吳文俊,齊海強(qiáng),季 飛,宋 斌
(晉西車軸股份有限公司,山西 太原 030027)
對于汽車工業(yè)、國防工業(yè)和航空航天工業(yè)來說,基礎(chǔ)核心部件大多都為金屬制成,但是很多金屬零件本身有著非對稱性的特點(diǎn),甚至還有大量零部件為曲面結(jié)構(gòu),有著較為復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的鑄造過程中,大多都依靠直覺和經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行判斷,雖然這在一些簡單鑄件的制造過程中可以起到一定的作用,但是在復(fù)雜鑄件的澆筑過程中則需要反復(fù)試驗(yàn)來摸索工藝,從而大大提高了成本。但是3D打印技術(shù)的運(yùn)用,可以有效解決該問題,降低成本的同時(shí),也讓縮短了生產(chǎn)周期,為快速鑄造的實(shí)現(xiàn)提供了可能。
3D打印技術(shù)近年來和互聯(lián)網(wǎng)以及機(jī)器人共同成為了第三次工業(yè)革命的標(biāo)志,從技術(shù)革命的角度來看,3D打印技術(shù)存在5個(gè)特點(diǎn):
(1)在能源生產(chǎn)和使用層面:采用了節(jié)能和再生能源,從而實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)化[1]。
(2)在生產(chǎn)方式層面:原有的大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)逐步被智能化大規(guī)模定制化生產(chǎn)所取代。
(3)從制造模式上來看,原有的制造業(yè)主流生產(chǎn)生產(chǎn)模式正在逐步變化,疊加式正在逐步替代消減式。
(4)從生產(chǎn)方式來看,當(dāng)前正在逐步推廣分散生產(chǎn)、就地銷售的生產(chǎn)模式,具有更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)化。
(5)從生活方式來看:生產(chǎn)和消費(fèi)同時(shí)產(chǎn)生,換言之,就是“要什么就生產(chǎn)什么”。
世界各國對于3D打印都給予了極高的期待,例如著作《3D打印——從想象到現(xiàn)實(shí)》就指出,3D打印將會(huì)引發(fā)一場產(chǎn)業(yè)革命,該革命不僅在于設(shè)計(jì)和制造,同時(shí)也會(huì)涉及到材料、生物等領(lǐng)域,我們又向“機(jī)器制造機(jī)器”前進(jìn)了一大步。
因而幾乎在一夜之間,3D打印就在全球范圍內(nèi)掀起了熱議,而我國近年來也在科技領(lǐng)域奮起直追,一項(xiàng)新技術(shù)在國內(nèi)得到如此迅速的推廣和如此熱烈的討論也是史無前例的,這說明我國政府和很多從業(yè)人員都對于積極參與全球競爭給予了更高的重視。在世界各個(gè)發(fā)達(dá)國家,如美國和西歐各國,都將該技術(shù)提升到了世界戰(zhàn)略層級(jí),都將其作為新一次工業(yè)革命來對待,其實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)的則是世界范圍內(nèi)競爭格局。因此一旦機(jī)器人制造普及,3D打印技術(shù)成熟,我國的勞動(dòng)力價(jià)格低廉的優(yōu)勢就將消失。但是目前我國的工業(yè)化水平仍然有待提高,所以需要實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展,這樣才能迎頭趕上,居于世界前列。3D打印技術(shù)的發(fā)展需要實(shí)現(xiàn)三個(gè)層次的控制,其對象分別是物質(zhì)對象、物質(zhì)形狀以及具體的控制行為,將這三個(gè)控制結(jié)合起來,才能讓物體的加工達(dá)到預(yù)期的精度,為工業(yè)化的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。所以,3D打印技術(shù)有著非常廣闊的發(fā)展前景。本文以某鑄件為例介紹精密鑄造生產(chǎn)中3D打印技術(shù)的應(yīng)用
在鑄造工藝的設(shè)計(jì)上,采用鑄造模擬軟件來計(jì)算毛坯模數(shù)、工藝熱節(jié)以及冒口系統(tǒng),以此為基礎(chǔ)即可設(shè)定澆筑過程和凝固過程,之后完成毛坯工藝設(shè)計(jì),并分析鑄造工藝缺陷,以相關(guān)分析結(jié)果為基礎(chǔ),來進(jìn)行相關(guān)的改進(jìn),從而提出更為合理的鑄造工藝方案。應(yīng)用鑄造模擬軟件來計(jì)算澆筑系統(tǒng),確定澆口位置,從而初步完成相關(guān)工藝的設(shè)計(jì),讓工藝試制成本得到降低[2,3]。
工藝流程的確定大體上可以分為兩個(gè)步驟:第一,采用鑄造模擬軟件當(dāng)中的鑄造工藝設(shè)計(jì)功能來計(jì)算工藝熱節(jié),從而得到鑄件的工藝布局,進(jìn)而選擇澆筑系統(tǒng)。由此可知,在工藝方案1中,熱節(jié)大多于鑄件的側(cè)面集中,因而采用冒口澆口棒較為合適,在確定了鑄件工藝布局之后即可選用澆注系統(tǒng)。第二,結(jié)合缺陷設(shè)計(jì)澆口棒,從而得到縮松缺陷鑄件,經(jīng)由造型和涂料以及澆注溫度等形式來讓其表面質(zhì)量得到保障,之后再經(jīng)由鑄造模擬軟件來模擬鑄造過程,從而確定合理的澆筑工藝,如圖1所示。
圖1 鑄件工藝三維模型
在本次模擬的過程當(dāng)中,所選用的鑄件毛坯網(wǎng)格控制在2mm,將其剖分成800萬個(gè)網(wǎng)格單元,如圖2所示。
圖2 鑄件網(wǎng)格剖分
結(jié)合工藝所需要,來加入工藝參數(shù),具體如下:鑄件材料選用WCB,鑄型材料選用水玻璃,澆注溫度控制在1600℃,澆筑的過程中,膜殼溫度控制在700℃±10℃。
一般來說可運(yùn)用鑄造模擬軟件來模擬其整個(gè)鑄造過程,并進(jìn)行驗(yàn)證。首先判斷其凝固過程、溫度場和縮松縮孔,這樣就可以直接確定在鑄件內(nèi)部是否存在缺陷,確保其在理論上滿足鑄造要求。
采用激光粉末快速成型技術(shù),運(yùn)用3D打印機(jī)來進(jìn)行粉末材料的燒結(jié)。在成型之前,首先在工作臺(tái)上鋪設(shè)粉末材料,之后用計(jì)算機(jī)控制激光束,結(jié)合截面輪廓加工需要來燒結(jié)實(shí)心部分的粉末。在一層燒結(jié)完畢之后,工作臺(tái)下降一層,之后重新進(jìn)行鋪粉和燒結(jié),不斷循環(huán)這個(gè)過程,最終完成3D打印。該技術(shù)的優(yōu)勢在于粉末有一定的支撐作用,無需采用另外支撐;同時(shí)材料的來源廣泛,除了蠟粉和ABS粉之外,尼龍粉、金屬粉也可以使用,從而生產(chǎn)金屬物品和陶瓷部件。同時(shí)材料可以循環(huán)使用,具有極高的利用率,用于加工樣件、功能件,都可以有效地降低成本。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 設(shè)備結(jié)構(gòu)原理
蠟?zāi)さ纳a(chǎn)首先需要確定合理的蠟?zāi)こ叽?,為了確定其在X、Y、Z三個(gè)軸上的線收縮率情況,需要結(jié)合蠟?zāi)?、合金的收縮率以及模殼膨脹系數(shù)。在得到收縮率數(shù)值之后,就可以在MagicsRP工具當(dāng)中及時(shí)縮放零件,從而將蠟?zāi)ふ{(diào)整到合理的尺寸,從而得到一個(gè)尺寸合理的鑄件毛坯。在12.5小時(shí)的加工之后,即可生產(chǎn)出以PS粉為主材料的榮建原型,但是還需要將該模型進(jìn)行處理之后才能開始投入使用:第一,可將鑄件原型浸泡到中溫蠟液當(dāng)中,讓其表面附著一層較薄的石蠟,在冷卻之后重新進(jìn)行浸入;第二,對冷卻完畢后的原型表面進(jìn)行打磨,以控制鑄件表面的粗糙度。
依照既定的鑄造工藝方案來讓蠟件和澆注系統(tǒng)進(jìn)行連接。快速成型機(jī)制對于蠟?zāi)ば螤畹囊髽O高,要求其無形變且尺寸精準(zhǔn),經(jīng)由精整處理,來提高表面光潔度,之后即可進(jìn)行組焊和制殼、脫蠟工序。在澆注的過程中,為了提高粘接的牢固度,需要采用性能與其類似的中溫蠟,從而適應(yīng)制殼強(qiáng)度的需要,并按照熔模鑄造工藝來選取尺寸。所以組焊工藝也和傳統(tǒng)蠟?zāi)び休^多的相似之處,需要保持其內(nèi)澆口長度和間距,并保證模殼放置穩(wěn)固,這樣才能給冒口收縮帶來便利。
經(jīng)由快速成型技術(shù)所制作的蠟?zāi)ぞ哂辛己玫耐繏煨阅?,可以利用原有的工藝來進(jìn)行涂料的配置,并且黏漿與撒砂的制備也可以用此工藝完成。一般來說,主要采用的粘結(jié)劑是硅溶膠、硅酸乙酯,用鋯砂粉作為面層耐火材料,煤矸石粉可用于背層。但是由于應(yīng)用的燒結(jié)粉材料具有極高的熔化溫度,缺乏流動(dòng)性,所無法應(yīng)用蒸汽脫蠟的方式來去除型殼中的原殼,但是可以基于純氧的環(huán)境之下應(yīng)用高溫灼燒的形式來去除蠟?zāi)#部梢栽陂_放大氣環(huán)境下來進(jìn)行焙燒。如果直接應(yīng)用高溫來進(jìn)行焙燒,則很容易由于型殼漲裂,因而制殼可采用如下工藝:首先,應(yīng)用水玻璃來進(jìn)行5層制殼;其次,制定脫蠟工藝參數(shù),溫度170℃,壓力0.7MPa;再次,緩慢提升焙燒溫度,控制在850℃左右;最后將內(nèi)部殘留清除。最終得到鑄件。最終成品如圖4所示。
圖4 成品示意圖
應(yīng)用鑄件模擬系統(tǒng)軟件可以對工藝設(shè)計(jì)中可能存在的問題進(jìn)行有效預(yù)測,進(jìn)而確定鑄件可能存在的中缺陷和不足,基于模擬結(jié)果,有針對性地進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化,這樣就能實(shí)現(xiàn)鑄造工藝的提升。在鑄件模擬軟件當(dāng)中,需要對其澆注溫度、時(shí)間來進(jìn)行調(diào)整,并改進(jìn)鑄型材料和澆口棒,之后再經(jīng)過多次模擬,來確定實(shí)際加工效果,最終達(dá)到消除鑄造缺陷的目的??偨Y(jié)起來,3D打印技術(shù)可以讓企業(yè)更快具備各種尺寸、復(fù)雜精密鑄件的能力,該技術(shù)的運(yùn)用可樣有效控制外協(xié)費(fèi)用,降低成本,同時(shí)也可以做到不用模具來制造單件或者小批量的精密鑄件,讓模具加工費(fèi)得到了進(jìn)一步降低。
由于受到了研發(fā)意識(shí)的影響,同時(shí)使用者對于產(chǎn)品的性能和功能都有了更高的要求,傳統(tǒng)鑄造工藝已經(jīng)越來越無法滿足人們的使用需求了,因而3D打印技術(shù)得到了推廣和應(yīng)用, 現(xiàn)在已經(jīng)逐漸成為提高高端鑄件競爭力的重要技術(shù)保障。然而由于我國3D打印技術(shù)發(fā)展時(shí)間尚短,例如原始設(shè)計(jì)和開發(fā)能力相對于西方發(fā)達(dá)國家都已經(jīng)較為落后,因而需要及時(shí)對技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新,從而實(shí)現(xiàn)公益進(jìn)步,將傳統(tǒng)鑄造技術(shù)和3D打印技術(shù)結(jié)合起來,掌握先進(jìn)工藝,這樣才能推進(jìn)我國鑄造業(yè)在新時(shí)代的轉(zhuǎn)型和升級(jí)。