鑄造3D 噴墨打印砂型尺寸精度測(cè)量評(píng)定方法研究

林凱強(qiáng)，孟慶文，張景豫

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏銀川 750021）

隨著“中國制造2025”的推進(jìn)，鑄造行業(yè)在國家推進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的政策方針下，通過各種先進(jìn)制造成型技術(shù)，由工作強(qiáng)度大、效率低、污染嚴(yán)重的老舊傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向綠色、高端、智能的先進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型。

3D 打印技術(shù)是近幾年的熱門話題。鑄造行業(yè)通過建立三維數(shù)模應(yīng)用3D 噴墨打印技術(shù)生產(chǎn)砂型，代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工制模、造型的生產(chǎn)工藝，不但讓工人從制模、造型高強(qiáng)度勞動(dòng)中解放出來，而且還簡(jiǎn)化了鑄造工藝流程，省去了制模階段，傳統(tǒng)的到處充滿粉塵的造型車間也變成了干凈整潔無粉塵的現(xiàn)代化車間。3D 噴墨打印技術(shù)還處在一個(gè)研發(fā)試用的探索階段，不同于以往傳統(tǒng)鑄造，3D 噴墨打印的砂型有著不需要模具、強(qiáng)度高、存放時(shí)間長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造時(shí)間短的特點(diǎn)，并可以當(dāng)做產(chǎn)品面向各鑄造廠進(jìn)行銷售。目前砂型作為產(chǎn)品銷售還缺少統(tǒng)一的測(cè)量及評(píng)定方法和標(biāo)準(zhǔn)，本文基于《鑄造3D 噴墨打印砂型技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)的研制工作，對(duì)其中鑄造3D 噴墨打印砂型的尺寸精度測(cè)量規(guī)范問題進(jìn)行了研究。

1 測(cè)量

1.1 測(cè)量方法

常見的尺寸精度的測(cè)量方法通常分為兩種：尺寸公差和形位公差。

尺寸公差是指零件在制造過程中由于制造誤差的存在與理論尺寸的實(shí)際偏差，為了使我們制造的零件可以互換，提高生產(chǎn)效率降低成本，我們不能避免誤差但是我們可以控制誤差，把尺寸的誤差控制在一定的范圍之內(nèi)，把這個(gè)尺寸允許變動(dòng)的范圍稱為尺寸公差。尺寸公差主要包含長(zhǎng)度、寬度、深度、直徑等公差，常用于簡(jiǎn)單對(duì)稱、形狀規(guī)則的零件檢驗(yàn)中。

形位公差包括形狀公差和位置公差。加工后的零件會(huì)有尺寸公差，因而構(gòu)成零件幾何特征的點(diǎn)、線、面的實(shí)際形狀或相互位置與理想幾何體規(guī)定的形狀和相互位置就存在差異，這種形狀上的差異就是形狀公差，而相互位置的差異就是位置公差，這些差異統(tǒng)稱為形位公差。

基于3D 打印技術(shù)的特性，3D 打印是在數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上分層，通過逐層打印堆疊的方式，適合制造復(fù)雜的形狀結(jié)構(gòu)。對(duì)于基于3D 打印技術(shù)制作的砂型其尺寸精度主要取決于每層打印相對(duì)于數(shù)字化模形在實(shí)際空間中映射的位置以及打印分辨率。所以測(cè)量鑄造3D 噴墨打印砂型尺寸精度選取形位公差中的位置公差。

1.2 測(cè)量基準(zhǔn)

測(cè)量幾何公差時(shí)首先需要確定一個(gè)測(cè)量基準(zhǔn)，基準(zhǔn)可以用擬合法或模擬法體現(xiàn)。

擬合法是按一定的擬合方法對(duì)分離、提取得到的基準(zhǔn)要素進(jìn)行擬合及其他相關(guān)要素操作所獲得的擬合組合要素或擬合導(dǎo)出要素來體現(xiàn)基準(zhǔn)的方法。采用該方法得到的基準(zhǔn)要素具有理想的尺寸、形狀、方向和位置。

模擬法是采用具有足夠精度形狀的實(shí)際表面來體現(xiàn)基準(zhǔn)平面、基準(zhǔn)軸線、基準(zhǔn)點(diǎn)等。模擬基準(zhǔn)要素是非理想要素，是對(duì)基準(zhǔn)要素的近似替代。

3D 打印建立在在數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上，模型具有理想的尺寸、形狀、方向和位置，使用擬合法建立基準(zhǔn)時(shí)不需要再對(duì)基準(zhǔn)要素進(jìn)行分離、提取，可以將數(shù)字化模型直接當(dāng)做測(cè)量基準(zhǔn)，因此使用擬合法擬合測(cè)量。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 砂型尺寸精度試塊三維模型

確立了測(cè)量方法和基準(zhǔn)后，為了驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了一種測(cè)量試塊，試塊包含各個(gè)方向上的平面、斜面、凸球面、凹球面、弧面等，試塊數(shù)字化模型見圖1。將三維模型導(dǎo)入3D 打印機(jī)打印5 組試塊，打印環(huán)境溫度23±5℃、濕度30%～60%；5 組試塊打印參數(shù)保持一致；打印結(jié)束3 小時(shí)后吊出試塊，先用刷子清理砂型表面，然后用低壓吹氣槍（小于0.3MPa）清理表面浮砂；測(cè)量使用儀器為精度等級(jí)0.01mm 的測(cè)量臂；藍(lán)色標(biāo)記表面為尺寸測(cè)試面，每個(gè)平臺(tái)應(yīng)至少均勻選取3 個(gè)測(cè)量點(diǎn)記錄，每個(gè)曲面應(yīng)至少均勻選取12 個(gè)測(cè)量點(diǎn)記錄。

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)5 組試塊的測(cè)量數(shù)據(jù)按照所分布的位置公差區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1 所示。通過統(tǒng)計(jì)分析得出對(duì)每個(gè)試塊的位置度公差測(cè)量數(shù)據(jù)分布完全符合正態(tài)分布的規(guī)律。

表1 試塊位置公差區(qū)間統(tǒng)計(jì)表

4 模型計(jì)算

通過正態(tài)分布的規(guī)律，可以看出砂型的尺寸精度可以用位置度公差測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ 來體現(xiàn)。但標(biāo)準(zhǔn)差不能直接測(cè)量，需要通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出，為了便于實(shí)際檢測(cè)實(shí)施，對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，先建立對(duì)應(yīng)的正態(tài)分布模型：

其中，理想狀態(tài)下μ=0 ；根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得0.15≤σ≤0.4；根據(jù)實(shí)際砂型的打印情況，當(dāng)σ小于0.3 時(shí)具有較好的尺寸精度，取σ=0.3。

將μ=0，σ=0.3 代入式中，并選取位置度公差在±0.4mm（注：也可以選擇其他范圍，目的是通過規(guī)定公差范圍及分布概率在實(shí)際檢測(cè)過程中代替標(biāo)準(zhǔn)偏差σ，實(shí)際精度只與標(biāo)準(zhǔn)偏差σ 有關(guān)）以內(nèi)點(diǎn)的分布概率通過計(jì)算可得：當(dāng)81.6%特征點(diǎn)的位置度公差在±0.4mm 以內(nèi)且99.9%特征點(diǎn)的位置度公差在±1mm 以內(nèi)時(shí)符合要求，計(jì)算結(jié)果見圖2。

5 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

通過上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)論，我們規(guī)定砂型的尺寸精度是否合格應(yīng)使用位置公差的方式檢測(cè)，其位置公差應(yīng)符合以下要求：

（1）80%特征點(diǎn)的位置度公差≤±0.4mm；

（2）99.9%特征點(diǎn)的位置度公差≤±1mm。

其測(cè)量裝置宜采用非接觸式三維掃描或者三維測(cè)量系統(tǒng)的方式測(cè)量；若采用接觸式測(cè)量?jī)x，應(yīng)保證觸頭與砂型的接觸不損傷砂型表面；測(cè)量裝置的精度應(yīng)高于0.01mm，測(cè)量條件應(yīng)符合《GB/T 1958-2017，6 檢測(cè)條件》的要求，測(cè)量基準(zhǔn)的建立應(yīng)符合《GB/T 1958-2017，8.2.1 擬合法》的要求。

砂型上選取特征測(cè)量點(diǎn)時(shí)應(yīng)符合以下要求：

（1）每個(gè)平面至少均勻選取3 個(gè)測(cè)量點(diǎn)；

（2）每個(gè)曲面至少均勻選取12 個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

如一測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量誤差明顯異于該測(cè)量面內(nèi)的其他測(cè)量點(diǎn)，可在該測(cè)量點(diǎn)周圍20mm 內(nèi)復(fù)測(cè)3點(diǎn)及以上，若復(fù)測(cè)結(jié)果與初測(cè)結(jié)果相同，則以初測(cè)結(jié)果為準(zhǔn)，若復(fù)測(cè)三點(diǎn)異于初測(cè)結(jié)果，則以復(fù)測(cè)三點(diǎn)的均值為準(zhǔn)。

6 結(jié)論

圖2 標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算結(jié)果

本文通過分析研究鑄造3D 噴墨打印砂型成形的特性給出了一種適合增材制造的尺寸精度測(cè)量方法。設(shè)計(jì)了一種測(cè)量試塊，通過打印試塊并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)分析得出鑄造3D 噴墨打印砂型位置公差的分布符合正態(tài)分布的規(guī)律，其尺寸精度可以用正態(tài)分布中的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ 來表示，通過計(jì)算對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差σ 值進(jìn)行了等同變換，使用位置公差范圍及分布概率表示，方便應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)，省略對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差σ 的計(jì)算過程。另外給出了一種對(duì)鑄造3D 噴墨打印砂型尺寸精度的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)及方法，填補(bǔ)了目前行業(yè)中這一領(lǐng)域在標(biāo)準(zhǔn)上的空白，對(duì)推動(dòng)3D 打印技術(shù)在鑄造行業(yè)的應(yīng)用以及砂型的產(chǎn)品化有著重要的意義。