□ 趙國(guó)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(dòng)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(guó)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),多品種小批量產(chǎn)品不斷增多,產(chǎn)品更新?lián)Q代也越來(lái)越快,這就要求企業(yè)對(duì)市場(chǎng)做出快速響應(yīng)來(lái)滿(mǎn)足客戶(hù)的個(gè)性化定制需求[1-2]。對(duì)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(jì)制造存在工序多、周期長(zhǎng)、成本高等難題,無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)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(kāi)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(lái)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(lái)已在鑄造行業(yè)得到廣泛的研究和應(yīng)用[5]。同時(shí),快速成形技術(shù)也推動(dòng)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(duì)多品種小批量鑄件快速開(kāi)發(fā)對(duì)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(duì)這一技術(shù)涉及的快速模具優(yōu)化設(shè)計(jì)、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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與快速成形計(jì)算機(jī)輔助制造相結(jié)合,可快速獲得滿(mǎn)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(jì)

模具設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型得到鑄件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)鑄造模具。由于模具采用快速成形方式制造,因此可對(duì)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(shí)起模。

基于模塊化的思路,筆者開(kāi)發(fā)的快速模具結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)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(lái)保證制造精度。對(duì)于非模樣輔助模塊,采用通用金屬裝配平臺(tái),并在適當(dāng)位置設(shè)計(jì)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(lái)快速制造模樣原型。

樹(shù)脂砂三維粘結(jié)成形的工作原理類(lèi)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(duì)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(shù)脂砂原型初始強(qiáng)度較低,無(wú)法承受造型時(shí)的壓力和振動(dòng),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(duì)上述問(wèn)題,筆者提出了一種樹(shù)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(shù)脂,待樹(shù)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(shù)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(shí),應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)確定最優(yōu)的樹(shù)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(lái)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(shù)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(chǎng)使用時(shí),應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)手段來(lái)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(chǎng)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(kāi),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(kāi)發(fā)為例,對(duì)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(jì)

以鑄件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ),根據(jù)快速成形工藝特點(diǎn),對(duì)某氣缸蓋的砂型鑄造模具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),得到圖2所示模具下模計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(mǎn)足強(qiáng)度要求的前提下,對(duì)模樣成形面的背部進(jìn)行掏空處理，來(lái)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(shù)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(jiàn)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(shù)脂砂模樣原型Z向抗拉強(qiáng)度僅為2.5 MPa,無(wú)法直接作為模具使用。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證,筆者開(kāi)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(shù)脂強(qiáng)度增強(qiáng)主要工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

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

按照表2中的環(huán)氧樹(shù)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(shí),由于砂型起模時(shí)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?jī)扇橐蕴岣邚?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(shù)脂完全固化后，得到滿(mǎn)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證,采用10～15 N·m的力矩既不會(huì)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(chǎng)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(kāi)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(gè)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(jí),可滿(mǎn)足100件以?xún)?nèi)的小

▲圖8 氣缸蓋鑄件毛坯

批量鑄件開(kāi)發(fā)對(duì)模具的要求。

以筆者開(kāi)發(fā)的某氣缸蓋砂型鑄造模具下模為例,統(tǒng)計(jì)其制造周期和成本,并與金屬模具制造進(jìn)行了比較,見(jiàn)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(yǔ)

筆者針對(duì)多品種小批量鑄件快速開(kāi)發(fā)對(duì)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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)提供有力的技術(shù)支持。同時(shí),該技術(shù)也為小批量砂型鑄造模具的開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了一條新的技術(shù)路線(xiàn),具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和良好的應(yīng)用價(jià)值。