姜耀林，邵中魁，郭 嘉

(浙江省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311305)

0 引言

熔模精密鑄造是鑄造行業(yè)中一項(xiàng)優(yōu)異的新技術(shù)，是一種新的近凈成形先進(jìn)工藝，它獲得的產(chǎn)品精密、復(fù)雜，接近于零件最后形狀，可不加工或很少加工就直接使用，其應(yīng)用非常廣泛[1]。但是，傳統(tǒng)熔模精密鑄造方法需要通過模具或者機(jī)加工來制造熔模，生產(chǎn)工藝復(fù)雜、開發(fā)周期長(zhǎng)、制造成本高、制造精度不易控制，尤其是對(duì)于一些形狀復(fù)雜零件的熔模制作異常困難，需耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜精密鑄件的快速制造，直接影響產(chǎn)品開發(fā)效率，無法適應(yīng)快速多變的市場(chǎng)需求。因此，迫切需要尋找一種快速準(zhǔn)確的制作熔模的方法，來替代目前傳統(tǒng)的熔模制作方式。

3D打印技術(shù)是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù)，被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”[2]。3D打印技術(shù)的制造原理是基于“增材制造”的思想[3]，即在計(jì)算機(jī)控制下，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，分層處理后運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式，將“打印材料”一層層疊加起來，最終完成零件的成形與制造[4,5]。3D 打印與傳統(tǒng)的加工工藝通過切削、打磨、沖壓等來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品成型的過程具有本質(zhì)區(qū)別，僅利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在一臺(tái)設(shè)備上即可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，且無需模具，產(chǎn)生極少的廢料，有效縮短了加工周期，易于實(shí)現(xiàn)單件小批量復(fù)雜形狀產(chǎn)品的快速制造，在非批量化生產(chǎn)中具有明顯的成本和效率優(yōu)勢(shì)[6]。

本文以具有典型復(fù)雜型面的離心泵葉輪為應(yīng)用范例，研究一種基于3D打印技術(shù)的快速精鑄工藝，主要技術(shù)路線如圖1所示：首先基于Pro/E軟件建立離心泵葉輪的三維模型并進(jìn)行CAD優(yōu)化設(shè)計(jì)，再基于RPData軟件對(duì)葉輪模型進(jìn)行前處理，然后通過3D打印機(jī)加工出葉輪樹脂原型并進(jìn)行后處理，最后以此葉輪樹脂原型為熔模進(jìn)行熔模精密鑄造，最終得到離心泵葉輪精密金屬零件。

圖1 本文主要技術(shù)路線

本文研究的基于3D打印技術(shù)的快速精鑄工藝通過3D打印機(jī)直接制作任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度樹脂熔模，與傳統(tǒng)鑄造方法相比省去了模具加工制造的環(huán)節(jié)，有效縮短產(chǎn)品開發(fā)制造時(shí)間，減小生產(chǎn)成本，可以快速、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的熔模精密鑄造，特別適合于復(fù)雜形狀零件的單件、高精度生產(chǎn)制造領(lǐng)域，具有良好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。

1 光固化快速成型原理

光固化快速成型技術(shù)是目前加工精度最高的一種3D打印技術(shù)，它的成型原理為：以液態(tài)光敏樹脂為加工材料，計(jì)算機(jī)控制紫外激光束按加工零件的分層截面信息逐層對(duì)光敏樹脂進(jìn)行掃描，使其產(chǎn)生光聚合反應(yīng)[7]，每次固化形成零件的一個(gè)薄層截面；每一層固化完畢之后，工作平臺(tái)移動(dòng)一個(gè)層厚的高度，然后在原先固化好的樹脂表面再涂敷一層新的液態(tài)樹脂，以便進(jìn)行下一層掃描固化；新固化的一層牢固的粘合在前一層上，如此重復(fù)直至零件原型制造完畢。具體的光固化3D打印成形過程如圖2所示。

圖2 光固化3D打印成形過程

2 葉輪模型CAD優(yōu)化設(shè)計(jì)

首先利用Pro/E軟件建立離心泵葉輪的三維模型，如圖3、圖4所示。由圖可知，該離心泵葉輪主要由葉片、后蓋板、澆冒口等三部分結(jié)構(gòu)組成，且葉輪結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，尤其是離心泵葉片在徑向與軸向雙重扭曲，采用傳統(tǒng)方法制造葉輪模型將會(huì)存在很大的困難，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以脫模，且難以保證制造精度。而3D打印技術(shù)的分層制造特性決定了其制造過程與零件形狀復(fù)雜程度無關(guān)，因此，本研究采用3D打印技術(shù)制造葉輪熔模將極大地提高生產(chǎn)效率，降低制造成本。

圖3 離心泵葉輪三維模型

圖4 離心泵葉輪模型剖視圖

因?yàn)榻饘勹T造零件不可避免地存在收縮現(xiàn)象，需對(duì)葉輪模型進(jìn)行預(yù)縮放處理。綜合考慮葉輪材料（普通碳鋼）及后續(xù)實(shí)際精鑄工藝，確定葉輪鑄造過程中的收縮率，據(jù)此預(yù)先將葉輪三維模型按一定的尺寸比例進(jìn)行放大。

為了節(jié)約材料，提高打印速度，對(duì)葉輪模型進(jìn)行抽殼優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖5所示為在Pro/E軟件中利用混合掃描的方法對(duì)離心泵葉輪模型進(jìn)行抽殼優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖6所示為抽殼優(yōu)化后的葉輪模型，其中抽殼壁厚為0.8mm。

圖5 混合掃描

圖6 抽殼優(yōu)化后葉輪模型

3 葉輪模型3D打印成形

將完成優(yōu)化設(shè)計(jì)后的葉輪模型導(dǎo)入RPData軟件進(jìn)行前處理，選擇成形方向并設(shè)計(jì)輔助支撐，完成前處理后的葉輪如圖7所示。

圖7 完成前處理后的葉輪模型

圖8 葉輪模型打印成形過程

將葉輪模型分層處理，分層厚度0.1mm，分層后轉(zhuǎn)換成激光快速成型機(jī)可以識(shí)別的數(shù)據(jù)格式并導(dǎo)入3D打印機(jī)，然后在RpBuild工藝控制軟件中設(shè)置好工藝參數(shù)后開始直接打印成形。圖8所示為葉輪模型打印成形過程。圖9所示為打印成形后的帶支撐的樹脂葉輪。

圖9 樹脂葉輪打印成形

為提高原型件的尺寸精度、強(qiáng)度、硬度、表面質(zhì)量等性能，將打印完成后的葉輪樹脂模型依次進(jìn)行清洗、去除支撐、后固化、表面打磨等后處理工作。圖10所示為對(duì)去除支撐后的葉輪樹脂模型進(jìn)行后固化處理。圖11所示為后處理完成后的葉輪整體樹脂模型。

圖10 葉輪樹脂模型后固化處理圖

圖11 經(jīng)后處理的葉輪樹脂模型

4 熔模精密鑄造實(shí)驗(yàn)

最后將此葉輪樹脂模型作為熔模進(jìn)行熔模精密鑄造。首先在葉輪樹脂模型表面粘制蠟澆鑄系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行掛漿撒砂制殼，每掛一次漿對(duì)應(yīng)地撒一層砂，等前一層型殼干燥硬化后再次掛漿撒砂制下一層型殼，且除首次掛漿后撒鋯英砂外后面每次撒砂都撒莫來砂。如此重復(fù)進(jìn)行5次掛漿并撒砂過程，然后再封漿處理，待其干燥硬化后型殼制作完成[8]，如圖12所示。

圖12 制作完成后的整體型殼

圖13 高溫焙燒爐

將型殼整體放入高溫焙燒爐里高溫脫樹脂，如圖13所示。高溫焙燒時(shí)間約為1小時(shí)。等焙燒完畢后，型殼內(nèi)部樹脂葉輪消失，型殼內(nèi)部完全為中空結(jié)構(gòu)，直接往型殼內(nèi)部澆鑄熔融金屬液，如圖14所示。

圖14 澆鑄熔融金屬

圖15 冷卻金屬葉輪鑄件

冷卻后的金屬葉輪鑄件如圖15所示。由圖可見，冷卻后的金屬葉輪外部包覆著一層厚厚的型殼。

因?yàn)榘苍阼T件表面的型殼強(qiáng)度較高，采用手工方法難以去除堅(jiān)硬型殼，在此本文采用震動(dòng)脫殼的方法去除型殼。將冷卻后的金屬鑄件放置到震動(dòng)脫殼機(jī)上進(jìn)行震動(dòng)脫殼，如圖16所示。

圖16 震動(dòng)脫殼

圖17 脫殼后的鑄件正面

震動(dòng)脫殼工序完成后鑄件表面的型殼被基本清除干凈，但鑄件表面還殘留有少量難以去除的型殼，如圖17所示。

采用火焰切割機(jī)將金屬葉輪與澆鑄系統(tǒng)分離，得到兩個(gè)獨(dú)立的金屬葉輪，如圖18所示。

圖18 脫殼后的鑄件正面

為了進(jìn)一步清除金屬葉輪表面殘留的型殼，并提高零件表面質(zhì)量，對(duì)兩個(gè)金屬葉輪進(jìn)行表面噴砂處理。完成噴砂處理后最終得到的兩個(gè)離心泵葉輪金屬零件如圖19所示。

圖19 離心泵葉輪金屬零件

5 葉輪鑄件精度測(cè)量

為了檢驗(yàn)本文研究的“基于3D打印技術(shù)的快速精鑄技術(shù)”具體可以達(dá)到的“尺寸精度”及“表面粗糙度”這兩項(xiàng)性能指標(biāo)，現(xiàn)對(duì)前述兩個(gè)離心泵葉輪金屬零件分別進(jìn)行尺寸精度測(cè)量及表面粗糙度測(cè)量。

首先是尺寸精度測(cè)量。選擇葉輪樹脂模型四個(gè)具有代表性且便于測(cè)量的尺寸進(jìn)行測(cè)量，尺寸測(cè)量示意圖如圖20所示。

圖20 尺寸測(cè)量示意圖

將兩個(gè)離心泵葉輪金屬零件分別編號(hào)為1號(hào)葉輪、2號(hào)葉輪，尺寸測(cè)量結(jié)果分別如表1、表2所示。在此需要說明的是，此處尺寸精度等級(jí)按國(guó)際通用的熔模鑄件尺寸公差等級(jí)計(jì)算。

表1 金屬葉輪1號(hào)尺寸測(cè)量結(jié)果

表2 金屬葉輪2號(hào)尺寸測(cè)量結(jié)果

由表1、表2可知，兩個(gè)離心泵葉輪金屬零件的絕對(duì)尺寸誤差范圍為-0.17～+0.21mm，且其尺寸精度等級(jí)都達(dá)到CT4級(jí)尺寸公差。

在完成葉輪產(chǎn)品尺寸精度檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再測(cè)量葉輪產(chǎn)品的表面粗糙度。在葉輪零件表面分別隨機(jī)選擇均勻布置的10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量。粗糙度測(cè)量結(jié)果如表3、表4所示。

由表3、表4可知，兩個(gè)離心泵葉輪金屬零件的表面粗糙度范圍為2.88um～6.00um，說明表面粗糙度可達(dá)Ra6.3um以下。

6 結(jié)論

1）本文研究了一種基于3D打印技術(shù)的離心泵葉輪快速精鑄工藝，且其主要工藝過程歸納如下：首先基于Pro/E軟件建立離心泵葉輪的三維模型并進(jìn)行模型縮放、抽殼等CAD優(yōu)化設(shè)計(jì)，再基于RPData軟件對(duì)葉輪模型進(jìn)行前處理，選擇成形方向并設(shè)計(jì)工藝支撐，然后通過3D打印機(jī)直接打印成形，得到葉輪樹脂模型，并進(jìn)行清洗、去支撐、打磨、后固化等后處理工序，最后以此葉輪樹脂模型為熔模進(jìn)行熔模精密鑄造，依次進(jìn)行制殼、焙燒、澆鑄、脫殼、打磨噴砂等工序，最終得到離心泵葉輪精密金屬零件。

表3 金屬葉輪1號(hào)表面粗糙度測(cè)量結(jié)果

表4 金屬葉輪2號(hào)表面粗糙度測(cè)量結(jié)果

2）本文研究的基于3D打印技術(shù)的離心泵葉輪快速精鑄工藝，所制造的離心泵葉輪金屬零件的尺寸精度可達(dá)CT4級(jí)，表面粗糙度可達(dá)Ra6.3um以下。

3）本文研究的基于3D打印技術(shù)的離心泵葉輪快速精鑄工藝具有很強(qiáng)的通用性，除了離心泵葉輪零件以外，該工藝也可以廣泛應(yīng)用于其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的單件、小批量快速制造，具有良好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。

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