薄壁铸件压铸模具的快速成型工艺分析

优胜编程龚老师

薄壁铸件压铸模具的快速成型工艺分析:

快速成型(Rapid Prototyping , RP) 技术是20 世纪80 年代末佣年代初基于材料逐层堆积进行零件加工的一种先进制造技术。目前比较成熟的方法有立体光刻成型(SLA) 、分层实体造型(LOM) 、熔丝沉积造型(FDM) 、三维喷涂粘接(3DP) 和选择性激光烧结成型( SLS) 等。由于快速成型具有成型速度快、制作过程与零件的复杂程度无关、生产加工过程数字化、生产过程绿色环保等特点，因此在工业造型、汽车、航空航天、电子产品、医学、建筑等领域广泛应用于工业产品造型评估、产品性能测试、快速制模、产品零件的快速直接制造等。利用三维实体造型进行即制造的工作流程如图1 所示。



图2 所示于机外壳是较典型的薄壁铸件，其平均壁厚为1. 65 mm 。文献[2]对该镁合金于机外壳的压铸模具设计做了研究，模具浇注系统采用锥形双切向浇注系统。



图3 是设计的压铸模具装配图。本文以该模具的动、定模镶块为例研究其快速成型制造工艺。


1 成型工艺


SLS 成型机理是利用激光束对高分子材料、金属或者陶瓷材料进行扫描，使粉末材料瞬间熔融实现粘结，逐层烧结直至最终完成整个零件的加工。SIS成型工艺主要包括材料种类、零件摆放方式、温度、激光功率、扫描速度、扫描间距、层厚等。本文选用华中数控HRPIIIA 型激光快速成型机，使用的材料为聚苯乙烯(PS) 粉末，材料的主要性能指标见表1 。激光器类型为CO2 射频激光器，最大功率50 kW 。


1.1 STL 文件的生成


调用Pro/Engineer软件中所带的STL 文件生成格式模块，将三维CAD 模型转换成STL 格式，并对三维实体模型进行网格划分。试验中所用定模镶块和动模镶块的STL 网格划分如图4 所示。




1.2 零件摆放方式


零件摆放的基本原则是:尽量缩短某一方向上扫描路径的长度并使2 个方向的扫描路径长度相近。扫描路径太长，扫描时间变长，烧结深度变大，一个方向的扫描路径太长，制件在该方向上容易开裂。

图5 是定模镶块的4 种摆放方式，图a )，b），c) 所示的摆放方式都存在某个方向扫描路径长且2 个方向上激光扫描路径相差较大的缺点，制备的制件容易开裂;图d) 所示的摆放方式2 个方向上的激光扫描路径相近且较短，因此能够很好地解决零件开裂问题。



1.3 激光功率


激光功率的高低影响工件的尺寸精度和烧结强度。激光功率高，制件烧结强度高，零件外形尺寸和壁厚变大;激光功率低，烧结强度低，但是尺寸精度较好。因此在满足制件强度的条件下，应尽量降低激光频率以提高尺寸精度。针对本试件的结构特点，试验中确定激光频率为12.5 kW。


1.4 温度


温度参数包括待铺粉的预热温度、成型室温度等。对粉末材料进行预热，可以减少烧结成型时工件内部产生的热应力，防止其出现翘曲和变形，提高成型精度。就HRPIIIA 成型机而言，加工用粉末材料的预热是通过设置成型室温度的方式来实现的。成型室的温度设置主要考虑成型层的冷却情况。一般来说，成型室的温度要低于粉末材料的软化温度，在不发生翘曲和变形的情况下低些为宜。由于聚苯乙烯材料的软化温度在70 -98℃:内，试验中成型室温度确定为65℃。


1. 5 扫描速度


在激光功率不变时，扫描速度会影响激光对粉末的加热温度和时间，最终影响烧结厚度。扫描速度低，会提高制件的强度，但会降低生产效率;扫描速度设置较大，则不能保证粉末完全烧结，制件的强度低甚至无法成型。扫描速度的设置应当考虑激光功率、成型室温度、层厚等因素。当激光功率为12.5 kW 时，调节激光扫描间距、激光烧结层厚、制件摆放角度等工艺参数，观察各工艺参数组合下烧结件的表面粗糙情况。最终试验采用图6 所示的工艺参数。


2 结果及分析


对制件进行分析可以看出:分型面的选择较为合理，能使模具具有良好的溢流排气条件，且设置在金属液最后填充的部位;采用锥形双切向浇注系统可以最大限度地减少浇注过程中金属液的流程，有利于薄壁压铸件的生产;推杆的分布合理，使铸件各部位的受推压力均衡;通过在溢流槽上增设推杆，避免了在铸件表面和基准表面设置推杆;同时溢流槽的设置也较为合理。


3 结语


选择适当的成型工艺是SLS的关键，合适的成型工艺可以保证薄壁铸件快速成型件的加工精度和表面质量。在激光功率为12.5 kW 、扫描速度为2000 mm/ s 、烧结间距0.1 mm 、单层烧结厚度0.2 mm 、成型室温度为65 ℃的试验条件下，所得SLS 制件质量较好，能够很好地体现模具设计的设计思路。本文所提供的有关参数，可供同类零件快速成型制造时参考。