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先进制模技术在熔模铸造方面的应用研究

2018/2/27    来源:互联网    作者:赵斌  刘庆华  姬玉平      
关键字:模具  制造  模拟  熔模铸造  
介绍了熔模铸造技术,重点阐述了铸造模具的三维设计和铸造过程模拟,根椐熔模铸造先进制模技术的应用情况,分析了先进制模技术在应用中存在的问题。

1 先进制模技术与培模精密铸造的结合

    随着现代计算机技术的发展,特别是CAD/CAM、计算机模拟、快速成形以及网络和多媒体的普及,先进制造技术结合并行工程模式开始进入新产品设计研发生产的全过程。

    先进制模技术是先进制造技术在铸造方面的应用普及与发展。采用先进设计与制造技术对传统的铸造工艺在技术、经济、生产、质量控制等各个方面影响深入。

    航空用铸件采用先进制造技术重新设计,减重效果非常明显。《中国航空报》2014年7月5日第4版报道空客公司已在A350XWB项目中使用了3D打印零件,比普通部件轻1/3。未来3D打印技术不但能生产飞机部件,而且生产数量会大幅度上升。采用3D打印技术还可以对一些特定铸件进行修复处理。先进制模技术可以极大提高模具制造的精度,提高铸件的铸造质量和交付进度。

    大件产品的尺寸受3D打印设备的尺寸限制。在熔模铸造方面,把3D打印出来的蜡模组合在一起,后续工作继续按照溶模铸造法进行,突破了产品的尺寸限制。

    熔模精密铸造,又称为失蜡铸造。铸造方法是:先把要做的铸件用赌料制成模型,并把模型用同种材料焊接到浇口棒上,制成模组(铸件大时可以单个为一组),在模组表面蘸上耐火涂料(水玻璃或硅溶胶与细砂的混合物),再撒上耐火砂(沾浆、撒砂要反复数次,使砂层足够厚),待干燥固化后,给模组加热,把蜡料从浇口处脱出,形成空壳。将空壳焙烧,使它成为坚固的模壳,将金属液体从浇口浇入,冷凝后就成为金属铸件。

    由于懦模精密铸造过程影响因素较多,铸件形成过程复杂,传统的靠试验和经验的方法,人为因素较大,效率和效果都比较差。铸件工艺设计和定型周期长,出品率和成品率低,材料和劳动力浪费多,工艺和产品质量稳定性差,工艺设计和现场生产脱节,铸件质量难以保证。为解决铸造工艺设计和定型过程中存在的问题,引进先进制模技术、建立CAD/CAE铸造过程仿真系统,开展并行工程非常必要。

    先进制模技术应用中必须建立高度集成的主模型,通过它来实现不同部门人员的协同工作;为了达到产品的一次设计成功,减少反复,它在许多部分应用了仿真技术;主模型的建立、局部仿真的应用等都包含在虚拟制造技术中,可以说先进制模技术的发展为虚拟制造技术的诞生创造了条件。所谓虚拟制造(Virtual Manufacturing),它利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真,发现制造中可能出现的问题,在产品实际生产前就采取预防措施,从而使产品一次性制造成功,达到降低成本、缩短产品开发周期,增强产品竞争力的目的。

    虽然先进制造技术在实际应用中产生了巨大的效果,但是还存在一些不易解决的问题,如:在设计中考虑后续工作增加了当前工作的难度,支持并行工程的主模型更改频繁,工程数据库不够完全成熟等。同时,过分地强调并行工程时间进度提前带来的好处,势必导致多余的并行工作问题,给下游信息流的获取者造成信息流的变化,由此可能造成财务成本扩大,劳动力浪费。先进制模技术的研究需要硬件和软件方面的科研投人,需要模拟手段与分析手段的跟进。

    采用先进制模技术的熔模铸造新产品的开发步骤分为以下3步:

    第一步,用户通过网络向精铸厂传输产品三维数字化几何模型。

    第二步,利臓有的CAD软件计算出铸件整体或局部的重量和模数。在初步确定分型面和浇注补缩系统的基础上,计算出相应的浇口冒口系统重量和铸件工艺出品率,同时估算出劳务费、生产准备和工装模具制造成本等,确定铸件价格。

    第三步,在对铸造过程进行计算机模拟的基础上进行铸件结构工艺性审查和铸造工艺设计,在生产准备初期就把原始设计中出现的问题及早通知用户和设计部门;同时通过模拟、预测可能出现的铸造缺陷和其它问题,及时采取措施,事前对工艺(工艺方法、方案和工艺参数等)进行优化。

2 先进制模技术熔模铸造应用范围

    先进制模技术在熔模铸造中的应用主要有以下几个方面:

    (1)制作熔模。将模具(压型)型块三维几何模型直接输人快速成形机制作压型有2种方法:一种是制成母模,再翻制环氧树脂或硅橡胶压型;另外一种方法是将CAD系统中生成的压型型块三维几何模型直接输人快速成型机制成树脂压型。用先进成形技术得到产品模样,省去了熔獅麵制造阶段,节省模具设计、制造周期达4周以上。

    (2)制作模具(压型)和其他工艺装备。将模具(压型)型块三维几何模型直接输人快速成形机制成树脂压型或蜡模,这样通过铸造可制成金属压型或制成金属-树脂复合压型,满足生产精铸件的要求。

    (3)加工型芯。型芯制造基本上与熔模相同,将型芯的三维几何模型输人快速成形机,用激光烧结制成现成的树脂型芯或烧结型芯原始坯体,制成陶瓷型芯。显然大批量生产时,这种制造型芯的方法比较麻烦,但在新机种投产初期,型芯几何形状和尺寸有许多不确定因素,采用这种方法可以节省设计、制造复杂模具所需的时间和费用。

3 铸造模具设计技术的发展

    随着计算机技术的发展,面向用户的模具设计软件层出不穷,目前市场流行的专业从事CAD/CAM/CAE技术研究开发的产品,面向设计与制造的模具设计软件有CATlA\Creo\NX\SOLIDWORKS\AUTOCAD\MASTERCAM和SOLIDEDGE等。

    公司目前流行的三维设计与制造一体化应用软件是CATIA。本节以CATIA软件为基础,简单讲述计算机辅助铸造模具的三维设计过程。

    (1)导人零件模型,分为3个步骤:导人零件三维模型、加载产品模型进入铸件型腔型芯设计工作台,设置收缩率、添加缩放后的实体。

    表1 常用的先进制模技术方法和技术特征

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    (2)定义型腔/型芯区域,分为6个步骤:定义主开模方向、定义滑块开模方向、移动设计元素进人型腔/型芯区域、定义分割面、集合型腔/型芯分型面、模拟拆解后的曲面直观效果。必要时优化修补模型和分型面。

    (3)模型导入标准件分为4个步骤:导入模架、添加镶块、添加滑块/抽芯机构、添加其他标准件。

    (4)创建浇注系统和冷却系统,分为3个步骤:创建浇口、创建流道、创建冷却系统。

4 熔模铸造的计算机数值模拟技术

    熔模铸造过程的计算机数值模拟就是利用计算机数值分析、数据库、可视化等技术结合经典传热、流动及金属凝固理论对铸件成形过程进行模拟,最终给出铸件充型、凝固及冷却过程中的各种物理场及相关铸造缺陷的种类、大小、位置和形貌等重要结果,并在计算机上直观快捷地显现出来。

    采用这项技术,在制造铸造工艺装备以及试制铸件之前,铸造工艺人员便能够对工艺方案的优劣、工艺参数的合理性以及所采取的技术措施的有效综合评估,并根据存在的问题及时对工艺方案、工艺参数和技术措施进行修改。铸件试制就可以减少次数、缩短开发周期,减少盲目性,确保铸件质量。

    对于熔模精密铸造来讲,在进行模拟时,它的特点主要体现在铸型是具有一定厚度的型壳,并以高温热型浇注为主。产品则以精密、复杂、薄壁多见。这就决定了熔模铸造必须解决以下特殊问题:

    (1)在几何造型系统方面,需要在蜡模组外生成型壳的三维几何模型;

    (2)熔模铸造型壳具有较高的预热温度且型壳薄,积蓄热的能力小,在浇注过程中温度显著升高,凝固过程中的换热方式有传导、辐射和对流3种方式全存在;

    (3)产品则以精密、复杂、薄壁多见,所以必须关注充型过程中合金液体的热量损失和温度场的改变。应建立铸造合金材料和铸型材料热物性能参数和相关性能数据库。

    铸造过程模拟技术的基本原理就是对铸件成形系统(铸型-型芯-铸件)进行几何上的有限元分析和离散分析,在物理和数学工具的支持下,通过计算来分析铸造过程的物理场(主要是指温度场、流场合应力场),结合铸造缺陷的形成预测铸件质量。根据建立数值方程方法的不同,对铸造过程进行数值模拟,一般采用三者之一:有限差分法(FDM)、有限单元法(FEM)、直接差分法(DFDM)。

    铸造过程数顏拟软件一般包括3部分:前处理、中间处理和后处理。前处理主要包括铸件和几何模型并进行网格自动剖分、铸造合金和铸型材料性能数据库,铸造工艺信息。中间处理是整个模拟软件系统的核心,主要根据铸造过程的物理场和经典理论(传热学、流体力学、弹性力学)建立物理-数学模型,根据铸件质量或缺陷形成判断,预测铸件质量缺陷后处理是数值模拟计算结果的表达,形成良好的可视化表达效果。

5 先进制模技术在培模铸造应用成果

    实例一:图1为一个吊环,采用铸钢材料进行精密铸造成形。在产品设计初期,设计、铸造工艺、制造部门集中到一起组成协同工作小组。经过充分酝酿,决定采用近净成形工艺进行铸造,在铸造时直接铸造出两段R33圆弧曲面并取正差,满足后续装配工艺要求,降低后续工序加工难度;同时考虑到R8内圆弧曲面面积大,机械加工该曲面闲难,而传统铸造工艺模具很难保证该曲面的形状,采用并行工作法,一方面采用3D打印技术制作石蜡模型用于精密铸造生产,满足生产进度配套要求;另一方面,制作专用模具,先试生产加工,待模具合格后再投人大批量生产。采用先进制造技术对于该铸件模具避免设计、制造错误,减少返工、返修发挥了重要作用。同时通过计算机模拟,为制定合理的工艺路线和方案奠定了良好的基础。

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    图1 精密铸钢吊环

    实例二:图2支架为ZL101-T4铝合金铸件。该铸件一直采用砂型铸造,由于结构复杂,在生产中铸件存在内部缩孔、气孔等内部缺陷,铸件尺寸不稳定、局部缺肉,导致铸件合格率低,成为多年来影响铸件配套难题。

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    图2 铝合金支架

    为解决上述问题,并验证快速成形技术和熔模精密铸造技术组合工艺生产结构复杂铸件毛坯的技术可行性,采用了快速成形技术(SLS)和熔模精密铸造技术组合工艺生产铸件毛坯用新方法制作出的铝合金支架毛坯内部组织均匀,满足力学性能要求,试加工鉴定毛坯尺寸完全合格。考虑到成本问题,生产厂家根据此合格毛坯的结构形状,制作了专用压型供后续生产使用,新铸件供应质量稳定。

6 先进制模技术应用于熔模铸造的建议

    目前波音公司和空中客车公司在飞机研发过程中,将铸造打印一体化技术作为飞机零件减重、减少零件装配复杂程度的突破口,获得了丰硕的成果目前国内大多数飞机的铸件设计单位与制造单位分离,飞机一旦定型,开展铸件减重协作攻关的需求并不迫切。作为飞机的总成单位,我们的应用研究范围目前还只是局限在单个零件的工艺优化方面,我们应该打破体制束缚,应该在优化铸件结构、优化铸件性能、降低铸件重量等方面大力研究。无论是采用3D打印直接金属粉末成形还是制作铸造压型,相信先进制造技术在熔模铸造方面的应用会越来越广。

责任编辑:张纯子
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