材料成型装备及自动化

一、无模铸造的基本概念

无模铸型制造工艺(Patternless Casting Manufacturing，PCM)是将快速成形技术应用到传统的砂型制造工艺中。PCM工艺也是基于快速成形技术的离散／堆积成形原理，但它是不同于传统砂型制造工艺的造型方法。PCM工艺的基本原理如下图所示。首先从零件CAD模型得到铸型CAD模型；由铸型CAD模型的STL文件分层，得到截面轮廓信息，再以层面信息产生控制信息；造型时，第一个喷头在每层铺好的型砂上由计算机控制精确地喷射粘结剂，第二个喷头再沿同样的路径喷射催化剂；两者发生交联反应，一层层固化型砂堆积成形。这样在粘结剂和催化剂共同作用的地方，型砂被粘结在一起，其它地方原砂仍为

颗粒态。固化完一层后再粘接下一层，所有的层粘接完之后就得到一个空间实体。在粘结剂没有喷射的地方仍是散砂，比较容易清除。清理出中间未固化的散砂，就可以得到一个有一定壁厚的铸型，在砂型的表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇注金属。

PCM是一种结合计算机技术对树脂砂造型工艺进行改造的技术。它不仅能使铸造过程自动化、敏捷化,降低工人劳动强度,而且在技术上突破了传统工艺的许多障碍,使设计、制造的约束条件大大减少,具有传统铸型制造工艺无可比拟的优越性。PCM铸型的表面质量直接影响到原型件和铸件的表面质量。在PCM工艺中,除了因为分层产生的“台阶效应”,铸型表面还常常存在着结瘤、毛刺等缺陷,这给铸型的后处理造成了困难,并影响铸件的尺寸精度和表面质量。为解决这个问题,主要从以下几个方面进行了研究。

1、提高扫描线的质量

在PCM工艺中,扫描线的质量决定了铸型轮廓的质量。采用离散式喷头,喷射得到的扫描线具有离散特征。首先要减小喷嘴直径(孔径),同样的条件下,喷嘴直径小,流量就小,线宽就小,扫描线质量就越高。为了避免喷头堵塞和提高造型效率,喷嘴直径不能太小。其次要根据扫描速度,设置较高的振动频率和中等的占空比,这样可使喷射的液滴更细小,单元体和间隙更小。扫描线线宽变小才可以得到理想的扫描线,通过实验发现,在150 mm/s的扫描速度下,用0.0762 mm孔径的离散喷头,采用100 Hz和50的占空比,可以得到较为理想的扫描线。设置合适的分层厚度分层厚度对铸型表面质量的影响较大。实验表明,在喷射流量和扫描速度一定的情况下,表面质量随分层厚度减小而达到峰值,继续减小时表面质量

开始下降,结瘤增多,表面粗糙度值上升。分层厚度过大,固化剂的自由渗透造成侧面轮廓产生“锯齿”;分层厚度变小,会减小两层之间的齿形缝隙;而分层厚度过小,则导致固化剂的横向渗流扩散加剧,反而降低了铸型的表面质量。实验表明,0.0762 mm孔径的喷头适合于0.3~0.6 mm的分层厚度,而0.190 5 mm孔径的喷头适合于0.8~1.0 mm的分层厚度。

2、改进铺砂装置和振动筛

树脂砂具有一定的粘性,这对铺砂造成了一定的难度。树脂砂中的树脂含量越高,砂粒越细小,树脂砂粘性越大,铺砂难度越大,因此,铺砂装置的改进十分重要。主要的改进是采用“堆积—刮平”的铺砂方式,对于100/200目、树脂的质量分数1.5 %的树脂砂,使用45°<α<70°的锐角刮板刮平的铺砂效果较为理想。为了达到均匀铺砂,可以通过振动筛将树脂砂均匀地撒到工作面,然后用锐角刮板完成刮平。

3、提高铺砂的紧实度和均匀度

铺砂的紧实度不足,砂粒之间空隙大,横向和纵向的表面就会很粗糙。砂粒分布不均匀,就会造成

固化剂溶液横向渗流扩散不均匀,扫描线边上就会产生很多小毛刺,从而在铸型的纵向面产生很多凸出的小毛刺。因此,紧实度和均匀度这两个参数非常重要。目前,PCM各砂层的紧实度和均匀度已达到较高的程度,这由所得到的原型件和铸件的表面质量可以说明。

4、防止错层

“错层”,即相临层之间发生横向错位,它极大地影响了成形件的表面质量。错层的主要原因有:喷

射液流不稳定和粘接强度不够。主要通过以下措施来保证不出现错层:①喷头设计时要考虑喷射流稳

定的原则;②增强粘接强度,可通过实验确定合适的加热温度和加热时间来实现;

③控制轮廓附近局部区域的固化剂含量,使之反应后砂模的表面有足够的粘结强度;④在拐点处采用圆弧过渡,使得扫描速度始终一致,则固化剂的喷洒也较为均匀;⑤避免轮廓扫描线在起点和终点处出现较大的“搭接”,否则会造成固化剂局

部过量,形成表面“结瘤”现象。

5、砂型的分块造型

很多复杂零件的砂模,在经过一次或者多次分型之后得到的砂型或砂芯仍然带有复杂的内腔或狭缝结构,不易进行打磨或上涂料。这就需要将砂型进一步分块,以方便后处理操作,从而提高铸型的表面质量。在分块的时候,要事先做好捆绑槽并留好余量,造型完成后,要采用特殊的方法组装。

二、总体方案的设计

为使工艺实验研究得以开展，在公理化设计理论 (Axiomatic Design Theory)和功能论方法学等现代设计理论的指导下，进行设计开发PCM造型设备。

PCM设备开发的本质，就是根据工艺原理的需要构建可实现工艺过程的机械系统、控制系统和软件系统。

1、总体思路

以PCM工艺原理为基础，对基本工艺过程进行分解，可以得到铸型制造过程的各个子过程及相应的运动控制信息；根据运动控制信息可以设计出实现基本运动的控制系统类型及软硬件结构；然后在控制系统确定的条件下建立执行控制信息的机械系统。这是设计开发PCM设备的总体思路和基本流程。自上而下，可将整个系统分为四个层次，最高层为工艺原理层，其次是信息处理层(即软件系统层)，再其次是控制系统层，最底层是机械系统层，如上图所示。

按照工艺流程可以将PCM技术划分为四个顺序基本子过程：信息处理过程，造型过程，后处理过程和浇注过程。其中，信息处理过程是为造型过程准备好相应的控制程序(数控代码)文件；造型过程利用信息处理过程所生成的数控代码，驱动造型设备，完成铸型的数控加工；后处理过程旨在提高铸型表面质量和浇注工艺性能，降低粘结剂含量，为浇注过程创造条件；浇注过程则是把完成后处理的铸型运往浇注车间，将高温熔融的液态金属注入铸型的浇注系统和型腔内部，最终凝固形成具有一定表面质量、精度和复杂程度的合格铸件。从系统功能与结构对