基于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的泵輪鑄造工藝研究

陳亞飛，韓　韡，李富強，朱正鋒（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州　213001）

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基于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的泵輪鑄造工藝研究

陳亞飛，韓韡，李富強，朱正鋒
（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州213001）

摘要：通過合理設(shè)計泵輪模型支撐，對泵輪選擇性激光燒結(jié)的燒結(jié)工藝、后處理工藝進行研究，確定了燒結(jié)工藝和后處理工藝，燒結(jié)出合格的泵輪模型；對模殼焙燒工藝的研究，確定了模殼焙燒工藝，并澆注出合格的泵輪鑄件。

關(guān)鍵詞：選擇性激光燒結(jié)；鑄造工藝；泵輪

泵輪為機車工礦車上的關(guān)鍵零部件，它能接受發(fā)動機傳來的機械能并將其轉(zhuǎn)換為液體的動能。泵輪鑄件公差和表面質(zhì)量要求高，需要采用熔模鑄造工藝制作。泵輪結(jié)構(gòu)如圖1所示，在圓周方向均勻分布著若干相同大小的葉片，每片葉片最厚處厚度處約為6mm，最薄處約為2.5mm，采用常規(guī)的壓注制作蠟?zāi)＃谜摰娜~片不能起模，需要采用尿素芯來制作泵輪的葉片，而采用尿素芯來制作泵輪蠟?zāi)１容^復(fù)雜。該類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鑄件采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制作熔模鑄造用模型，與傳統(tǒng)鑄造工藝相比具有較大的優(yōu)勢，可縮短產(chǎn)品的研制周期，提高效率。

圖1　泵輪三維圖

圖2　泵輪模型支撐

1　泵輪模型支撐設(shè)計

設(shè)計泵輪的鑄造工藝，并利用三維軟件畫出需要燒結(jié)的模型，然后將三維模型轉(zhuǎn)換為STL格式，再將模型導(dǎo)入Magics軟件設(shè)計2mm左右的薄片支撐，薄片支撐設(shè)有鋸齒，以方便去除。薄片支撐能夠固定零件、保持零件形狀、減少翹曲變形，從理論上講，所有懸臂的位置都需要設(shè)計支撐。由于泵輪的葉片較薄，為防止變形，還需要設(shè)計如圖2所示的體支撐。

2　選擇性激光燒結(jié)工藝的研究

2.1粉末材料

采用用聚苯乙烯粉末制作泵輪，聚苯乙烯粉末性能如表1所示。粉末燒結(jié)前用篩子將塊狀和雜質(zhì)篩掉，并且保證粉末材料干燥，否則打印的零件容易分層。實驗室溫度和濕度分別要求達到18～28℃、≤50%。

表1　聚笨乙烯粉末材料性能

2.2燒結(jié)工藝參數(shù)的研究

（1）鋪粉層厚。鋪粉層厚影響燒結(jié)件表面的粗糙度和燒結(jié)時間。對于與Z軸方向成角度的斜面影響較大，使零件表面粗糙，角度越小，燒結(jié)件臺階越明顯。由于為逐層疊加燒結(jié)，層與層之間以直代曲產(chǎn)生臺階，切片厚度越大，Z軸方向表面臺階會越明顯，燒結(jié)件表面越粗糙。鋪粉層厚越大，激光燒結(jié)功率應(yīng)隨之加大，否則層與層之間不能粘結(jié)，出現(xiàn)分層現(xiàn)象；鋪粉層厚太小，小車鋪粉困難，而且會增加燒結(jié)時間。試驗中分別采取鋪粉層厚為0.15mm、0.2mm、0.25mm，泵輪模型的燒結(jié)時間分別為37h、30h、24h；采取0.25mm時，斜面粗糙，0.15mm時，斜面質(zhì)量最好。綜合考慮，采用0.2mm的鋪粉層厚較為合適。

（2）預(yù)熱溫度。預(yù)熱溫度指的是選擇性激光燒結(jié)成型機成型室每一次鋪粉后粉層表面的溫度。每一層都按照掃描路徑依次燒結(jié)，在燒結(jié)的位置與未燒結(jié)的位置、層與層之間存在較大的溫度差，導(dǎo)致燒結(jié)件向上翹曲。未采取預(yù)熱溫度燒結(jié)的情況，溫差很大，不能燒結(jié)成型。采取適當?shù)念A(yù)熱溫度不但可以減小燒結(jié)件的形狀誤差，防止產(chǎn)生翹曲變形，還可以降低激光功率，提高掃描速度。預(yù)熱溫度由聚笨乙烯粉末的玻璃化溫度和板結(jié)溫度決定。非晶態(tài)高分子粉末材料在玻璃化溫度時，大分子鏈段開始活躍，其粉末顆粒會發(fā)生黏結(jié)使其流動性下降，貯存模量開始急劇下降；在板結(jié)溫度時，粉末結(jié)塊無法清理粉，所以預(yù)熱溫度應(yīng)在玻璃化溫度左右。預(yù)熱溫度還與鋪粉層厚有關(guān)，鋪粉層薄，可適當降低預(yù)熱溫度，否則難以鋪粉；鋪粉層厚，可適當提高預(yù)熱溫度。預(yù)熱溫度分為四個階段，加工前預(yù)熱溫度、起始預(yù)熱溫度、穩(wěn)定預(yù)熱溫度、加工后預(yù)熱溫度，具體如圖3所示。由于在燒結(jié)過程中，鋪粉小車來回推動粉末鋪粉，易使已燒結(jié)部分被小車推移，造成零件尺寸偏差大，所以，起始預(yù)熱溫度應(yīng)較高，使粉末稍微有點板結(jié)，使已燒結(jié)部分不會被鋪粉小車推移，造成零件尺寸偏差。

圖3　預(yù)熱溫度曲線

（3）激光功率和掃描速度。激光功率和掃描速度是選擇性激光燒結(jié)成型非常重要的參數(shù)，激光功率太高燒結(jié)件難以清粉，同時太高會降低激光器的使用壽命；激光功率太低，粉末之間不能粘結(jié)成型。激光掃描速度是決定能量密度的重要因素之一，它決定了激光能量對粉末的加熱時間，同時影響燒結(jié)件的燒結(jié)時間。在一定范圍內(nèi)，掃描速度越低，激光對粉末的加熱時間越長，粉末材料的溫度就越高，材料的強度也越高；掃描速度越高，激光對粉末的加熱時間越短，材料的強度就越高，甚至可能會導(dǎo)致燒結(jié)件不能成型。實驗選擇激光功率分別為17%，22%，27%；掃描速度分別為3m/s，3.5m/s，4m/s，所得到的抗拉強度如表2所示。由表2可以看出，在同一掃描速度下，隨著激光功率的增加，試樣的抗拉強度在增加。在同一激光功率下，隨著激光掃描速度的增加，試樣的抗拉強度在減少。燒結(jié)件的抗拉強度一般要求為1～2MPa，燒結(jié)件強度低清粉時容易被損壞；強度高清粉困難。抗拉強度最大值出現(xiàn)在激光功率為27%，掃描速度為3m/s時，但是在此工藝下試樣表面的浮粉較多難以清理。在掃描速度為3.5m/s時，激光功率功率為22%和27%的抗拉強度較為接近。在激光速率為3m/s，激光功率為22%時，抗拉強度為1.6MPa，比激光掃描速度為3.5m/s，功率為22%的抗拉強度略高0.09MPa。因此綜合考慮選擇掃描速度為3.5m/s，激光功率為22%較為合適。

表2　不同激光功率和掃描速度的抗拉強度　MPa

由于泵輪設(shè)置了體支撐，燒結(jié)體支撐的參數(shù)除激光功率外，其它的參數(shù)與泵輪的相同。體支撐的激光功率應(yīng)小于零件的激光功率，且為了清粉，激光功率產(chǎn)生的溫度和預(yù)熱溫度之和不能高于粉末板結(jié)溫度，通過實驗，體支撐激光功率設(shè)置為11%～13%較為合適。

（4）后處理工藝。由于燒結(jié)的模型空隙率較大，其強度低，而且表面粗糙、容易掉粉，不能直接用于熔模鑄造的上涂料，需要在模型上涂料前進行浸蠟后處理。由于石蠟硬脂酸具有較高的強度，熔化后流動性好，焙燒后沒有殘留灰分，所以浸蠟使用的蠟為石蠟硬脂酸，石蠟和硬脂酸的質(zhì)量分數(shù)各為50%。聚苯乙烯粉末材料的耐溫上線區(qū)間為80～100℃，因此浸滲蠟的溫度一般不超過70℃。設(shè)置蠟液溫度為65℃，將泵輪模型浸入蠟液中，放置約4min左右，直到基本沒有氣泡產(chǎn)生時將泵輪取出，翻轉(zhuǎn)泵輪模型，使蠟液在泵輪模型上不產(chǎn)生堆積，多余的蠟液流入到蠟缸中。將浸蠟好的模型進行修整，粗糙的位置應(yīng)采用砂紙進行打磨拋光。

（5）泵輪模型。采用的以上的工藝燒結(jié)的泵輪模型如圖4所示。該泵輪模型的燒結(jié)時間約30h，加上后處理所用的時間，需要2天就能制作出模型。而采用傳統(tǒng)開模方法，大概需要15天完工。

圖4　燒結(jié)的泵輪模型

3　模殼制造工藝

將模型焊接澆冒口，采用硅溶膠——水玻璃工藝制殼。聚苯乙烯粉屬于非晶態(tài)度高分子材料，其熔點不固定且粘度大，不能采用熔化成液體后倒出，需將模型焙燒掉。由于澆冒口采用石蠟——硬脂酸材質(zhì)，應(yīng)先用熱水脫蠟法先將澆冒口脫掉，再焙燒掉聚苯乙烯模型。如焙燒不完全，模殼內(nèi)底部殘留物較多，澆注的鑄件會產(chǎn)生氣孔，表面質(zhì)量差。當脫模焙燒溫度較低、保溫時間較短時，模殼內(nèi)黑色殘留物較多（如圖5所示）；若焙燒溫度高，模殼會產(chǎn)生裂紋。經(jīng)過研究，制定了如圖6所示焙燒工藝，用此工藝進行脫模焙燒，模殼內(nèi)無黑色殘留物，模殼內(nèi)呈粉紅色或白色（如圖7所示）。

圖5　未焙燒干凈的模殼　

圖6　脫模焙燒溫度曲線

圖7　焙燒干凈的模殼圖　

圖8　粗加工后的泵輪

4　生產(chǎn)試驗

泵輪采用離心澆注，澆注后泵輪鑄件表面無氣孔缺陷，磁粉探傷和鑄件尺寸公差符合要求，粗加工后的泵輪如圖8所示。

5　結(jié)語

（1）對選擇性激光燒結(jié)的燒結(jié)工藝、后處理工藝、模殼焙燒工藝進行研究，確定了泵輪的選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù)，燒結(jié)出合格泵輪模型。

（2）對模殼焙燒工藝的研究，確定了焙燒工藝，并澆注出合格的泵輪鑄件。

（3）利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，可以縮短泵輪鑄件的研制周期，在復(fù)雜鑄件上，利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)研制鑄件比傳統(tǒng)的熔模鑄造技術(shù)更具優(yōu)勢。利用該技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品已投入使用，使用情況良好。

PumpImpeller Casting ResearchBased on Selective Laser Sintering Technology

CHEN Ya-fei，HAN Wei，LI Fu-qiang，ZHU Zheng-feng
（Crrc Qishuyan Locomotive Vehicle Technology Research Institute co.，LTD.，Changzhou，Jiangsu 213001，China）

Abstract:Through the reasonable design of the pump wheel model，the pump wheel selective laser sinteringprocessing and after treatment process were studied and determined，the research on the mold shell roasting processing determines the mold shell roasting processing，and pours out qualified pump wheel castings.

Key words:selective laser sintering；Casting processing；pump pulley

中圖分類號：TH16

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）05-0048-02

收稿日期：2016-04-28

作者簡介：陳亞飛（1983-），女，大學本科，主要研究方向：材料科學與工程。