激光选区快速成型技术在铸造行业的应用

内蒙古科技与经济

InnerMongoliaScienceTechnology&EconomyNo.16,the218thissue

Aug.2010

激光选区快速成型技术在铸造行业的应用

王雅先

(包头职业技术学院车辆工程系,内蒙古包头　014030)

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　　摘　要:文章主要介绍了激光选区粉末烧结(SLS)技术的原理和特点,并结合工业生产,研究了SLS快速成型和铸造行业结合的一体化技术,从而实现了从计算机三维模型到金属零件的快速铸造工艺。

关键词:激光选区粉末烧结;快速铸造;翻模成型;反求工程

　　中图分类号:TG24　　文献标识码:A　　文章编号:1007—6921(2010)16—0066—01　　面对竞争日趋激烈的市场,迫使企业不得不逐步抛弃原来以“规模效益第一”为特点的少品种、大批量的生产方式,进而采取多品种、小批量按订单组织生产的现代生产方式。在这样的时代背景下,快速成型技术应运而生。

快速成型技术就是直接根据CAD模型,快速生产样件或零件的成组技术总称[1]。它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果,是先进制造技术的重要组成部分。快速成型技术可对产品设计进行迅速评价、修改并自动快速将设计转化为具有相应结构和功能的产品或直接制造出零部件,从而大大缩短新产品的开发周期,降低产品的开发成本。笔者重点介绍激光选区粉末烧结技术(SelectiveLaserSintering,缩写SLS)的基本原理和在铸造行业中的应用。

1　激光选区粉末烧结技术的成型原理和特点1.1　成型原理

激光选区烧结快速成型技术采用离散/堆积成型的原理[2],就是将在计算机上建模的CAD三维立体造型零件,转换成STL文件格式,再用一离散软件从STL文件离散出一系列给定厚度的有序片层,然后,将上述的离散数据传递到成型机中去,成型机中的扫描器在计算机信息的控制下逐层进行扫描烧结,通过层层堆积生成实物样件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列简单的二维制造的叠加,因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零件,极大地提高了生产效率和制造的灵活性,它与多领域制造工艺相结合,可实现快速模具、快速铸造、快速产品制造。1.2　成型特点

1.2.1　成型过程与零件复杂程度无关,是真正的自由成型。由于选区粉末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成为天然的支架,因此SLS技术几乎可以成型任意复杂的零件。

1.2.2　成型材料范围广,开发前景广阔。任何受热黏结的粉末都有被用作SLS原材料的可能性,包括塑料、陶瓷、金属粉末及它们的复合粉。

1.2.3　成型速度相对较快,精度高。成型材料的易熔消失可代替蜡模直接用于精密铸造,而且不必制作模具和翻模,因此,可以通过精铸快速获得铸件。

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1.2.4　材料无浪费,未烧结的粉末可重复使用。2　激光选区粉末烧结技术在铸造行业的应用2.1　快速铸造

快速成型技术与熔模铸造技术的完美结合,在最短的时间得到最终金属零件,实现了真正意义上的快速制造[3]。

在制造业特别是航空、航天和汽车等重点行业,其核心部件一般均为金属零件。而且零件的结构非常复杂,这些零件的生产常采用铸造的方法。在铸造生产中,模板、芯盒、压蜡型和压铸模的制造往往是用机加工的方法来完成的,有时还需要钳工进行修整,不仅周期长、耗资大,而且生产的零件精度低。特别是对一些形状复杂的铸件,如叶片、叶轮、发动机缸体和缸盖等,模具制造是一个难度更大的问题,即使使用数控加工中心等昂贵的设备,在加工技术与工艺可行性方面仍有很大困难。

图1　快速铸造与传统铸造过程的比较

图1是快速铸造与传统铸造过程的比较。用SLS快速成型所得到的蜡型可直接用于熔模铸造得到金属零件。这种快速成型工艺无须制造模具,大大缩短了毛坯的铸造周期和费用。如图2是采用快速铸造技术生产的燃气发动机,图3是增压器叶轮的铸造。

图2　燃气发动机

(下转第70页)

收稿日期:2010-02-18

作者简介:王雅先(1966—),女,硕士,副教授,主要从事材料工程的研究与教学工作。

・66・　总第218期　内蒙古科技与经济

硬对老顶的断裂面也有一定影响,煤质越硬,老顶断裂面超过煤壁距离越小,反之越大,一般老顶首先在煤壁内2m～3m处出现裂隙,此时,煤壁和支架都会显示出压力,煤壁偏邦,支架下沉,当煤机推过断裂面后,煤壁压力变小,支架仍然会显示出压力,且压力逐渐变小,当断裂面被甩到支架后方,支架压力恢复正常。

通过以上分析,综采工作面老顶周期来压大小与老顶悬臂长度有很大影响,有的煤矿顶板较坚硬,老顶初次来压后,尽管经过采动影响,但老顶依然很稳定,周期来压压力显现巨大,不处理也会对工作面(上接第66页)　　

图2

的人身安全造成严重危害,这就要对其进行打眼放顶爆破,使顶板提前冒落,其原理与老顶预裂爆破相同。大多数矿井顶板不需要二次顶板预裂爆破,周期来压时的压力显现有规律,只要支架选型合理,生产时支架初撑力达到要求,就能很好地控制住顶板。了解老顶的周期来压规律可以指导生产,例如,采煤机停机时尽可能在老顶来压之后,如果在老顶来压时停机,由于停留时间较长,老顶来压可能会使支架下沉,严重的可能会压死支架,造成生产事故。4　结论

以上介绍了老顶初次来压和周期来压的危害,掌握了老顶的来压规律,对其采取一定措施,可以有效减少事故的发生。同时老顶的周期压力对生产也有一定帮助,老顶来压时,煤壁被压酥,可以在很大程度上提高工作面的回采速度。而工作面回采速度提高后,又会尽快推过老顶来压区,进而减小了来压的危害。因而,对老顶的来压规律进行观测,记录,分析,进而掌握老顶来压的规律,对工作面的安全快速回采起着至关重要的作用。

[参考文献]

[1]　钱鸣高.矿山压力与岩石控制[M].徐州:中国

矿业大学出版社,2001.20h,待硅橡胶完全固化,打开模框,取出硅橡胶用刀沿预定分型线划开,将母模取出,用于浇铸泵壳蜡型的硅胶模即翻制成功。通过该模制出蜡型,经过涂壳、焙烧、失蜡、加压浇铸和喷砂,一件合格的泵壳铸件在短短的两个月内制造出来,经过必要的机加工即可装机运行。2.3　反求工程

在实际开发中我们常常遇到有些复杂的零部件,一般不能直接建立CAD模型,必须借助于先进的三维测量技术来获取零部件,并经过计算机处理之后,进行CAD建模,然后在此基础上进行创新设计,这就是反求工程。

三维测量技术得到的三维模型可任意进行修改,快速成型机把这些数据转变为精铸用蜡模或快速模具用原型,再通过精密铸造完成精确复制。反求技术已经成为快速适应变化的市场、快速创新的强有力手段。如图5是用反求技术生产的增压涡轮。3　结束语

实践证明,SLS技术完全支持铸造工艺,成为快速制模的一种有效手段。它承接了熔模铸造精度高、浪费少、不受材料限制等优点,而且能快速制造出形状复杂的“蜡模”,弥补了传统的铸造模具设计制造周期长、费用高的不足,有利于提升铸造技术水平,因此,SLS技术与铸造工艺结合是一种有发展前景的先进制造技术。

快速成型技术是近年来发展起来的一种新型制造技术,被认为是制造技术领域的一次重大突破。目前,越来越多的科研和工程技术人员都加入到该技术的研究、开发和应用工作中来,这将使快速成型技术得到更广泛的发展。

[参考文献]

[1]　朱林泉.快速成型与快速制造技术[M].北京:

国防工业出版社,2003.21～30.

[2]　刘伟军.快速成型技术及应用[M].北京:机械

工业出版社,2005,62～63.

[3]　黄大佑.快速成形技术及其在铸造中的应用

[J].铸造,1995,(2):38～42.

图3　增压器叶轮

2.2　翻模成型

通过翻制快速模具制作模型是实现铸件批量生产的有效方法。按其制作工艺可以分为一次翻制的硅橡胶模、金属冷喷模、石膏模陶瓷模和经过中间转换得到的金属模。

　　图4是新型火箭发动机泵壳,用传统的加工方法很难加工。用快速成型的方法为该产品制作塑料样件,作为模具母模用于翻制硅胶模。将该母模固定于铝标准模框中,浇入配好的硅橡胶,静置12h～・70・