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选择性激光烧结技术在铸造生产中的应用

2017/4/20    来源:互联网    作者:吕乐华  张智源  郭亚辉  冯志明  黄胜操  邵星海  许海铎        
关键字:选择性激光烧结  铸造  强度  精度  
选择性激光烧结技术在铸造生产应用过程中经常出现一些问题。本研究通过优化烧结方式、单层厚度、烧结间距、激光功率等参数,提高了砂芯的强度和精度,满足铸造生产的需要。

    选择性激光烧结技术是20世纪80年代末出现的一项快速成形技术。它主要使用覆膜砂、金属粉末、陶瓷粉末、塑料粉末等材料进行烧结成形,具有成本低、周期短、产品多样化等特点。

    随着市场的激烈竞争,企业必须能够在短时间内对市场需求做出响应,满足不同客户需求。激光烧结可以大大缩短公司新产品试制的周期,并且非常适合小批量铸件的生产。本文中主要介绍了在铸造生产中激光烧结技术的应用以及存在的问题和解决的办法。

    1 SLS的成形机理及工艺流程

    SLS的原理是利用CO2激光发射器对粉末层进行扫描烧结,被照射的粉末熔化并凝固在一起,铺粉辊根据设定的单层厚度铺粉,激光发射器继续进行扫描,反复实施这个过程,使烧结成形的固化层,层层叠加,生成所需要的零件或砂芯。工艺流程如图1,首先根据零件原型产生零件的三维模型,利用分层软件对其进行处理,得到零件每层的信息,激光束在计算机控制下,根据获得的各层信息进行有选择的扫描,扫描结束后对零件进行清理,并在烘干炉中固化,然后进行修型、合箱、浇注,最后浇注成形。

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    图1 工艺流程图

    2 张紧装置顶架的试制

    2.1激光烧结设备

    设备为华中科技大学生产的HRPS-IV型激光烧结机,激光功率为50W,最大成形空间为500mm*500mm*400mm。 

    2.2试验过程

    根据零件原型得到零件的三维图,如图2。设计浇注工艺,并根据实际情况进行分型,由于上下箱尺寸过大,无法在烧结设备上试制,故采用无模铸造快速成形机加工,在这关于上下模不再详述。烧结的砂芯如图3所示,尺寸为175mm*136mm*171mm,砂芯最上部比较薄,厚度仅为5mm,且有一定的角度(如图3箭头所示),在烧结和清砂过程中有一定难度。

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    图2零件三维图

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    图3砂芯三维图

    将三维图存储为STL格式,并利用分层软件对其进行分层。为了节省时间以及充分利用设备的空间,采用一次多烧的方法,即在不影响砂芯质量的情况下,尽可能多地烧结砂芯。考虑到砂芯以及工作缸的尺寸,一次最多可以烧结8个砂芯,如图4a、b所示。这两种烧结方式最大限度地利用了工作缸的空间,但在清砂过程容易出现断裂或压塌现象,不能够保证砂芯的质量,故采用图4c的烧结方式,不再采用双层的烧结方式,每次只烧结4个砂芯。

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    图4烧结方式

    图5为烧结过程中激光束正在进行扫描。烧结完成,待砂芯冷却后,方可从工作缸中取出,一般情况下,需要在工作缸中除去砂芯周围的部分砂子(图6),避免在移动过程中由于散砂过多导致砂芯变形或断裂。在烧结中,如果不清理部分的散砂,图3中较薄的部位在移动时很容易断裂。

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    图5激光手1描

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    图6清理散沙

    烧结成形的砂芯强度并不是很高,需要在烘干炉中做固化处理,然后进行修型、涂敷等来提高砂芯的表面质量。在本次试制中,由于砂芯表面质量没有太大问题(图7),因此只需进行固化处理。最后进行组型(图8)、合箱、浇注。

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    图7砂芯

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    图8组型

    2.3试制过程中存在的问题及解决方法

    (1)裂纹和缝隙。最底层出现裂纹和缝隙,见图9,其他部位没有此类问题,严重影响表面质量。烧结刚开始的几层,由于比较薄以及铺粉过程中砂子的摩擦作用,已成形的砂芯容易被带动,造成砂芯底部出现裂纹或裂缝。采用100目的砂子和0.3 mm的单层厚度.减小了铺粉辊在铺粉过程中与砂子的摩擦作用,同时较厚的单层厚度可以避免铺粉辊带着已成形砂芯的移动,但为了保证砂芯的质量和强度,单层厚度需要较大的激光功率。图10为改变参数后试制的砂芯,砂芯强度和表面质量有了较大提高。

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    图9裂缝

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    图10无缺陷砂芯

    (2)表面强度和精度不够。烧结成形的砂芯在清砂过程中出现表面砂子脱落的现象,导致砂芯表面粗糙,凹凸不平(见图11a)。砂芯强度不够很可能与烧结设置的参数有关,影响砂芯强度和精度的主要参数有激光功率、单层厚度、扫描间距,本次试制初始的激光功率为25w,单层厚度为0.3mm,烧结间距为0.2 mm,考虑到单层厚度已经达到了设备的最高限,本次试制对激光功率和烧结间距进行了微调。在其他参数相同的条件下,激光功率越大,能量密度就越大,激光对粉末的传输热量就越大,能量向两侧扩散就越多,导致砂芯周围粘结比较严重,从而影响砂芯的精度,而激光功率过小就容易导致覆膜砂之间粘结强度不够,砂芯强度较低,调整后激光功率为27.5 w;烧结间距过小,激光能量会向激光运动路径扩散,导致周围粘砂,影响进度,烧结间距过大,导致强度不够,调整后烧结间距为0.15 mm。调整后砂芯表面精度和强度都有了较大提升(见图1lb)。

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    图11烧结参数对砂芯的影响 

    3 结束语

    选择性激光烧结已发展成为一种比较成熟技术,但真正用在实际生产的比较少。通过改变不同烧结参数完成了张紧装置顶架的试制,缩短了试制周期,降低了试制成本,并获得了实际生产中的最佳工艺参数:激光功率27.5w,烧结间距0.15 mm,单层厚度0.3 mm。

责任编辑:张纯子
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