□ 趙國強(qiáng) □ 劉慶義,2 □ 段文超 □ 倪允強(qiáng)□ 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(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chǎn)品不斷增多,產(chǎn)品更新?lián)Q代也越來越快,這就要求企業(yè)對市場做出快速響應(yīng)來滿足客戶的個性化定制需求[1-2]。對于傳統(tǒng)的裝備制造企業(yè),大量的機(jī)械零件需采用砂型鑄造方式生產(chǎn),而傳統(tǒng)鑄造模具的設(shè)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(yán)重制約了企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)的進(jìn)度[3-4]。

快速成形是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種基于材料離散堆積原理的先進(jìn)制造技術(shù),其最大優(yōu)點(diǎn)是成形速度快且不受制件復(fù)雜程度限制,近年來已在鑄造行業(yè)得到廣泛的研究和應(yīng)用[5]。同時,快速成形技術(shù)也推動了快速模具技術(shù)的蓬勃發(fā)展,目前，基于快速成形的快速模具制造技術(shù)已成為模具制造業(yè)的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)[6-8]。

針對多品種小批量鑄件快速開發(fā)對模具的要求,筆者提出了一種基于三維粘結(jié)成形打印原型的砂型鑄造模具快速制造技術(shù),并對這一技術(shù)涉及的快速模具優(yōu)化設(shè)計、快速模具模樣原型制造、快速模具模樣原型強(qiáng)度增強(qiáng)、快速模具裝配、快速模具應(yīng)用等工藝流程進(jìn)行了研究及應(yīng)用驗(yàn)證,以期實(shí)現(xiàn)快速、靈活、低成本制造模具的目標(biāo)。

2 工藝流程

基于三維粘結(jié)成形打印原型的砂型鑄造模具快速制造技術(shù)將模具三維計算機(jī)輔助設(shè)計與快速成形計算機(jī)輔助制造相結(jié)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(jié)成形打印原型的砂型鑄造模具快速制造技術(shù)工藝流程

2.1 快速模具優(yōu)化設(shè)計

模具設(shè)計是保證鑄件尺寸精度的重要環(huán)節(jié),也是后續(xù)快速成形的基礎(chǔ)。由零件計算機(jī)輔助設(shè)計模型得到鑄件計算機(jī)輔助設(shè)計模型,并在此基礎(chǔ)上設(shè)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(jìn)行隨形分割,從而優(yōu)化模具結(jié)構(gòu),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(fā)的快速模具結(jié)構(gòu)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(shè)有定位和鎖緊結(jié)構(gòu),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(dāng)位置設(shè)計定位和鎖緊結(jié)構(gòu),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(shù)主要有激光選區(qū)燒結(jié)、三維粘結(jié)成形、數(shù)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(jié)成形技術(shù)來快速制造模樣原型。

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

2.3 快速模具模樣原型強(qiáng)度增強(qiáng)

采用三維粘結(jié)成形技術(shù)快速成形的樹脂砂原型初始強(qiáng)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(jié)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(qiáng)度增強(qiáng)的工藝方法，在原型表面直接均勻刷涂一定配比的環(huán)氧樹脂,待樹脂完全固化后,即可得到鑄造模具要求的強(qiáng)度、尺寸精度和表面粗糙度。其中,模樣原型強(qiáng)度增強(qiáng)工藝采用的雙組分環(huán)氧樹脂為常溫固化型,固化后粘結(jié)力強(qiáng)，收縮小，硬度高，抗沖擊，韌性好[11]。實(shí)際使用時,應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)來確定最優(yōu)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(jù)模具裝配圖樣和技術(shù)要求,按照模樣模塊和非模樣輔助模塊之間的位置關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確安裝,用螺栓來緊固鎖緊模具,從而實(shí)現(xiàn)快速模具的組合裝配。其中,由于模樣采用的是環(huán)氧樹脂強(qiáng)度增強(qiáng)工藝,其表層強(qiáng)度要小于傳統(tǒng)的金屬模具,因此在現(xiàn)場使用時,應(yīng)通過試驗(yàn)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(yīng)用

快速模具裝配完成并試模合格后,即可投入現(xiàn)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(guān)系準(zhǔn)確安裝至模具上,最后按照傳統(tǒng)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(wěn)脫開,從而完成砂型制作。重復(fù)上述步驟,可進(jìn)行砂型的小批量生產(chǎn)。

3 應(yīng)用驗(yàn)證

以某柴油機(jī)氣缸蓋的砂型鑄造模具下模開發(fā)為例,對基于三維粘結(jié)成形打印原型的砂型鑄造模具快速制造技術(shù)的工藝流程和具體實(shí)施步驟等進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。

3.1 快速模具優(yōu)化設(shè)計

以鑄件計算機(jī)輔助設(shè)計模型為基礎(chǔ),根據(jù)快速成形工藝特點(diǎn),對某氣缸蓋的砂型鑄造模具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,得到圖2所示模具下模計算機(jī)輔助設(shè)計模型。其中,下模的模樣模塊和非模樣輔助模塊均設(shè)有定位和鎖緊結(jié)構(gòu)，如圖3、圖4所示，以保證模具裝配精度。在滿足強(qiáng)度要求的前提下,對模樣成形面的背部進(jìn)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(jié)成形技術(shù)快速成形模具下模的模樣原型,生產(chǎn)設(shè)備為某進(jìn)口呋喃樹脂砂三維粘結(jié)成形打印機(jī)。其中,模樣原型打印工藝參數(shù)見表1。

表1 模樣原型打印工藝參數(shù)

3.3 快速模具模樣原型強(qiáng)度增強(qiáng)

由表1可知,采用三維粘結(jié)成形打印的樹脂砂模樣原型Z向抗拉強(qiáng)度僅為2.5 MPa,無法直接作為模具使用。經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證,筆者開發(fā)的模樣原型強(qiáng)度增強(qiáng)工藝可有效提高模樣的強(qiáng)度和表面粗糙度。其中,環(huán)氧樹脂強(qiáng)度增強(qiáng)主要工藝參數(shù)見表2。

表2 環(huán)氧樹脂強(qiáng)度增強(qiáng)工藝參數(shù)

按照表2中的環(huán)氧樹脂配比參數(shù),在模樣原型表面一般均勻刷涂一遍即可獲得需要的強(qiáng)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(cè)壁、鎖緊位置等受力部位均勻刷涂兩三遍以提高強(qiáng)度。

刷涂完成后,按照表2中的固化參數(shù)進(jìn)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(qiáng)度增強(qiáng)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(guān)系準(zhǔn)確安裝并鎖緊后,得到圖6所示模具下模。經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)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(yīng)用

模具裝配完成后,在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行了造型驗(yàn)證，圖7所示為利用模具下模造型后的砂型。

▲圖5 強(qiáng)度增強(qiáng)后模樣▲圖6 氣缸蓋鑄造模具下?！鴪D7 氣缸蓋砂型

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

用于驗(yàn)證的某氣缸蓋輪廓尺寸約為1 110 mm×500 mm,基于三維粘結(jié)成形技術(shù)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(dá)到CT9級,可滿足100件以內(nèi)的小

▲圖8 氣缸蓋鑄件毛坯

批量鑄件開發(fā)對模具的要求。

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

表3 模具制造比較

4 結(jié)束語

筆者針對多品種小批量鑄件快速開發(fā)對模具的要求,提出了一種基于三維粘結(jié)成形打印原型的砂型鑄造模具快速制造技術(shù),并在某氣缸蓋砂型鑄造模具開發(fā)中進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。相比傳統(tǒng)的金屬模具制造,該技術(shù)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(fā)中一種短周期、低成本的先進(jìn)制造技術(shù)。

實(shí)踐證明,基于三維粘結(jié)成形打印原型的砂型鑄造模具快速制造技術(shù)能夠快速生產(chǎn)出具有較高尺寸精度和表面質(zhì)量的模具,可為小批量鑄件的快速開發(fā)提供有力的技術(shù)支持。同時,該技術(shù)也為小批量砂型鑄造模具的開發(fā)開辟了一條新的技術(shù)路線,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和良好的應(yīng)用價值。