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大唐盛世:基于砂型3D打印技术的铝合金异形联通管铸造实践

发表时间: 2023-02-04 15:12:19

作者: 大唐盛世金属3D打印

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导读

  针对铝合金异形联通管难分型,砂芯难设计制造的特点,采用砂型3D打印技术铸造工艺方案设计,实现快速无模制造。采用这种砂型3D打印技术可以实现快速无模生产,能提高尺寸精度,缩短生产周期,降低新产品开发费用,为类似零件成形提供参考依据。

关键词:砂型3D打印技术;铝合金异形联通管;砂芯设计


  对于一些单件、小批量铸件的生产,采用传统铸造方法,需要制造多套模具,存在制造周期长,研发成本高等问题。砂型3D打印技术相对于传统砂型铸造,其无需制作木模、模样等,具有响应速度快、周期短、灵活性高、稳定性好、砂芯一体化制造及可制造出任意复杂形状等特点,特别适合单件、小批量铸件生产试制,具有广阔的应用前景。复杂管类铸件在发动机中的应用非常广泛,在传统发动机新品开发中,常采用木模完成生产试制,但是尺寸精度低,外观品质差。本课题将砂型3D打印技术应用在复杂管类铸件试制生产中,讨论尺寸精度高的复杂管类零件生产的可行性。

  图1为某公司新品开发设计的铝合金异形联通管,该异形联通管是复杂管类配件,具有双通道,形状怪异,管内双通道是三维空间弯曲管类形状,呈不同角度扭曲。试制前期主要采用砂型铸造,木模设计加工困难,分型复杂,采用多个辅助砂芯,砂芯制作需要多种侧抽活块完成,试制件尺寸精度差,表面分型线多,各种因拔模斜度造成的多肉或缺肉造成铸件外观达不到要求,因此砂型铸造很难成形。为此,采用砂型3D打印技术铸造工艺方案设计,实现快速无模制造,成功实现新品试制生产。

图1  异形联通管

1  铸造工艺方案

  异形联通管该铸件材质为ZL104合金,轮廓尺寸为340.0 mm×330.0 mm×225.0 mm,质量约为1.7 kg,壁厚***厚为14 mm,***薄为4 mm,未注壁厚为5±0.5 mm,铸件应无气孔、夹砂、结疤、裂纹等缺陷。该产品结构外型有多处筋条,随型管内通道空间扭曲,分型面为复杂空间曲面,需要多个辅助砂芯,铸造工艺设计困难,是一种结构复杂的管类零件。

  采用砂型3D打印技术复合铸造工艺方案,由于无需考虑砂芯制作的脱模问题,铸造工艺方案的设计主要考虑的是砂型3D打印制作后的清砂操作以及砂芯组芯过程干涉问题。铸件采用平卧的浇注方案,分型面的设计采用复杂的曲面分型,见图2。砂芯工艺方案为全组芯式树脂砂芯铸造方案,全部砂芯采用砂型3D打印制作,见图3。

图2  分型面方案

(a)砂芯方案

(b)砂芯装配图

图3   全组芯式树脂砂芯方案

  图3为全组芯式树脂砂芯铸造方案。该方案需要5个砂芯,砂芯的设计上与传统有模砂芯类似,设计有抬手位,砂芯排气孔,定位芯头等。考虑到砂型装配过程中产生的误差,采用整体结构可以提高砂芯的尺寸精度和强度。另一方面,考虑到在砂芯的清理、表面涂刷涂料、组芯等操作便利,局部设计在必要时需进行一定的分块[4]。该方案砂芯组配合间隙值设计为0.3 mm,涂料层厚度预涂为0.2 mm,砂型成型面涂刷水基涂料。

  砂芯制作时表层会有大量的浮砂,需要特别注意的就是砂芯的清理,要保证将砂芯的内腔每个角落清理干净,不能有浮砂。在分型分芯设计时,要避免出现清砂死角。为了保证浇注系统内浇道及横浇道的清砂及涂料的涂敷,该砂芯方案将下砂型分为两个砂芯,内浇道设计采用扁平结构。分型面采用随型曲面分型,***限度的减少倒扣形状产生,使得形状面尽可能的展露出来,避免出现清砂死角,有利于使用气枪吹除和刷子清理浮砂,保障清理效果,同时方便砂芯的组芯操作。

2 生产实践

2.1砂芯的制作

  异形联通管砂芯采用国产砂型打印设备制造,打印材料选用100/140目大林焙烧砂,粘结剂、固化剂选用国产辅材,打印铺砂层厚0.4 mm,打印篇幅500 mm×500 mm×500 mm。打印完毕后,取出砂芯用0.6 MPa 压缩空气清除表面浮砂。采用FAS201水基涂料涂刷,涂层厚度控制在0.2~0.3 mm之间,涂刷完毕将砂芯安放在平整度好的托板上,避免烘干后砂芯变形,烘干温度为120 ℃,烘干时间为3 h。

2.2砂芯缺陷

  异形联通管砂芯3D打印过程中出现断芯问题。是上型芯在烘烤完成后出现断裂,砂芯断开分型线呈直线形状,砂芯被平整的割开,断面大且平整。断裂的原因主要是砂芯的强度低,砂芯强度由砂芯结构、砂芯粘接技术、制芯工艺决定。粘接剂喷墨截面打印效果,粘结固化强度与砂芯粘接质量有直接关系。图4为断裂砂芯分层的喷墨截面图。可以看出,截面中有一条条空白条纹,是造成砂芯断裂的主要因素。这种空白条纹的产生原因是由于打印喷墨头不能及时得到有效清理,随着打印喷墨头的使用时间而逐渐恶化,到一定程度甚至会发生喷墨孔堵塞,导致打印过程有局部位置无法喷射粘结剂而产生空白条纹。砂芯在打印过程中可以分为若干层,每层都在相同的位置出现空白条纹,如果不及时解决,层层叠加,就会累积形成空白断面。这些空白断面处的砂粒在打印初期因为没有粘结剂不能发生固化反应,随着打印时间的继续,周围的粘结剂会不断的往空白断面处扩散渗透,空白断面会发生固化反应,但是因为渗透的粘结剂的量不多,粘结固化的效果达不到强度的要求,所以强度很低,是整个砂芯薄弱的地方。消除空白条纹的办法是定期清洁喷墨孔,通过压墨,用清洗剂清洗喷墨头等方式,使喷墨孔不堵塞,提高打印质量。

图5   3D打印固化的砂芯

(a)烘干后的砂芯

(b)砂芯装配

图6  砂芯组

2.4铸件加工验证

■  浇注好的铝合金铸件进行去浇冒口、打磨、热处理后见图7,外观洁净,表面粗糙度小,表面分型线少,铸件毛坯采用平台划线,管壁卡规测量,产品尺寸达到铸件要求。

图7  合格铸件

3 结论

(1)对于铝合金异形联通管类铸件,采用砂型3D打印技术铸造工艺方案设计,能实现快速无模制造。

(2)砂芯方案的设计及3D打印砂芯的质量是保证快速制造的关键。

(3)采用随型曲面分型,***限度的减少倒扣形状产生,有利于砂芯的清理及组芯操作。

(4)通过定期清洁喷墨孔,压墨,用清洗剂清洗喷墨盒等方式,保证喷墨孔不堵塞,消除3D打印空白条纹能提高砂芯强度,防止砂芯断裂。

引用格式:黄耀光.基于砂型3D打印技术的铝合金异形联通管铸造实践[J].特种铸造及有色合金,2021,41(5):611-613.

编辑:江姗

审核:刘晨辉

END


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