微噴射粘結快速成形鑄造型芯關鍵技術研究.pdf

1、快速成形鑄造型芯是快速成形技術研究及應用的重要領域。采用微噴射粘結劑粘結粉末材料成形（3DP）鑄造型芯，與選擇性激光燒結（SLS）成形比較，具有設備投資小、運行成本低、壽命長、維護簡單、環(huán)境適應性好等突出優(yōu)點，更適合金屬零件的快速鑄造。目前，采用3DP工藝成形的砂型（芯）精度和強度偏低，需經打磨和焙燒等工藝處理；成形的陶瓷型芯燒結收縮率大，需經預燒和浸滲等工藝處理。這既延長了制造周期，又增加了操作難度。尋求解決砂型精度和強度偏低、陶瓷型

2、芯燒結收縮率大等問題的新方法和新途徑一直是鑄型（芯）微噴射粘結成形技術研究的關鍵所在。本課題采用擦洗硅砂和寶珠砂作為型砂材料，水玻璃和酚醛樹脂作為粘結劑，氧化鈣粉末作為陶瓷型芯材料，納米氧化鋯無水乙醇分散液作為粘結劑，系統研究了阻礙微噴射粘結快速成形高質量鑄型（芯）的若干關鍵技術問題，為金屬零件快速低成本的精確鑄造奠定了理論和技術基礎，具有較大的實際意義。
　?。?）針對液滴噴射精度低、已成形粉層的移位和開裂等降低制件成形精度和強

3、度問題，研發(fā)了微壓電雙噴頭單成形缸式微噴射粘結快速成形設備及控制系統。依據建立的液滴落點位置誤差與噴頭掃描速度和安裝高度的關系模型，采用位置補償法優(yōu)化了噴頭噴射的控制策略，提高了液滴噴射精度；依據鋪粉過程中已成形粉末層的受力模型和料倉中粉體壓力的分布特征，開發(fā)了隨動下落式鋪粉裝置，該裝置底部粉體受到的壓應力趨于零，可大幅降低鋪粉時已成形粉末層受到的壓應力和切應力作用。
　　（2）陶瓷粉末材料的流動性滿足隨動下落式鋪粉工藝要求且粘結

4、劑材料的粘度及表面張力滿足噴頭的噴射條件是微噴射粘結成形工藝順利進行的關鍵。采用物理改性方法提高了氧化鈣粉末的流動性并調節(jié)了粘結劑的粘度和表面張力。通過球磨-干燥-破碎工藝混合并控制氧化鈣粉末粒徑在150-300目，可使其流動性滿足成形要求；優(yōu)化設備的鋪粉參數使粉層致密度極大化是提高制件強度的前提條件。采用正交試驗法系統研究了隨動下落式鋪粉裝置的鋪粉速度和料斗縫寬對不同粒徑砂層致密度的影響規(guī)律及機理。研究結果表明：在不影響成形效率的前提

5、下，鋪粉速度為100m/s，縫寬為2mm時可使寶珠砂層致密度獲得極大值。
　?。?）系統并深入研究了型砂的角形系數和粒徑分布、粘結劑的表面張力和粘度等因素對微噴射粘結成形砂型軸向精度和性能的影響及機理。研究結果表明：角形系數為1.1的寶珠砂成形的砂型質量最好，砂型X、Y、Z三軸方向的尺寸誤差分別為0.18mm、0.11mm、-0.04mm，抗拉強度為0.88MPa，透氣率為176.8；酚醛樹脂粘結劑噴射量相同時，70-140目寶珠

6、砂層致密度最高，成形的砂型質量最好；隨型砂粒徑的減小，砂層孔隙尺寸減小，粘結劑滲透動力降低，使粘結劑外滲距離減小，砂型軸向尺寸隨之減??；由于水玻璃的粘度、固化速率和內聚強度都低于酚醛樹脂，水玻璃在砂層中的滲透動力大于酚醛樹脂，形成的粘結橋強度低于酚醛樹脂，導致了水玻璃砂型軸向精度和強度都低于酚醛樹脂砂型；把酚醛樹脂的表面張力由50 mN/m減小至42 mN/m，酚醛樹脂含量由55％提高至58%，則成形的砂型三個軸向尺寸誤差分別為0.11

7、mm、0.05mm、-0.03mm，尺寸誤差相對減小了50%、50%、40%，抗拉強度為0.85MPa，相對提高了10.39%。粘結劑溶液的粘度和表面張力影響其在砂層中的滲透動力，進而影響橫向滲透距離；粘結劑的內聚強度嚴重影響相鄰型砂顆粒形成的粘結橋強度，提高粘結劑溶液質量分數，可提高粘結劑的內聚強度，使單個粘結橋強度增大。
　?。?）分別以納米氧化鋯無水乙醇分散液和PVP無水乙醇溶液作為粘結劑，對比研究了分散液噴射量對氧化鈣陶瓷

8、型芯坯體及燒結體精度和性能的影響及機理。研究結果表明：隨粘結劑噴射量的增大，型芯坯體的尺寸誤差和致密度增大，以分散液成形的型芯精度和致密度大于PVP溶液成形的型芯精度和致密度；分散液噴射量為20%時，成形的氧化鈣陶瓷型芯坯體經1300℃燒結后獲得的燒結體質量最好，其長度方向的燒結線收縮率為2.11%、抗彎強度為14MPa。經噴射進入氧化鈣粉層的納米氧化鋯顆粒在粉層中的孔隙聚集并覆蓋氧化鈣顆粒表面，使型芯致密度增大，從而使燒結收縮率減小。