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80 年代末傭年代初基于材料逐層堆積進行零件加工的一種先進制造技術(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、制作過程與零件的復雜程度無關(guān)、生產(chǎn)加工過程數(shù)字化、生產(chǎn)過程綠色環(huán)保等特點，因此在工業(yè)造型、汽車、航空航天、電子產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品造型評估、產(chǎn)品性能測試、快速制模、產(chǎn)品零件的快速直接

2、制造等。利用三維實體造型進行即制造的工作流程如圖1 所示。    圖2 所示于機外殼是較典型的薄壁鑄件，其平均壁厚為1. 65 mm 。文獻2對該鎂合金于機外殼的壓鑄模具設(shè)計做了研究，模具澆注系統(tǒng)采用錐形雙切向澆注系統(tǒng)。圖3 是設(shè)計的壓鑄模具裝配圖。本文以該模具的動、定模鑲塊為例研究其快速成型制造工藝。1 成型工藝SLS 成型機理是利用激光束對高分子材料、金屬或者陶瓷材料進行掃描，使粉末材料瞬間熔融實現(xiàn)粘結(jié)，逐層燒結(jié)直至最終完成整個零件的加工。SIS成型工藝主要包括材料種類、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，使用的材料為聚苯乙烯(PS) 粉末，材料的主要性能指標見表1 。激光器類型為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，并對三維實體模型進行網(wǎng)格劃分。試驗中所用定模鑲塊和動模鑲塊的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度并使2 個方向的掃描路徑長度相近。掃描路徑太長，掃描時間變長，燒結(jié)深度變大，一個方向的掃描路徑太長，制件在該方向上容易開裂。    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方向掃描路徑長且2 個方向上激光掃描路徑相差較大的缺點，制備的制件容易開裂;圖d) 所示的擺放方式2 個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裂問題。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)強度。激光功率高，制件燒結(jié)強度高，零件外形尺寸和壁厚變大;激光功率低，燒結(jié)強度低，但是尺寸精度較好。因此在滿足制件強度的條件下，應(yīng)盡量降低激光頻率以提高尺寸精度。針對本試件的結(jié)構(gòu)特點，試驗中確定激光頻率為12.5 kW。1.4 溫度溫度參數(shù)包括待鋪粉的預熱溫度、成型室溫度等。對粉末材料進行預熱，可以

5、減少燒結(jié)成型時工件內(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 成型機而言，加工用粉末材料的預熱是通過設(shè)置成型室溫度的方式來實現(xiàn)的。成型室的溫度設(shè)置主要考慮成型層的冷卻情況。一般來說，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)，試驗中成型室溫度確定為65。1. 5 掃描速度 在激光功率不變時，掃描速度會影響激光對粉末的加熱溫度和時間，最終影響燒結(jié)厚度。掃描速度低，會提高制件的強度，但會降低生產(chǎn)效率;掃描速度設(shè)置較大，則不能保證粉末完全燒結(jié)，制件的強度低甚至無法成型。掃描速度的設(shè)置應(yīng)當考慮激光功

6、率、成型室溫度、層厚等因素。當激光功率為12.5 kW 時，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。最終試驗采用圖6 所示的工藝參數(shù)。2 結(jié)果及分析對制件進行分析可以看出: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;通過在溢流槽上增設(shè)推桿，避免了在鑄件表面和基準表面設(shè)置推桿;同時溢流槽的設(shè)置也較為合理。3 結(jié)語選擇適當?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)