引言
在現(xiàn)代市場經(jīng)濟(jì)全球一體化背景下的今天，企業(yè)要在競爭日益激烈的市場經(jīng)濟(jì)中掌握先機(jī)，占據(jù)有利地位，需要有技術(shù)和產(chǎn)品上的創(chuàng)新，把握并引導(dǎo)市場的發(fā)展方向。與此同時，對于市場的需求，企業(yè)需要做出快速的響應(yīng)。而目前大多數(shù)水泵企業(yè)都是用傳統(tǒng)的方法來開發(fā)新產(chǎn)品，產(chǎn)品研發(fā)的周期比較長，更難以實(shí)現(xiàn)小批量、多品種、改型快的要求。
激光燒結(jié)快速自動成型技術(shù)是近年來發(fā)展起來的直接根據(jù)CAD 模型快速生產(chǎn)樣件或零件的成組技術(shù)總稱。它集中了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)、激光技術(shù)和材料科學(xué)技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。隨著越來越多的水泵企業(yè)引進(jìn)快速成型系統(tǒng)，在降低新產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)成本、縮短研發(fā)周期、提高市場快速響應(yīng)能力等方面起到了積極的作用，從而保持了強(qiáng)大的市場競爭力。
一、HRPS-IV 快速成型系統(tǒng)在泵制造中的工藝技術(shù)
1.1系統(tǒng)原理
我公司選用的是華中科技大學(xué)武漢濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司生產(chǎn)的HRPS-IV快速成型系統(tǒng)。該設(shè)備采用激光燒結(jié)快速自動成型技術(shù)，其基本工作原理是離散與堆積，在使用該技術(shù)時，設(shè)計(jì)者首先借助現(xiàn)有的主流三維設(shè)計(jì)軟件或者通過逆向工程所采集的幾何數(shù)據(jù)，建立一個產(chǎn)品的三維模型，這是完成快速成型制造的一項(xiàng)基本條件。然后導(dǎo)出相應(yīng)的STL 文件格式輸入快速成型機(jī)當(dāng)中，再從STL 文件“切”出設(shè)定厚度的一系列片層，或者直接從CAD 文件切出一系列的片層，這些片層按次序累積起來便是所設(shè)計(jì)零件的原型件。部件完成后，再經(jīng)過必要的后續(xù)處理，使完成的部件在性能、形狀尺寸、外觀等方面達(dá)到設(shè)計(jì)要求。應(yīng)用激光燒結(jié)快速自動成型技術(shù)來進(jìn)行產(chǎn)品制造，可以忽略產(chǎn)品部件的外形復(fù)雜程度(這也是與傳統(tǒng)機(jī)械加工方式制造產(chǎn)品的最大區(qū)別之一)，原材料的利用率接近100%，制造精度可達(dá)±0.2mm 200mm。如圖1所示，整個成型過程是在成型活塞筒內(nèi)完成，在成型活塞筒的兩側(cè)各有一個供粉活塞筒。成型步驟如下：
圖1 HRPS-IV 設(shè)備原理和外觀
HRPS-IV設(shè)備使用的材料（PS）是一種粉末狀的高分子材料，粉粒直徑為50-125靘。零件制作時，首先供粉活塞上移一定量，鋪粉滾輪將粉末均勻地鋪在加工平面上。激光器發(fā)出激光，計(jì)算機(jī)控制激光器的開關(guān)及掃描器的角度，使得激光束以一定的速度和能量密度在加工平面上掃描。激光器的開與關(guān)以及掃描器的角度是與待成型的零件的片層的第一層信息相關(guān)。激光束掃過之處，粉末燒結(jié)成一定厚度的片層，未掃過的地方仍然是松散的粉末，這樣零件的第一層就制造出來了。這時，成型活塞下移一定距離，這個距離等于待成型零件的切片厚度，而供粉活塞上移一定量（上移的量與模型的切出的片層厚度有關(guān)，一般是略大于片層厚度）。鋪粉滾輪再次將粉末鋪平后，激光束依照零件的片層的第二層信息加工。激光掃過之后，所形成的第二個片層也燒結(jié)在第一層上，如此反復(fù)，一個三維實(shí)體就疊加制造出來了。
在上述原型件的制作過程中，有幾項(xiàng)設(shè)置參數(shù)可以幫助說明。首先，因?yàn)榱慵窃诟邷叵聼Y(jié)成型的，成型以后回到常溫下，零件都有一個收縮。因此，為了抵消這種收縮，需要進(jìn)行模型放大補(bǔ)償，一般沿Z 向放大1.005倍。另外，切片處理參數(shù)的設(shè)置，HRPS-IV快速成型系統(tǒng)的層厚設(shè)置根據(jù)精度要求，一般為0.2mm。該系統(tǒng)所用的刀具指的是激光束，在燒結(jié)零件外輪廓時，激光束成型的并不是理論上的一條線，因此需要進(jìn)行刀具補(bǔ)償，該補(bǔ)償為0.15mm。零件進(jìn)行切片處理，掃描參數(shù)一般選擇掃描線寬為0.15mm，即激光束掃描軌跡之間的間隔。掃描線寬太大，不容易燒結(jié)成型，掃描線寬太小，容易導(dǎo)致燒結(jié)區(qū)溫度過高。
1.2 泵零件制作的工藝過程
如圖2 所示為葉輪制作的簡要工藝過程說明，葉輪是泵中的核心部件，我們可以應(yīng)用激光燒結(jié)快速成型技術(shù)制作浸樹脂件，然后進(jìn)行產(chǎn)品的裝配和性能測試；也可以制作蠟?zāi)?，繼而獲得金屬鑄造件。我公司先使用Pro-Engineer 進(jìn)行三維造型，將其轉(zhuǎn)換成STL 文件格式，導(dǎo)入快速成型設(shè)備。設(shè)置系統(tǒng)的零件制作參數(shù)，進(jìn)行原型件的制作。待做完的零件冷卻后，從工作缸中取出，用工具小心清除未燒結(jié)的粉末，然后用壓縮空氣把原型件表面的浮塵吹干凈。接下來的后處理工藝分為浸樹脂件和蠟?zāi)５闹谱鲀煞N情況，在這里首先闡明浸樹脂件的制作工藝。在原型件的表面用刷子反復(fù)涂抹樹脂，使零件完全浸透，并用吸水紙將零件表面多余的樹脂吸干，然后放入60℃的烘箱中烘干。我們再看一下蠟?zāi)５暮筇幚砉に?，將預(yù)熱均勻的原型件放入65℃的蠟池中，待無氣泡溢出后，把蠟?zāi)Ｈ〕觯o置，使多余蠟析出。然后放入30℃的烘箱中緩慢冷卻，再放置空氣中冷卻至室溫，最后精整處理就能得到表面光滑的蠟?zāi)！?/div>
網(wǎng)友點(diǎn)評
上述是零件制作和后處理工藝的簡要說明，接下來我們結(jié)合激光燒結(jié)快速成型技術(shù)的實(shí)踐積累就泵件制作在幾方面重點(diǎn)剖析。
1.2.1 大型泵零件制作的工藝要求
對于激光燒結(jié)快速自動成型技術(shù)來說，其加工工藝、參數(shù)設(shè)置隨著成型件結(jié)構(gòu)尺寸而呈現(xiàn)不同的變化。RPS-IV成型機(jī)的最大成型空間500×500×400（長×寬×高，單位：mm），需要制作的原型一般應(yīng)小于這個尺寸。如圖3所示為一雙吸泵葉輪，其直徑為φ760mm，無法在成型機(jī)中一次性燒結(jié)制作。在這里我們將其剖分成四塊，然后逐一燒結(jié)。成型蠟?zāi)Ｖ坪煤螅侔垂に囈筮M(jìn)行整體組合、粘接，其粘合強(qiáng)度足以滿足制殼的強(qiáng)度需求。在這里我們特別說明是，在激光燒結(jié)成型時遇到象這樣的大件，采取提高成型質(zhì)量的措施就顯得尤為重要了。在激光燒結(jié)過程中，未燒結(jié)的松散的粉末對成型件起到了自然支架的作用。對這些松散的粉末進(jìn)行加熱處理可以使之粘結(jié)，加熱溫度越高其板結(jié)程度越高，其對零件的支撐作用就越顯著，可以更好地防止零件（蠟?zāi)＃┳冃?；但是要注意，加熱溫度越高，未燒結(jié)粉末越板結(jié)，隨后的清理就越困難了。另外，在成型缸上部裝有加熱器，并由溫控表控制粉末表面溫度，加熱的作用是減小成型過程中的變形、節(jié)省激光能量。對于PS粉末，其加工時的粉末表面溫度設(shè)定為98～102℃。為了防止零件變形，一般成型件底部的溫度要高于此值20℃，也就是120℃左右。具體辦法是當(dāng)紅外測溫儀測得成型缸表面的粉末溫度達(dá)到120℃時就可以進(jìn)行燒結(jié)，然后在前25 層燒結(jié)成型過程中，逐漸降低加熱溫度的值，也就是逐漸降低加熱器的功率。目的是使成型缸粉末的表面溫度恒定在98～120℃成型所需的溫度范圍內(nèi)。因?yàn)閯傞_始激光器燒結(jié)粉末，在成型缸內(nèi)熱積累較少，因此加熱器需要大功率加熱。經(jīng)過一定層數(shù)的激光燒結(jié)以后，成型缸內(nèi)具備了一定的熱積累，因此加熱器功率減小，這樣可以保證成型件上下成型時的溫度恒定，有利于防止底部熱變形，提高成型質(zhì)量。
圖3 大尺寸零件，剖分成幾塊燒結(jié)
1.2.2 浸樹脂零件制作的工藝要求
制作的浸樹脂零件可以用于普通功能件，在HRPS-IV快速成型系統(tǒng)中由PS粉末直接成型的零件強(qiáng)度低、韌性差，容易遭破壞。通過后處理工藝過程的清粉、浸膠（浸入樹脂）、烘干、拋光后方能應(yīng)用于產(chǎn)品裝配、干涉檢驗(yàn)、性能測試，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)零件的結(jié)構(gòu)合理性、制造工藝的可行性。但是浸樹脂零件有一定的適用范圍，根據(jù)我們長期的實(shí)踐積累，如果成型制作的浸樹脂零件用于性能測試，只適用于如圖4 所示左側(cè)的葉輪，其直徑小于315mm，出口流道寬度控制在15mm以內(nèi)。而承壓件，如圖示右側(cè)的泵體如若用于性能試驗(yàn)，就不能夠進(jìn)行浸樹脂零件制作了。
1.2.3 蠟?zāi)Ｖ谱鞯墓に囈?/div>
激光燒結(jié)快速成型技術(shù)制作的蠟?zāi)＃梢詰?yīng)用于金屬精密鑄造。具體方法是制出蠟?zāi)Ｔ秃?，首先要把附在原型上未燒結(jié)的粉末清理干凈，然后放入65℃的蠟池中，浸透，待無氣泡溢出后把蠟?zāi)Ｈ〕鲋茫苟嘤嘞炍龀?。待蠟?zāi)＠鋮s至室溫，再進(jìn)行精整處理后就能得到表面光滑的蠟?zāi)?。在HRPS-IV快速型系統(tǒng)中制作蠟?zāi)Ｒ刂破涑叽纾鶕?jù)合金收縮率、模殼膨脹系數(shù)、工藝方案調(diào)整蠟?zāi)、Y、Z 方向上的線收縮率，給予模型放大補(bǔ)償。這樣即可得到理想尺寸的蠟?zāi)?，繼而獲得鑄件。在這里，我們是用PS粉末作為成型材料做消失模，根據(jù)模具鑄造材料的不同選擇不同的縮放比例，如果消失模是用來鑄造鋁件，那么要CAD 模型整體放大1%；如果消失模是用來鑄造鋼件，那么要給CAD 模型整體放大2%。在實(shí)際制作工藝過程中，通過對鑄件尺寸的測定反過來可再次對蠟?zāi)３叽邕M(jìn)行協(xié)調(diào)，最終獲得合格的蠟?zāi)：丸T件。例如圖4 所示的葉輪，按最初的工藝方案生產(chǎn)，設(shè)定其綜合收縮率為2％，經(jīng)過對鑄件的實(shí)際測量，其綜合收縮率變?yōu)?.7％，只需要在系統(tǒng)中對模型的放縮進(jìn)行調(diào)整即可校正蠟?zāi)３叽?。如果采用壓型生產(chǎn)，該收縮率的調(diào)整將可能導(dǎo)致其報(bào)廢，除造成成本大幅提高，其生產(chǎn)周期至少耽誤半年以上。另外，對于鑄件生產(chǎn)過程中存在阻礙收縮等非自由收縮情況，導(dǎo)致鑄件非線性收縮嚴(yán)重，繼而影響到鑄件尺寸精度時，我們可以在使用Pro_Engineer進(jìn)行三維造型時考慮，直接根據(jù)其收縮關(guān)系繪出實(shí)際使用的蠟?zāi)３叽?，最終獲得合格的鑄件。
1.3 HRPS-IV 快速成型系統(tǒng)提升泵制造技術(shù)
● 制造快速：激光燒結(jié)快速成型技術(shù)是并行工程中進(jìn)行復(fù)雜原型或者零件制造的有效手段，能使產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具生產(chǎn)同步進(jìn)行，從而提高企業(yè)研發(fā)效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，極大的降低了新產(chǎn)品開發(fā)的成本及風(fēng)險，對于外形尺寸較小、異形的產(chǎn)品尤其適用。
● CAD/CAM 技術(shù)的集成設(shè)計(jì)制造一體化一直來說是現(xiàn)在的一個難點(diǎn)，計(jì)算機(jī)輔助工藝（CAPP）在現(xiàn)階段由于還無法與CAD、CAM 完全的無縫對接，這也是制約制造業(yè)信息化一直以來的難點(diǎn)之一，而快速成型技術(shù)集成CAD、CAM、激光技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、化工、材料工程等多項(xiàng)技術(shù)，使得設(shè)計(jì)制造一體化的概念完美實(shí)現(xiàn)。
● 完全再現(xiàn)三維數(shù)據(jù)：經(jīng)過快速成型制造完成的零部件，完全真實(shí)的再現(xiàn)三維造型，無論外表面的異形曲面還是內(nèi)腔的異形孔，都可以真實(shí)準(zhǔn)確的完成造型，基本上不再需要借助外部設(shè)備進(jìn)行修復(fù)。
● 創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益：與傳統(tǒng)機(jī)械加工方式比較，開發(fā)成本上節(jié)約10 倍以上。同時，快速成型技術(shù)縮短了企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)周期，使得在新產(chǎn)品開發(fā)過程中出現(xiàn)反復(fù)修改設(shè)計(jì)方案的問題大大減少，也基本上消除了修改模具的問題，創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的。[9,10]
二、HRPS-IV 快速成型系統(tǒng)與傳統(tǒng)精密鑄造技術(shù)的組合應(yīng)用
快速成型與傳統(tǒng)精密鑄造技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了快速鑄造?？焖俪尚图夹g(shù)在熔模精密鑄造中的應(yīng)用可以分為三種：一是消失成型件（模）過程，用于小量件生產(chǎn)；二是直接型殼法，也用于小量件生產(chǎn)；三是快速蠟?zāi)Ｄ＞咧圃?，用于大批量生產(chǎn)。目前在我公司，激光燒結(jié)快速成型技術(shù)主要是與現(xiàn)有的精密鑄造工藝相結(jié)合，生產(chǎn)用于熔模鑄造的蠟?zāi)！?/div>
對精鑄工藝而言，蠟?zāi)Ｓ糜诤罄m(xù)工序的有蠟?zāi)＝M合、涂料、脫蠟。
2.1 模組組合
激光成型蠟?zāi)Ｖ坪煤?，需要按工藝要求進(jìn)行澆冒口組合。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，使用車間現(xiàn)有的中溫蠟料即可對激光成型蠟?zāi)＿M(jìn)行修補(bǔ)、組合、粘接，兩者的粘合強(qiáng)度足以滿足制殼的強(qiáng)度需求。因此，根據(jù)成本、機(jī)加、生產(chǎn)周期考慮，澆冒口一般選用車間現(xiàn)有澆注系統(tǒng)。由于澆冒口形狀簡單，即使車間澆注系統(tǒng)不合適，加工其壓型也很方便、快捷。
2.2 模組涂料制殼
經(jīng)過試驗(yàn)，快速成型蠟?zāi)５耐繏煨院芎?，完全可以利用原有工藝進(jìn)行涂料配制，模組涂掛制殼，面層硅溶膠+鋯英粉涂料，加強(qiáng)層硅酸乙酯+煤矸石涂料。
2.3 脫蠟
由于快速成型蠟?zāi)５娜刍瘻囟雀撸荒苁褂谜魵饷撓灩に?。為此設(shè)計(jì)了專用工藝，首先利用車間現(xiàn)有的坭芯烘烤爐脫去模組中的中溫蠟料制作的澆冒口，然后將模殼裝入一自制的簡易工裝，放入井式電阻爐，在開放的環(huán)境中對其進(jìn)行烘烤，脫掉快速成型蠟?zāi)?。通過脫蠟后的目視檢查，同時參考澆注后的鑄件表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)脫模（烘烤）后快速成型蠟?zāi)；灸軌驌]發(fā)干凈，其殘留物對最終鑄件沒有影響。
2.4 模殼焙燒、澆注、鑄件清理
模殼焙燒、澆注、鑄件清理和原精鑄工序相同。我公司在引進(jìn)快速成型技術(shù)前，采用傳統(tǒng)精鑄工藝生產(chǎn)。對于新產(chǎn)品的研制，生產(chǎn)周期相當(dāng)長，其中壓型的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)又占據(jù)了較長的時間。例如圖4所示的泵體，如果采用設(shè)計(jì)壓型進(jìn)行生產(chǎn)，其模具的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期約需2～3個月，模具投入生產(chǎn)得到鑄件還需半個月的時間。而快速成型設(shè)備恰好具備這方面的優(yōu)勢，3天內(nèi)可以得到零件蠟?zāi)蛹倩ò雮€月即可得到鑄件。
三、結(jié)束語
我公司通過引進(jìn)HRPS-IV快速成型系統(tǒng)，建立了為企業(yè)服務(wù)的快速成型服務(wù)平臺，有力地推動了新產(chǎn)品研發(fā)工作。新研發(fā)的水泵葉輪、蝸殼等，利用快速成型平臺將設(shè)計(jì)結(jié)果直接轉(zhuǎn)化為零部件，并進(jìn)行多方案比較，從中選優(yōu)，最大可能地提高水泵性能、減少造價，降低了模具制造風(fēng)險，縮短了新產(chǎn)品開發(fā)周期。模型或樣件可直接用于新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證、功能驗(yàn)證、外形驗(yàn)證、工程分析、市場訂貨等，非常有利于優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從而大大提高新產(chǎn)品研發(fā)的一次成功率。
快速自動成型技術(shù)與鑄造車間現(xiàn)有的精密鑄造工藝相結(jié)合，對一些任務(wù)緊、時間急的單件小批量熔模密鑄件的生產(chǎn)，相比傳統(tǒng)的精密鑄件生產(chǎn)周期減少60%。同時對于單件、小批量熔模精密鑄件的生產(chǎn)可以不用模具，從而節(jié)省大量模具加工費(fèi)用，大大縮短生產(chǎn)周期，而且也使鑄造車間精密鑄造水平有所提高。
近年來，在國家科學(xué)技術(shù)部的支持下，我國快速自動成型技術(shù)的發(fā)展走上了專業(yè)化、市場化的軌道。自主研發(fā)應(yīng)用于快速成型的材料也逐步趨于完善，我國已初步形成了快速成型設(shè)備和材料的制造體系。隨著市場競爭的日趨激烈，快速成形技術(shù)作為一種具有廣泛應(yīng)用前景并且正在不斷完善的高新技術(shù)，將會被越來越多的企業(yè)所采用，為我國制造型企業(yè)的發(fā)展起到有力的支撐作用，給企業(yè)帶來直接的巨大經(jīng)濟(jì)效益。同時，快速成形技術(shù)作為一門多學(xué)科交叉的專業(yè)技術(shù)，其本身的發(fā)展，也將推動相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此大力推行發(fā)展我國快速成型技術(shù)，建立創(chuàng)新技術(shù)自我知識產(chǎn)權(quán)，對提升我國企業(yè)的民族品牌效應(yīng)，矗立世界行業(yè)之巔必將打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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