【解析】PCM3D打印工藝在鑄造新品開(kāi)發(fā)中的實(shí)踐

快速成型從制造原理上講,，快速成型（RP）技術(shù)一改“去除”為“堆積”的加工原理,，給制造技術(shù)帶來(lái)了革命性的飛躍式發(fā)展。目前世界上已投入應(yīng)用的快速成型裝置所采用的主要方法有以下幾種：PCM工藝法,、立體平板印刷法,，激光分層燒結(jié)法；激光薄片疊層制造,，光掩膜法,，熔絲沉積成型法，直接陶瓷殼法等,。 我公司自2008年開(kāi)始在新品開(kāi)發(fā)中與快速成型廠家進(jìn)行合作,。

目前合作中，應(yīng)用快速成型技術(shù)開(kāi)發(fā)的有KJ100缸蓋,、S2000氣缸體,、S2000氣缸蓋等產(chǎn)品的首件樣品鑄件，合作的快速成型技術(shù)中有 激光薄片疊層制造法和PCM快速成型工藝法,，本文闡述的主要是PCM快速成型工藝法在S2000氣缸蓋鑄件生產(chǎn)中應(yīng)用情況,。

1PCM快速成型工藝在鑄造領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用

1.1PCM快速成型工藝法的成型原理
PCM（PatternlessCastingModeling）工藝，是將RP理論擴(kuò)展到樹(shù)脂砂造型工藝中，采用輪廓掃描 噴射固化工藝,，實(shí)現(xiàn)了無(wú)模型鑄型的快速制造,。它的具體實(shí)施過(guò)程是將所設(shè)計(jì)零件的三維計(jì)算機(jī)圖像進(jìn)行處理，抽取出實(shí)體三維砂芯模型,，將實(shí)體三維砂芯模型轉(zhuǎn)換為一系列很薄的模樣截面輪廓數(shù)據(jù),，生成控制信息。然后在PCM快速成型機(jī)上控制樹(shù)脂噴頭向芯砂表面均勻施灑樹(shù)脂,，完成一層后預(yù)熱加速模型固化,。

1.2PCM工藝法制作S2000氣缸蓋工藝方案
1.2.1 前處理過(guò)程
首先規(guī)劃和設(shè)計(jì)鑄型，即確定工藝參數(shù),、選取最優(yōu)加工方向,、設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)等。對(duì)設(shè)計(jì)的S2000氣缸蓋產(chǎn)品進(jìn)行適當(dāng)余量補(bǔ)正,，并將產(chǎn)品的三維模型轉(zhuǎn)換成鑄型的三維模型,，然后由鑄型三維數(shù)據(jù)得到分層截面輪廓數(shù)據(jù)，再以層面信息產(chǎn)生控制信息,。

1.2.2成型過(guò)程
1）輥制芯砂,，按照輥砂工藝，在輥砂機(jī)內(nèi)加入 原砂和自硬固化劑,，樹(shù)脂加入量1.6%～2.2%,，固化劑按樹(shù)脂的30%~50%，原砂與固化劑預(yù)輥約20s,，輥制后加入PCM快速成型機(jī)砂斗內(nèi)待用,。
2）如圖1所示，需要成型時(shí),，用鋪砂機(jī)構(gòu)將輥制好的芯砂均勻鋪撒在砂箱表面,，每層厚度約0.2mm～0.5mm。制作過(guò)程中發(fā)現(xiàn),，0.2mm～0.5mm的層厚,， 在氣道上會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階效應(yīng)，所以氣道制作完成后需修光滑,。

圖1將輥制好的砂均勻鋪撒在表面

3）如圖2所示,，樹(shù)脂噴頭由線性導(dǎo)軌數(shù)碼電機(jī) 控制在平面上移動(dòng)，先掃描模型邊界,，再掃描行腔部位,，噴頭可以按照0°，30°,，90°等不同的角度進(jìn)行噴射樹(shù)脂,，。樹(shù)脂與催化劑發(fā)生膠聯(lián)反應(yīng)，樹(shù)脂和催化劑共同作用的地方芯砂被固化在一起,，其他地方芯砂仍為顆粒態(tài)干砂,，從而構(gòu)成零件的一個(gè)薄層，完成一層后預(yù)熱加速模型固化（由線性導(dǎo)軌數(shù)碼電機(jī)控制,，中間安放電熱管,，一趟來(lái)回10s左右）。

圖2線性導(dǎo)軌數(shù)碼樹(shù)脂噴頭

4）固化完一層后重復(fù)工藝再黏接下一層,，所有 層面黏接完之后就可以得到一個(gè)三維實(shí)體鑄型,，清理出鑄型中間未固化的干砂就可以得到一個(gè)有一定壁厚的鑄型，如圖3所示,。但不固化的那部份砂難以回收,，給成本帶來(lái)一定的影響。

圖3鑄型制作完成后,，取出鑄型

5）對(duì)陶瓷砂和水洗砂兩原砂進(jìn)行輥制對(duì)比,，兩 原砂統(tǒng)一按某輥砂工藝輥制，輥制后取其“8”字試樣芯進(jìn)行性能檢測(cè),，發(fā)現(xiàn)其對(duì)原砂的敏感性較大,，同時(shí)砂芯性能的穩(wěn)定性還需加強(qiáng)，如表1所示,。

表1 PCM快速成型法“8”字試樣性能檢測(cè)情況

1.2.3 后期處理及澆注鑄件

1）鑄型烘烤：放入箱式電阻爐中烘烤,，根據(jù)需 要控制烘烤溫度和時(shí)間，一般溫度170℃～200℃,，時(shí)間2h～3h,。
2）鑄型內(nèi)表面修涂：根據(jù)各部位情況，進(jìn)行人 工涂刷涂料（一般先涂刷一層鋯英粉,，然后再上灰鑄鐵用普通涂料，如圖4所示）,，然后烤干涂料（溫度約170℃～180℃,，時(shí)間40min～70min），修刮披鋒和涂料堆積,。

圖4在鑄型的內(nèi)表面涂敷或浸漬涂料

3）將各鑄型進(jìn)行組芯：各芯頭用空心尼龍繩做排氣孔（一般用φ4mm的尼龍繩,，烘烤后液化流走，如圖5所示）,，然后再用自硬砂封住芯頭,。
4）將鑄型下芯，通過(guò)合箱,、澆注,、清理等工序， 最后完成所需鑄件毛坯的制作。

1.3 PCM快速成型工藝小結(jié)
S2000氣缸蓋使用PCM快速成型工藝,，從訂單下達(dá)到鑄件毛坯交貨,，期間共需用時(shí)間15d～20d，較傳統(tǒng)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)鑄造工藝所需的3~4個(gè)月已大大縮短,；加快了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期，同時(shí)無(wú)需模具、采用一體化造型,、芯同時(shí)成形,、無(wú)拔模斜度、可制造含自由曲面（曲線）的鑄型,。但從實(shí)際應(yīng)用中,，我們也發(fā)現(xiàn)，PCM快速成型工藝采用的是離散/堆積成形工藝原理,，造成其所制作鑄型會(huì)產(chǎn)生“臺(tái)階面”的特點(diǎn),，難以生產(chǎn)出所需的高精度成形件。

圖5做好鑄型排氣工作

如對(duì)精度要求非常嚴(yán)格的氣缸蓋氣道鑄型,。如果制作氣道等要求較高的鑄型,，其過(guò)程參數(shù)的控制難度將較大，制作完成后還需采用嚴(yán)格的后續(xù)處理工作,。 同時(shí)PCM快速成型工藝對(duì)原砂的敏感性要比傳統(tǒng)鑄造工藝對(duì)原砂敏感性大,，因此芯砂性能的穩(wěn) 定性也需進(jìn)一步提高。

結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)應(yīng)用研究表明,，快速成型技術(shù)是傳統(tǒng)鑄造 的技術(shù)革命,，不需要制造木模，金屬�,；蛐竞�,，具有綠色化、數(shù)字化,、柔性化,、快速化等特點(diǎn)�,？焖俪尚图夹g(shù)將單件,、小批量鑄件的快速制造提供解決方案，在單件,、小批量鑄件,、模具毛坯制造上具有很大技術(shù)優(yōu)勢(shì)。 通過(guò)快速成型中的PCM工藝法的實(shí)際使用情況發(fā)現(xiàn),，PCM工藝法還有其自身的不足和提升空間,。如：


①因PCM快速成型法采用離散/堆積成形工藝產(chǎn)生“臺(tái)階面”的特點(diǎn),，難以生產(chǎn)出工業(yè)上所需的高精度成形件；
②對(duì)原砂的敏感性大,，加大了過(guò)程控制難度,；
③不固化的砂難以回收，浪費(fèi)成本等等,。這些都將是PCM快速成型技術(shù)今后要解決的課題,。



編輯：南極熊
作者：張 浩，劉春雷 （廣西玉柴機(jī)器股份公司）