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选择性激光烧结制作发动机缸盖

2016/9/27    来源:互联网    作者:陈婷婷  李成印  张炳荣      
关键字:选择性激光烧结技术  缸盖  尺寸验证  力学性能  
快速成型技术与铸造工艺结合可以实现铸件的快速成形。论述选择性激光烧结技术的原理与优势,并利用该技术与重力浇铸结合制作铝合金发动机缸盖样件。通过对缸盖的尺寸验证和力学性能测定,发现该工艺满足缸盖的生产要求,可以实现发动机缸盖的快速成形。

    随着科技的发展和环境保护意识的增强,铸件省力化、轻量化已成为铸造技术发展的主攻方向。缸盖作为发动机的核心部位,其壁厚较薄(最小壁厚为3mm),内部结构精细、外部形状复杂,内外表面质量要求较高。在新产品开发中,缸盖铸件需要多次试制和反复改进,因此采取合适的铸造工艺对缸盖的生产至关重要。传统的铸造工艺很难满足缸盖的以上要求,而选择性激光烧结覆膜砂可以直接成形任意复杂的砂(芯)型,该技术成本低,可灵活修改模型,且生产周期短,尤其对于缸盖这种内腔流道特别复杂的铸件有着其它方法无法比拟的优势。

1 选择性激光烧结技术

1.1 选择性激光烧结技术原理

    选择性激光烧结技术(SLS)是一种重要的快速原型技术。该技术利用激光逐层有选择性地烧结固体粉末,叠加生成三维实体零件的快速成形方法。SLS技术集CAD技术、数控技术激光加工技术和材料科学技术于一体,用增材法快速成形,不同于传统加工的材料去除法或变形成形法,它采用HRPS-V快速成型系统,该系统的技术原理如图l所示:

图1 选择性激光烧结技术原理图

图1 选择性激光烧结技术原理图

    先由三维软件导出几何模型的STL文件,然后用PowerRP软件接收、读取文件,设置烧结参数后,该软件会自动对三维图形进行数据处理:分层切片软件沿成形高度方向,每隔一定间隔进行切片处理,得到每层截面的轮廓,形成加工路径。激光在计算机的控制下按照加工路径有选择性地扫描,被扫描到的覆膜砂表面树脂熔化并粘结在一起,未被扫描到的覆膜砂仍保持粉末状。当一层截面烧结完成后,工作缸下降一个层厚,此时铺粉辊在已成形的表面铺设已经预热的新粉,激光束再次进行扫描烧结新一层截面,如此逐层堆积形成三维实体。当实体全部烧结完成且冷却后,将其用托盘取出、清除砂芯表面的浮砂。烧结成型的砂芯强度较低,不能直接组芯用于浇注,需将其放人烘干箱中高温固化,在提高砂芯强度的同时利用高温熔化表面和内部的树脂,减少砂型的发气量,改善浇铸过程中的气孔缺陷。

1.2 选择性激光烧结技术的特点

    选择性激光烧结技术具有三个方面的特点。一是选择性激光烧结快速成型的砂芯可直接用于组芯、浇铸得到金属零件。这种快速成型工艺无须开发模具,大大缩短了毛坯样件的制备周期和成本。二是成型过程不受零件复杂程度的限制,是真正意义上的的自由成型。由于选择性激光烧结技术采用叠加造型原理,而且烧结过程中未烧结的粉末形成天然支架,因此选择性激光烧结技术几乎可以成型任意复杂的零件。在扫描过程中,工作缸内未被扫描烧结的粉末可重复使用,不会造成材料的浪费。三是该技术的生产周期短,,从三维模型的设计到零件的加工完成只需几小时到几十小时,整个生产过程数字化,可以随时修改、随时制造,特别适合于新产品的开发或单件、小批量零件的生产。

1.3 选择性激光烧结砂芯支撑结构设计

    虽然SLS技术以粉床上未烧结的粉末作为天然支架,具有一定的支撑性,但对于具有复杂底面形状、某些特殊结构的零件需要添加支撑结构。从力学角度分析,如果不添加支撑结构,某些部位受力过大,会导致零件的坍塌或变形,从而使打印件出现断裂或是裂纹。图2所示的是未添加支撑结构的水套芯,由于底面结构复杂,烧结固化后,产生了断裂现象。图3所示是用三维软件在容易断裂的部位添加支撑结构。打印、固化完成后用锉刀去掉支撑结构得到的砂芯形状完整,没有出现断裂现象(如图4所示)。

图2 未添加支撑结构成型的水套砂芯

图2 未添加支撑结构成型的水套砂芯

图3 添加支撑结构的三维水套芯

图3 添加支撑结构的三维水套芯

图4 添加支撑结构后成型的水套砂芯

图4 添加支撑结构后成型的水套砂芯

责任编辑:屈婷婷
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