激光快速成型与精密铸造技术的工艺组合应用(中)

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　　要控制蜡模尺寸，先需根据合金收缩率、模壳膨胀系数、工艺方案给出蜡模X、Y、Z方向上的线收缩率。该收缩率确定后，可以在Magics RP软件对零件处理时首先进行放缩，这样即可得到理想尺寸的蜡模，继而获得铸件。通过对铸件尺寸的测定反过来可再次对蜡模尺寸进行协调，最终获得合格的蜡模和铸件。例如某铸钢件，按最初的工艺方案生产，设定其综合收缩率为2%，经过对铸件的实际测量，其综合收缩率变为1.7%，只需在Magics RP软件下，对模型的放缩进行调整即可校正蜡模尺寸。如果采用压型生产，该收缩率的调整将可能导致其报废，除造成成本大幅提高，其生产周期至少耽误半年以上。

　　对于铸件生产过程中存在阻碍收缩等非自由收缩情况，导致铸件非线性收缩严重，继而影响到铸件尺寸精度时，我们可以在使用Pro/Engineer进行三维造型时考虑，直接根据其收缩关系绘出实际使用的蜡模尺寸，最终获得合格的铸件。

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　　3.2蜡模变形控制

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　　如何有效地控制蜡模的变形，需要先了解激光选区的烧结原理。北京隆源选区激光烧结成型系统的主体结构是：在一封闭成型室中装有两个活塞筒，一个用于供粉，另一个用于成型。加工开始时，供粉活塞上移一定量，铺粉滚筒将粉均匀地铺在加工平面上，激光束在计算机的控制下，透过激光窗口以一定的速度和能量密度扫描，激光束扫过之处，粉末烧结成一定厚度的片层，未扫过的地方仍然是松散的粉末，这样零件的第一层就制造出来了。这时，成型活塞下移一定距离，这个距离与设计零件的切片厚度一致，而供粉活塞上移一定量。铺粉滚筒再次将粉末铺平后，激光束开始依照设计零件第二层的信息扫描。激光扫过之后，所形成的第二个片层同时也烧结在第一层上。如此反复，一个三维实体就制造出来了。如图3所示。

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　　选区激光烧结成型与其它许多快速成型方法不同，不需要先搭支架。在激光烧结前未烧结的松散的粉末作了自然支架。这对含悬臂结构(Overhangs)、中空结构(hollowed areas)、和槽中套槽(nothces withinnotches)结构的零件制造很有效。对这些松散的粉末进行加热处理可以使之粘结，加热温度越高其板结程度越高，其对零件的支撑作用就越显著，可以更好地防止零件(蜡模)变形；但加热温度越高，未烧结粉末越板结，蜡模清理就越困难；因此，我们需要采取多种措施来防止蜡模的变形。以下是几个典型零件的示例。

　　3.2.1支座

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　　支座示意图如图4。从剖视图上可以看出，该零件壁厚差别大，按0.2mm一层切片，激光功率22.5W。烧结制造的蜡模薄壁和厚壁交接处沿圆周方向有一圈缩陷，沿零件轴线方向约10mm，中间缩陷最深处约1.2mm。其产生原因是由于该处壁厚差别大，有热节，粉末烧结收缩不匀造成。因此，我们对蜡模的三维原型进行了镂空处理，同时在悬空凸台部位加上一些支撑薄片，防止变形，如图5所示。

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　　从图5可以看出，镂空后的三维原型壁厚4mm均匀。然后使用原参数对该模型进行切片、激光选区烧结，获得的蜡模无缩陷，强度能满足后续工作要求。并且该镂空及壁厚均匀化处理极大地缩小了蜡模的截面积，使激光选区烧结的时间从原来的8.5h减少到现在的4.5h，缩短了约一半的激光烧结时间；同时，由于蜡模内部PSB粉料未曾烧结，钻孔倒出后可节约大量粉料，而且蜡模镂空后还能缩短浸蜡时间。综上所述，该零件蜡模镂空处理后可极大地降低原材料成本、生产成本，同时由于蜡模重量的减轻可降低后续工作的劳动强度。

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　　3.2.2盒子

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　　盒子示意图如图6。该零件最小壁厚2mm，最大轮廓尺寸大于400mm。考虑到薄壁大平面易变形问题，采用了加筋工艺，同时零件尺寸超出了设备成型缸的尺寸，只有采取分块烧结最后组合的工艺方案。为了最大可能地保证蜡模尺寸精度，采用了以下方案。

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　　图6盒子示意图

　　如图7所示，切除该零件四个耳片，保证其主要结构尺寸，切除后零件尺寸满足设备生产要求。然后设定切层厚度0.15mm，激光功率25W，粉末表面加热温度95℃。从激光烧结的角度来说，选区烧结激光束按X、Y方向交替扫描，旋转45°后同样能量的激光通过扫描器后烧结的长度变短，作用于单位面积上能量提高，有利于提高烧结原型强度。

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　　图7工艺图

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