基于 3D 打印的泵殼快速鑄造方法
2023-5-9 來源： 北京浩鵬科技有限公司技術中心 作者： 武志良
摘要 : 傳統的砂型鑄造工藝在鑄件生產時，首先需要制作模具，存在周期長、費用高等問題，不能完全滿足新產品研發的周期要求。采用 3D打印砂型或者砂芯，一方面減少對技術工人的依賴，增強了產品品質。另一方面速度快，縮短了交貨期。最后，為產品設計的靈活性提供了保障，3D 打印能夠及時應對設計變更，提升產品研發的驗證效率。
1.引言
本文主要介紹了三維鑄造工藝設計、砂型3D 打印技術、光學三維掃描技術在小批量鑄件開發中的應用，結合泵殼的制造過程，比較了3D 打印砂型和傳統鑄造工藝的特點，結果表明，采用砂型 3D 打印的數字化鑄造技術，能夠明顯縮短交貨期、降低產品研發成本，而且精度高，工藝性能穩定。
3DP 砂型 3D 打印的原理 : 將樹脂砂鋪在 3D打印平臺上，用刮板機刮平，層厚大約在 0.28-0.5mm。打印頭根據三維模型的二維切片生成的路徑噴射呋喃樹脂膠，將樹脂砂粘接在一起，然后如此往復，完成整個三維模型的打印。3DP 打印砂型的優點就是成本低，效率高，力學性能好。
通過比較 3DP 砂型打印快速鑄造和傳統鑄造工藝流程不難看出，3D打印砂型快速鑄造實現了無模制造，節省了模具設計、制造、造型、制芯等工序，同時 3D 打印砂型精度高，質量穩定，節約生產制造周期。
2. 鑄造工藝設計
在砂型和砂芯 3D 打印之前，需要在產品三維數模上進行工藝設計，包括預留加工余量、澆鑄系統設計，必要時進行鑄造仿真模擬，及時發現鑄造缺陷。
（1）添加加工余量
某水泵殼體，材質為 HT200，考慮到鑄件在凝固過程中有收縮，所以需要對產品數模進行一定比例的放大，灰鐵的收縮率為 1%。在 UGNX11 軟件中，比例因子選擇 1.01。見圖 1。
圖 1 圖 2
然后需要根據二維圖紙，對安裝面增加加工余量，目的是保證成品的尺寸公差。加工余量的大小對產品質量和生產效率有很大影響，加工余量過大，不僅增加機械加工的工作量，增加能源消耗，也降低了生產效率。而加工余量過小，機械加工無法加工掉鑄造缺陷，也無法補償加工過程中產生的裝夾誤差，從而產生廢品。所以我們參考砂型鑄造的精度，加工余量增加 5mm。見圖 2。
（2）澆鑄系統設計
澆鑄系統是鑄型中液態金屬流入型腔通道的總稱，澆鑄系統的設計主要考慮金屬液流動的速度和方向平穩、連續、均勻，不沖擊砂芯和型壁，不產生飛濺和渦流，不卷入氣體。澆鑄系統要結構簡單，不影響鑄件的外觀。對于案例中的殼體設計澆鑄系統采用收縮式，也就是直澆道的橫截面大于橫澆道的橫截面，也大于內澆道的橫截面。見圖 3。
圖 3 圖 4
3. 砂型（芯）設計與 3D 打印
我們采用 UG NX 11 軟件，對三維數模進行砂型和砂芯分模設計，需要考慮產品結構、3D打印設備的打印范圍等因素。對于本次殼體的砂芯和砂型設計，考慮到尺寸最大是 200mm。一次成型兩件也在 3D 打印設備范圍內，所以砂型和砂芯采用整體打印。分上下兩部分合模，方便清理澆道內多余的砂子。
打印砂型的精度是 ±0.5mm，3D 打印砂型的材料是呋喃樹脂自硬砂，砂子粒度為 70 目。3D 打印設備成型尺寸為 2000mm×1000mm×800mm，砂型的抗拉強度在 1.4-1.9MPA，發氣量 12-15ML/g。要打印的砂型和砂芯。見圖 4。
4.合型、澆鑄
砂型打印完成之后，清理表面的浮砂，然后合型，圍箱澆鑄。澆鑄重量 10kg，澆鑄溫度為 :1370-1380℃。澆鑄完成后，冷卻 12 小時，然后敲掉砂型和砂芯，做拋丸處理，并打磨掉澆鑄口，檢查鑄件有無氣孔、砂眼、夾渣、縮孔、縮松、裂紋等鑄造缺陷。最后對配合面進行數控加工，確保尺寸公差在要求范圍內。見圖 5。
圖 5 圖 6
5. 尺寸檢測
尺寸檢測的方式很多，可以采用三坐標、二次元、光學三維掃描儀等。其中光學三維掃描儀具有精度高、操作方便等優點，而且是全尺寸檢測，所以廣受歡迎。光學三維掃描屬于非接觸式掃描，可以對柔軟、易碎的物體進行測量，其缺點是很難掃描高反光、高透光的表面，而且掃描后的點云質量一般，需要噴顯像劑才能提高掃描的點云質量。光學掃描儀根據光源的不同，分為白光、藍光、激光等不同的類型。
白光和藍光都屬于結構光，適合掃描小件，精度高，但是使用不如激光掃描儀方便。激光三維掃描儀在中大型產品的掃描上比較出色。對于本次泵殼的尺寸檢測，采用藍光三維掃描。因為產品小，精度要求高。藍光三維掃描儀的設備參數見下表。
將數控加工后的泵殼進行 3D 掃描，獲取點云數據，在 Geomagic Qualify 軟件中，將產品的 3D 數模和點云數據導入，根據基準進行對齊，做 3D 尺寸比較。最后得到全尺寸的檢測報告。見圖 6。
6. 結論
本文介紹通過砂型 3D 打印技術在快速鑄造方面的應用，將泵殼的開發周期從 2 個月降到 20天內，縮短了接近 70%。同時因為減少了模具設計、開發、制造等工序，降低了成本。最后，砂型 3D 打印快速鑄造的工藝減少了砂芯的數量，也就減少了組芯的誤差，能有效保證鑄件的精度，適合在新品開發中推廣應用。
投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關信息
