁厚變大;激光功率低，燒結(jié)強(qiáng)度低，但是尺寸精度較好。因此在滿(mǎn)足制件強(qiáng)度的條件下，應(yīng)盡量降低激光頻率以提高尺寸精度。針對(duì)本試件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，試驗(yàn)中確定激光頻率為12.5 kW。1.4 溫度溫度參數(shù)包括待鋪粉的預(yù)熱溫度、成型室溫度等。對(duì)粉末材料進(jìn)行預(yù)熱，可以

5、減少燒結(jié)成型時(shí)工件內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力，防止其出現(xiàn)翹曲和變形，提高成型精度。就HRPIIIA 成型機(jī)而言，加工用粉末材料的預(yù)熱是通過(guò)設(shè)置成型室溫度的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。成型室的溫度設(shè)置主要考慮成型層的冷卻情況。一般來(lái)說(shuō)，成型室的溫度要低于粉末材料的軟化溫度，在不發(fā)生翹曲和變形的情況下低些為宜。由于聚苯乙烯材料的軟化溫度在70 -98:內(nèi)，試驗(yàn)中成型室溫度確定為65。1. 5 掃描速度 在激光功率不變時(shí)，掃描速度會(huì)影響激光對(duì)粉末的加熱溫度和時(shí)間，最終影響燒結(jié)厚度。掃描速度低，會(huì)提高制件的強(qiáng)度，但會(huì)降低生產(chǎn)效率;掃描速度設(shè)置較大，則不能保證粉末完全燒結(jié)，制件的強(qiáng)度低甚至無(wú)法成型。掃描速度的設(shè)置應(yīng)當(dāng)考慮激光功

6、率、成型室溫度、層厚等因素。當(dāng)激光功率為12.5 kW 時(shí)，調(diào)節(jié)激光掃描間距、激光燒結(jié)層厚、制件擺放角度等工藝參數(shù)，觀(guān)察各工藝參數(shù)組合下燒結(jié)件的表面粗糙情況。最終試驗(yàn)采用圖6 所示的工藝參數(shù)。2 結(jié)果及分析對(duì)制件進(jìn)行分析可以看出:分型面的選擇較為合理，能使模具具有良好的溢流排氣條件，且設(shè)置在金屬液最后填充的部位;采用錐形雙切向澆注系統(tǒng)可以最大限度地減少澆注過(guò)程中金屬液的流程，有利于薄壁壓鑄件的生產(chǎn);推桿的分布合理，使鑄件各部位的受推壓力均衡;通過(guò)在溢流槽上增設(shè)推桿，避免了在鑄件表面和基準(zhǔn)表面設(shè)置推桿;同時(shí)溢流槽的設(shè)置也較為合理。3 結(jié)語(yǔ)選擇適當(dāng)?shù)某尚凸に囀荢LS的關(guān)鍵，合適的成型工藝可以保證薄壁鑄件快速成型件的加工精度和表面質(zhì)量。在激光功率為12.5 kW 、掃描速度為2000 mm/ s 、燒結(jié)