3D打印技術和鑄造模擬技術在精密鑄造生產中的應用

2017-05-02 10:39:55      點擊:

1、 前言

在航空、航天、國防、汽車等重點行業,其基礎的核心部件一般均為金屬零件,而且相當多的金屬零件是非對稱性的、有著不規則曲面或結構復雜而內部又含有精細結構的零件。傳統的鑄造工藝設計方法往往依賴于直覺經驗,在鑄件結構較為簡單和鑄造類似鑄件時,經驗可能起到一定的作用;在澆鑄大型、復雜鑄件且無相關經驗時,只能通過反復工藝實驗來確定工藝;當工藝存在重大失誤時,可能使得工藝方案被徹底推翻。通過工藝反復實驗來確定工藝的方法,可能導致先前制作的模具報廢,對于大型鑄件來說模具費用會相當高,這會造成重大經濟損失,同時嚴重影響新產品的試制,延長新產品的試制周期。傳統生產制造這些零件通常采用鑄造或解體加工的方法。現在,利用鑄造模擬軟件和激光粉末快速成型技術的工業級3D打印機相結合,可有效的解決這些問題。生產周期可縮短十倍以上。實現了生產的低成本和高效益,達到了鑄件生產的個性化、多樣性、快速鑄造的目的。

2、 鑄造模擬技術和3D打印技術

鑄造工藝模擬CASTsoftCAD/CAE系統和3D打印技術系統框圖(圖1),鑄造工藝設計CAD由鑄件重量、體積、模數、補縮、澆鑄等工藝參數計算和工藝圖繪制、三維自動轉二維、工藝卡自動繪制組成;鑄造工藝模擬CAE集鑄造過程仿真、鑄造缺陷定量預測及結果定量顯示。用3D打印技術無模具制造蠟件后,通過精密鑄造生產出產品毛坯。整個周期只需要15-25天。

基本思路是:1)、將三維設計完成的鑄件毛坯(含加工余量)輸入到鑄造工藝設計CAD中,進行澆注系統計算、冒口計算、冷鐵計算、孤立熔池計算、模數計算;2)、根據計算結果大小和位置將澆注系統、冒口(冷鐵)添加到鑄件毛坯中;3)、將初始化的澆注系統和冒口信息輸入鑄造工藝模擬CAE,進行鑄造過程模擬仿真,優化澆注系統和冒口,將優化好的澆冒信息輸出;4)、根據毛坯三維圖,利用HLP-500激光粉末快速成型機直接生產出鑄件原型蠟件(含收縮量);5)、按照設計好的鑄造工藝方案,給原型蠟件鏈接上澆注系統,并通過制殼、脫蠟、

高溫焙燒等工藝制造模殼;6)、將加熱到一定溫度的金屬液澆注到模殼里,冷卻后脫殼,生產出鑄件毛坯;7)、最后,利用數控設備生產出最終產品進行裝配驗證設計的合理性。

圖片1 

圖1鑄造工藝模擬CASTsoftCAE系統和3D打印技術系統框圖

圖片2 

圖2鑄件三維圖

按照傳統生產制造圖2所示的鑄件。由于是新產品,生產周期很長。首先是根據技術工程師經驗,設計出大概的澆注工藝,然后進行模具的設計和生產。此零件形狀并不復雜,如果采用設計壓型進行生產,其模具的設計、生產周期約需2~3個月,模具投入生產到得到鑄件還需半個月的時間。只要其中一個環節的設計不合理,整個過程可能就要重新開始,而且可能要反復數次。這不僅浪費了大量的人力物力,又將最終產品的批量生產拖延三五個月,甚至更久。現在,通過CASTsoftCAD/CAE軟件和3D打印技術恰好解決這個難題。利用其特點,從設計到生產出成品件的整個加工周期只要20天,甚至更少。

 

3、 鑄造工藝方案設計

利用北京北方恒利科技發展有限公司開發的鑄造工藝設計及工藝模擬CASTsoftCAD/CAE技術對鑄件毛坯模數、工藝熱結計算、冒口系統計算、澆注過程計算、凝固過程計算,對鑄件毛坯進行工藝設計和鑄造工藝缺陷的分析,依據分析結果對工藝進行改進,最后設計出合理的鑄造工藝。采用CAStsoftCAD/CAE技術進行體積法和模數法進行澆注系統計算、澆口棒計算和澆口位置確定,初步確定工藝,通過澆注過程凝固過程進行分析,進一步優化合理工藝,從而縮短工藝試制周期、降低工藝試制成本。

3.1工藝確定步驟步驟

1:采用CASTsoftCAE鑄造工藝設計模塊進行工藝熱結計算確定鑄件工藝布局,確定澆注系統。

圖片3 

圖3工藝放置方案1

圖片4

圖4工藝放置方案2

圖片5 

圖5工藝放置方案1熱節及收縮情況

圖片6 

圖6工藝放置方案2熱節及收縮情況

根據模擬計算缺陷的結果(圖5、圖6),可以知道工藝方案1熱節集中在鑄件側面的大平面旁邊,適合放置冒口澆口棒,所以按方案1計算澆口棒,確定鑄件工藝布局,確定澆注系統。步驟2:根據缺陷設計澆口棒,得到最終沒有縮孔縮松缺陷的鑄件。通過造型、涂料及澆注溫度等方式保證表面質量,再通過鑄造模擬軟件進行鑄造過程模擬,最后確定可行澆注工藝方案。

圖片7 

圖7鑄件工藝三維模型

3.2前處理本次模擬時,鑄件毛坯進行網格剖分的網格尺寸為2mm×2mm×2mm,共剖分網格800萬單元(如圖8)。

 圖片8

圖8鑄件網格剖分

圖片9 

圖9模殼網格剖分

3.3鑄造模型構建及模擬計算:按工藝要求添加精密鑄造相應的工藝參數。參數設置如下:鑄件材料:WCB,鑄型材料:水玻璃,澆注溫度1600°C,模殼焙燒1000-1150°C,澆注時模殼700°C左右。

3.4鑄造工藝結果顯示及工藝合理評定:

圖片10 

圖10孤立熔池位置a

圖片11 

圖11孤立熔池位置b

圖片12 

圖12凝固過程溫度場剖面圖

圖片13 

圖13凝固過程溫度場

圖片14 

圖14缺陷透視圖

采用CASTsoftCAE鑄造工藝模擬模塊進行鑄造過程模擬驗證,通過凝固過程、溫度場及縮孔縮松的判定可以看到鑄件內部沒有產生缺陷,理論上滿足質量要求。

4、3D打印蠟模的制造

4.1生產設備及原理
    使用激光粉末快速成型技術的工業級
3D打印機燒結粉末材料(如蠟粉、PS粉、ABS粉、尼龍粉、覆膜砂和金屬粉等)。成型時先在工作臺上鋪上一層粉末材料,激光束在計算機的控制下,按照截面輪廓的信息,對制件實心部分所在的粉末進行燒結。一層完成后,工作臺下降一個層厚,再進行下一層的鋪粉燒結。如此循環,最終形成三維產品。優點:由于粉末具有自支撐作用,不需另外支撐;材料廣泛,不僅包括PS塑料材料和尼龍材料,還可以直接生產金屬和陶瓷零件。且材料可重復使用,利用率高。可用于樣件,功能件,模具,模型,鑄造蠟模等。設備結構如圖15所示。

圖片15 

圖15設備原理圖

4.2蠟模的生產
    生產蠟模,首先要確定蠟模尺寸。根據蠟模收縮率、合金收縮率、模殼膨脹系數、模擬結果給出蠟模X、Y、Z方向上的線收縮率。該收縮率確定后,可以在MagicsRP軟件對零件處理時首先進行放縮,這樣即可得到理想尺寸的蠟模,繼而獲得尺寸合格的鑄件毛坯。經過12.5個小時的設備加工生產出主體材料為ps粉(聚苯乙烯)鑄件原型。這個原型還不能直接使用,需要做一下簡單的后處理工作。第一步是把鑄件原型浸入到中溫蠟液體中,是原型表面附著一次薄薄的石蠟,冷卻后再次浸入。第二部把冷卻后的原型表面打磨光滑,打磨的越光滑,實際生產出的鑄件表面光潔度越高。最終生產出如圖16所示蠟件。

圖片16 

圖16 3D打印蠟件

4.3、蠟模的組焊

按照設計好的鑄造工藝方案,給蠟件鏈接上澆注系統。如圖17所示。快速成型機制出的蠟模原型要求無形變,尺寸準確,通過精整處理后表面光潔,可以進行組焊、粘漿、制殼、脫蠟。澆注系統選用性能相近的中溫蠟,以便于粘結牢固,滿足制殼的強度要求,其尺寸按熔模鑄造工藝設計選取。組焊工藝與傳統蠟模相似,保證內澆口長度和間距,便于冒口補縮,模殼放置平穩。

 圖片17

圖17 3D打印蠟件鏈接澆注系統

4.4、型殼制備
    快速成型技術制成的蠟模涂掛性能好,可以用原工藝配制涂料,粘漿與撒砂,干燥。粘結劑用硅溶膠或硅酸乙酯,面層耐火材料用鋯英粉,背層用莫來石或煤矸石粉。由于使用的燒結粉料熔化溫度高,沒有流動性,型殼不能通過蒸汽脫蠟工藝將原型全部去除,但可以在純氧環境下通過高溫焙燒的方法去除蠟模,或者在開放的大氣環境中焙燒脫除澆冒口及蠟模。直接高溫焙燒會使型殼漲裂導致生產失敗。所以我們通過以下步奏制殼:1、利用水玻璃工藝制殼5層;2、脫蠟:溫度170度,壓力0.7MPa,持續時間13分鐘;3、焙燒:溫度緩慢上升,加熱到850度,持續時間一小時;4、簡單清理一下內部殘余。
    4.5、澆注金屬液,冷卻脫殼
    澆注金屬液,冷卻脫殼、鑄件清理和原精鑄工序相同。最終得到如圖鑄件。

 

5、 結果與分析

使用CASTsoft軟件可以有效地預測出工藝設計中存在的問題,能夠預測出鑄件可能存在的鑄造缺陷,并根據模擬結果確定、改進、優化鑄造工藝。利用CASTsoftCAE軟件可以對鑄造工藝參數如:澆注溫度、充型時間、鑄型材料、澆口棒等進行改進,改進后再次進行模擬,經過多次的改進直到消除鑄造缺陷。3D打印技術可以使企業有能力快速生產各類大尺寸、結構復雜熔模精密鑄件所用蠟模,減少大量外協費用,同時對于單件、小批量熔模精密鑄件的生產可以不用模具,從而節省大量模具加工費用。

6、 結語

CASTsoft軟件與3D打印技術的結合可以大大縮短生產周期,為新產品研制和開發獲得了大量寶貴時間,降低了生產成本,極大的提高了鑄造車間精密鑄造水平,為確保后續型號產品中精密鑄件生產任務的順利完成打下良好的基礎。挺高了企業競爭力。

 

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