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3D打印技术和铸造模拟技术在精密铸造生产中的应用

来源:安徽恒利 收集 2016-10-25 浏览
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报告摘要:3D打印SLS 技术和铸造模拟CASTsoft技术是由北京北方恒利科技发展有限公司开发。使用CASTsoft软件可以有效地预测出工艺设计中存在的问题,能够预测出铸件可能存在的铸造缺陷,并根据模拟结果确定、改进、优化铸造工艺。利用CASTsoftCAD/CAE软件可以对铸造工艺参数如:浇注温度、充型时间、铸型材料、浇口棒等进行改进,改进后再次进行模拟,经过多次的改进直到消除铸造缺陷。3D打印技术可以使企业有能力快速生产各类大尺寸、结构复杂熔模精密铸件所用蜡模,减少大量外协费用,同时对于单件、小批量熔模精密铸件的生产可以不用模具,从而节省大量模具加工费用。

1、 前言

在航空、航天、国防、汽车等重点行业,其基础的核心部件一般均为金属零件,而且相当多的金属零件是非对称性的、有着不规则曲面或结构复杂而内部又含有精细结构的零件。传统的铸造工艺设计方法往往依赖于直觉经验,在铸件结构较为简单和铸造类似铸件时,经验可能起到一定的作用;在浇铸大型、复杂铸件且无相关经验时,只能通过反复工艺实验来确定工艺;当工艺存在重大失误时,可能使得工艺方案被彻底推翻。通过工艺反复实验来确定工艺的方法,可能导致先前制作的模具报废,对于大型铸件来说模具费用会相当高,这会造成重大经济损失,同时严重影响新产品的试制,延长新产品的试制周期。传统生产制造这些零件通常采用铸造或解体加工的方法。现在,利用北京北方恒利科技发展有限公司的CASTsoftCAD/CAE铸造模拟软件和激光粉末快速成型技术的工业级3D打印机相结合,可有效的解决这些问题。生产周期可缩短十倍以上。实现了生产的低成本和高效益,达到了铸件生产的个性化、多样性、快速铸造的目的。

2、 铸造模拟技术和3D打印技术

铸造工艺模拟CASTsoftCAD/CAE系统和3D打印技术系统框图(图1),铸造工艺设计CAD由铸件重量、体积、模数、补缩、浇铸等工艺参数计算和工艺图绘制、三维自动转二维、工艺卡自动绘制组成;铸造工艺模拟CAE集铸造过程仿真、铸造缺陷定量预测及结果定量显示。用3D打印技术无模具制造蜡件后,通过精密铸造生产出产品毛坯。整个周期只需要15-25天。

基本思路是:1)、将三维设计完成的铸件毛坯(含加工余量)输入到铸造工艺设计CAD中,进行浇注系统计算、冒口计算、冷铁计算、孤立熔池计算、模数计算;2)、根据计算结果大小和位置将浇注系统、冒口(冷铁)添加到铸件毛坯中;3)、将初始化的浇注系统和冒口信息输入铸造工艺模拟CAE,进行铸造过程模拟仿真,优化浇注系统和冒口,将优化好的浇冒信息输出;4)、根据毛坯三维图,利用HLP-500激光粉末快速成型机直接生产出铸件原型蜡件(含收缩量);5)、按照设计好的铸造工艺方案,给原型蜡件链接上浇注系统,并通过制壳、脱蜡、

高温焙烧等工艺制造模壳;6)、将加热到一定温度的金属液浇注到模壳里,冷却后脱壳,生产出铸件毛坯;7)、最后,利用数控设备生产出最终产品进行装配验证设计的合理性。

 

铸造工艺模拟CASTsoftCAE系统和3D打印技术系统框图

图1铸造工艺模拟CASTsoftCAE系统和3D打印技术系统框图

 

铸件三维图

图2铸件三维图

按照传统生产制造图2所示的铸件。由于是新产品,生产周期很长。首先是根据技术工程师经验,设计出大概的浇注工艺,然后进行模具的设计和生产。此零件形状并不复杂,如果采用设计压型进行生产,其模具的设计、生产周期约需2~3个月,模具投入生产到得到铸件还需半个月的时间。只要其中一个环节的设计不合理,整个过程可能就要重新开始,而且可能要反复数次。这不仅浪费了大量的人力物力,又将最终产品的批量生产拖延三五个月,甚至更久。现在,通过 CASTsoftCAD/CAE软件和3D打印技术恰好解决这个难题。利用其特点,从设计到生产出成品件的整个加工周期只要20天,甚至更少。

3、 铸造工艺方案设计

利用北京北方恒利科技发展有限公司开发的铸造工艺设计及工艺模拟CASTsoftCAD/CAE技术对铸件毛坯模数、工艺热结计算、冒口系统计算、浇注过程计算、凝固过程计算,对铸件毛坯进行工艺设计和铸造工艺缺陷的分析,依据分析结果对工艺进行改进,最后设计出合理的铸造工艺。采用 CAStsoftCAD/CAE技术进行体积法和模数法进行浇注系统计算、浇口棒计算和浇口位置确定,初步确定工艺,通过浇注过程凝固过程进行分析,进一步优化合理工艺,从而缩短工艺试制周期、降低工艺试制成本。

3.1工艺确定步骤步骤

1:采用CASTsoftCAE铸造工艺设计模块进行工艺热结计算确定铸件工艺布局,确定浇注系统。

采用CASTsoftCAE铸造工艺设计

 

根据模拟计算缺陷的结果(图5、图6),可以知道工艺方案1热节集中在铸件侧面的大平面旁边,适合放置冒口浇口棒,所以按方案1计算浇口棒,确定铸件工艺布局,确定浇注系统。步骤2:根据缺陷设计浇口棒,得到最终没有缩孔缩松缺陷的铸件。通过造型、涂料及浇注温度等方式保证表面质量,再通过铸造模拟软件进行铸造过程模拟,最后确定可行浇注工艺方案。

铸件工艺三维模型
图7铸件工艺三维模型

3.2前处理本次模拟时,铸件毛坯进行网格剖分的网格尺寸为2mm×2mm×2mm,共剖分网格800万单元(如图8)。

铸件毛坯进行网格剖分的网格尺寸

3.3铸造模型构建及模拟计算:按工艺要求添加精密铸造相应的工艺参数。参数设置如下:铸件材料:WCB,铸型材料:水玻璃,浇注温度1600°C,模壳焙烧1000-1150°C,浇注时模壳700°C左右。

3.4铸造工艺结果显示及工艺合理评定:

铸造工艺结果显示及工艺合理评定

 

缺陷透视图

图14缺陷透视图

采用CASTsoftCAE铸造工艺模拟模块进行铸造过程模拟验证,通过凝固过程、温度场及缩孔缩松的判定可以看到铸件内部没有产生缺陷,理论上满足质量要求。

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