利用SLS技术烧制复杂液压阀体砂芯_余立华
利用ＳＬＳ技术烧制复杂液压阀体砂芯
余立华 林少辉
（武汉滨湖机电技术产业有限公司）
摘 要 对多通道液压阀体砂芯的工艺过程进行了研究。采用ＳＬＳ技术，生产出合格的砂芯。通过采用过１４０～７０号筛的细宝珠砂做原砂配制覆膜砂，加入酚醛树脂，采用合适的烧结成形工艺参数，可以烧结出高强度砂芯。采用合理的铺粉机构，可有效减少铺粉过程对已烧结工件的扰动，明显降低烧结时的预热温度，从而减少由于热集效应导致的复杂砂芯难以清理的问题，提高砂芯的精度。
关键词 液压阀体；ＳＬＳ；砂芯
中图分类号 ＴＧ２４９；ＴＧ２４２．７ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００１－２２４９（２０１２）０９－０７９２－０４
Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓａｎｄ Ｃｏｒｅ ｆｏｒ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ
Ｖａｌｖｅ Ｂｏｄｙ ｂｙ ＳＬＳ（Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）
Ｙｕ Ｌｉｈｕａ，Ｌｉｎ Ｓｈａｏｈｕｉ
（Ｗｕｈａｎ Ｂｉｎｈｕ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｓａｎｄ ｃｏｒｅ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｖａｌｖｅ ｂｏｄｙ ｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｎｄ ｑｕａｌｉｆｉｅｄ ｓａｎｄ ｃｏｒｅ ｗａｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＳＬＳ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｅ ｐｅａｒｌｉｔｅ ｓａｎｄ ａｓｒａｗ ｓａｎｄ ｔｏ ｐｒｅｐａｒｅ ｃｏａｔｅｄ ｓａｎｄ ａｎｄ ａｄｄｉｎｇ ｐｈｅｎｏｌｉｃ ｒｅｓｉｎ ｗｉｔｈ ｂ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｓａｎｄ ｃｏｒｅ ｃａｎｂｅ ｓｉｎｔｅｒｅｄ ｗｉｔｈ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｕｓｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒ ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｐｏｗｄｅｒ ｍａｃｈｉｎｅ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒ－ｅｎｃｅ ｏｆ ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｐｏｗｄｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓａｎｄ ｃｏｒｅ ｓｉｎｔｅｒｅｄ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ ｐｒｅ－ｈｅａｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｕｒｉｎｇ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ａｌｓｏ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｆｏｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｃｌｅａｎ ｄｉｆｆｉ－ｃｕｌｔｙ ｏｆ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｓａｎｄ ｃｏｒｅ ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｆｒｏｍ ｈｅａｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｓａｎｄｃｏｒｅ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｖａｌｖｅ Ｂｏｄｙ，ＳＬＳ，Ｓａｎｄ Ｃｏｒｅ
１ 砂芯结构和工艺性分析
图１和图２是多通道液压阀阀体砂芯图，外形尺寸为４２４ｍｍ×１８４ｍｍ×３２９ｍｍ。我公司加工砂芯，要求该砂型标准８字形试样抗拉强度不低于２．２ＭＰａ，１ ０００℃下发气量不高于２２ｍＬ／ｇ。
该液压阀体砂芯前后左右和上下６个面都有芯头，芯头与通道相连，通道与通道间有小的流道相通。图１中上部３个芯头间相互不连接，且芯头与流道连接处通道狭小，极容易在连接处断裂。图１中Ａ处流道与芯头和主体连接处直径仅为５ｍｍ，轻微振动就容易因不能承受自重而断裂。图２中ｂ处流道间距离狭小，内部轻微烧结就很难清理，极难保证精度。
上述分析表明，该零件形状复杂，砂芯壁厚不均匀，悬臂梁多，芯头与通道处连接单薄，
轻微振动容易引起
图１ 阀体砂芯的三维图和局部放大图
收稿日期：２０１２－０３－１５；修改稿收到日期：２０１２－０５－０８
第一作者简介：余立华，男，１９７９年出生，工程师，武汉滨湖机电技术产业有限公司，武汉市关山二路１－１号喜玛拉雅数码园（４３００７４），电话：１３２９７９８１７２５，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｕｌｈ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ
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（编辑：张正贺）
实用研究特种铸造及有色合金 ２０１２年第３２卷第９期DOI:10.15980/j.tzzz.2012.09.013
单薄处因不能承受自重而断裂；流道间距离狭小，内部很难清理
。
图２ 阀体砂芯部分剖切图和局部放大图
选择性激光烧结快速成形系统———ＳＬＳ（ＳｅｌｅｃｔｅｄＬａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ
），首先将ＣＡＤ三维模型转化为ＳＴＬ文件，按照一定的厚度进行切片，得到切片的截面轮廓。然后控制激光束对模型实心部分的粉末进行扫描，使粉末颗粒熔化而互相粘结，逐步得到该层的轮廓。完成一层扫描后，工作台下降一层截面高度，再进行下一层的铺粉和烧结，
最终形成三维模型。利用ＳＬＳ设备直接烧结覆膜砂，因覆膜砂的溃散性好，所以特别适用于制作复杂砂芯，已在生产中得到了一定的运用。
２ ＳＬＳ烧结覆膜砂工艺
酚醛树脂覆膜砂具有砂型强度高、发气性低、透气
性好、
表面光洁等特点［１］
。在激光扫描烧结时，覆膜砂温度达到酚醛树脂熔点，树脂发生交联反应将型砂粘结在一起而获得一定的初强度，称为烧结强度。由于激光扫描烧结后铸型（芯）的强度较低，不能直接用于浇注铸件，必须对激光烧结的铸型（芯）进行再加热保温处理，获得更高的砂型强度，称之为固化强度。烧结强度要经受住浮砂清除、搬运等过程中所受的作用力；固化强度要经受住浇注时金属液的静压力和热作用力等。两者的大小主要与覆膜砂的性能、激光的扫描烧结工艺参数等有关。
２．１ 覆膜砂的选择
影响覆膜砂性能的主要参数有：覆膜砂的配制方法、粒度、粒度分布、熔点、流动性、热膨胀率、灼烧减量、
发气量、砂型（芯）的后固化温度等［２］
。砂型（芯）的烧结
强度与原砂的选取、树脂用量有密切关系，而表面质量由砂的粒度及其分布决定。２．１．１ 原砂的选取
ＳＬＳ烧结覆膜砂时，
由于砂子摩擦力大，铺砂时容易推动成型缸中的制件，因而ＳＬＳ用覆膜砂尽量选用流动性好，形状近似球形的宝珠砂。宝珠砂还具有热膨胀系数小、透气性好、耐火度高等特点。用宝珠砂原砂
配成的覆膜砂，在树脂加入量一定时，覆膜砂的强度是硅砂及其再生砂的１．３～１．７倍。因此，在同样强度时，可减少树脂加入量，进而减少气孔缺陷；该覆膜砂浇注后的残留强度极低，仅通过振动，碳化后的树脂就非常
容易从砂粒表面剥离［３］
。因而选用１００％的宝珠砂。
２．１．２ 覆膜砂的粒度
ＳＬＳ烧结成形是一种叠加成形方法，
容易在曲面上产生台阶效应，
成形中应尽量选择较小的层厚，而砂粒越细可允许选择的烧结层厚越小，因此所选覆膜砂的粒度越细，激光烧结后的砂型（芯）的表面质量越高。但
是，覆膜砂所用原砂粒度越细，单位体积的比表面积越大，需要的树脂加入量也越大，发气量也越大；同时粒度越细，透气性越低。但粒度太粗会引起铸件表面粘砂。同时，ＳＬＳ烧结成形是一种无压力成形，砂的堆积相对疏松，同样粒度的覆膜砂用ＳＬＳ成形的砂型（芯）的透气性，要比用传统热模板覆膜成形的砂型（芯）好。综合考虑以上因素，最终选定的覆膜砂的粒度为过１４０～７０号筛。
２．１．３ 树脂含量
由于ＳＬＳ烧结成形时的激光能量较高，部分树脂在成形过程中会分解，
因此，激光烧结法所使用的覆膜砂的树脂量可比传统的成形方法中树脂含量稍高些。用热模板壳型覆膜方法的壳型（芯）用覆膜砂的树脂加入量（质量分数）为０．２％～２．３％。为了确定合适的树脂加入量，
做了一组试验。覆膜砂生产厂商按要求用同一批宝珠砂加入ａ、ｂ、ｃ ３种不同量树脂制成覆膜砂，再利用相同的烧结参数和后固化工艺分别制作４组“８”字样件，测量不同树脂加入量覆膜砂的抗拉强度和发气量。测量结果见表１。
表１ “８”字形试样抗拉强度和１
０００℃的发气量树脂含量
抗拉强度／ＭＰａ
１ ２ ３ ４平均发气量／
（ｍＬ·ｇ－１）ａ２．１２ ２．４３ ２．８４ ２．７８ ２．５４ １８．３ｂ ３．０４ ２．９８ ２．２１ ２．４３ ２．６６ ２１．４ｃ
３．０２
２．７８
２．９０
３．２２
２．９８
２３．０
由表１可知，
随着树脂含量的增加，试样的抗拉强度也适当增加，
同时发气量也相应增加。考虑到液压阀体砂芯的复杂性，应选用强度适中，发气量合适的覆膜砂，因而选用树脂含量ｂ作为本次试验用砂。２．２ 砂芯的烧结成形工艺
覆膜砂激光烧结成形的工艺参数有预热温度、铺粉厚度、扫描线间距、扫描速度和激光功率等，这些参数将直接影响到砂型（芯）的强度、精度以及最终铸件的质量。
目前，覆膜砂激光烧结成形工艺参数对砂型（芯）的强度、精度的影响以及如何提高强度的措施已经做了大
利用ＳＬＳ技术烧制复杂液压阀体砂芯 余立华 等
量的研究工作［５～８］。
（１）预热温度 预热温度一般控制在略低于树脂熔点，使砂层表面有轻微的粘连，可以减小铺粉辊铺砂对砂层表面的干扰，同时轻微地粘连对砂体也起到固定的作用，有利于降低成形砂芯的收缩，提高砂型（芯）的精度。过高的预热温度使得覆膜砂产生结块，不利于成形后砂型（芯）的清理。
（２）铺粉厚度 较小的铺粉层厚有利于减小砂型（芯）曲面上的台阶效应，提高砂型（芯）的表面质量和精度。但过小的铺粉层厚降低了效率，同时容易引起砂型（芯）局部过烧，发生翘曲变形，制件被铺粉辊推动。
（３）激光功率、扫描速度和扫描线间距 上述３因素主要决定了覆膜砂表面的激光照射区的温度情况，从而决定了酚醛树脂交联固化的程度。一般来说烧结强度随激光功率的增加而增加，但激光功率增加到一定程度后，烧结强度随着功率的增加强度反而下降，这时覆膜砂表面已经部分碳化分解。
扫描速度决定了在相同时间内，激光对粉末的加热时间。一般情况下，扫描速度越低，表明激光对粉末加热的时间越长，烧结强度越高，但时间过长也存在过烧的问题。
扫描线间距与激光的光斑直径有关。扫描线间距不应大于激光的光斑直径。当扫描线间距过小时，能量的叠加效应明显，会引起局部温度过高，交联过度，发生翘曲／过烧等问题。
试验所用设备是自主开发的选择性激光烧结系统ＨＲＰＳ５５４ＩＶ，成形尺寸为５００ｍｍ×５００ｍｍ×４００ｍｍ，光斑直径为０．４ｍｍ。考虑到砂芯加工效率、精度以及试验中所选砂的最大直径，选用０．３ｍｍ的铺粉厚度较为合适；对于扫描速度和扫描线间距，选用２ ０００ｍｍ／ｓ的扫描速度和０．１５ｍｍ的扫描线间距；确定了铺粉厚度、扫描速度和扫描线间距后，通过烧制“８”字形试样的试验来确定激光功率和加工时的预热温度。通过表２和表３可以发现，可选用激光功率为３０Ｗ，预热温度为７５℃来烧制砂芯。
表２ 烧结参数试验表———激光能量（预热温度为７５℃）激光能量／Ｗ效果
１ ２０制件单层强度低，不能成形
２ ２５制件层与层粘接不牢
３ ３０制件成形粘接较牢，轮廓清晰
４ ３５制件粘接牢，轮廓粘砂严重，不清晰
表３ 烧结参数试验表———预热温度（激光能量为３０Ｗ）预热温度／℃效果
１ ６５烧制过程中，制件被铺粉辊推动
２ ７０烧制过程中，制件被铺粉辊推动
３ ７５制件较平稳，精度较好
４ ８０烧制过程中，结块严重，无法清理 对于实际工件的烧制，除了以上需要考虑的因素外，还必须根据实际情况决定工件的加工次序和根据加工次序做适当的工艺支撑。通常情况下选择大加工面作为工件底部，同时在悬臂处增加支撑以免一些“孤立件”在清空未烧结的浮砂后由于自重而断裂，同时增加的支撑也可以避免“孤岛”部分由于没有“底部”固定容易在铺粉过程中发生移动的情况。根据此多通道液压阀体的特点，确定按照流道方向来烧结，在底部用筋联接起来组成一个网状结构，在悬臂处增加支撑与底部网状支撑连为一体，增加支撑后砂芯见图３
。
图３ 砂芯加支撑图
将砂芯的三维模型的ＳＴＬ文件输入到计算机内，输入选定的工艺参数，快速成形系统就可按三维图形自动完成，然后将成形完毕后的覆膜砂型（芯）取出，清扫未烧结的覆膜砂，发现在Ｂ处发生结块现象，清理困难，即使清理出来也无法保证精度要求，见图４
。
图４ Ｂ处烧结失败图
２．３ 失败原因分析
对于Ｂ处结块现象，应为局部温度过高导致覆膜砂粘接。在实际生产中，激光功率决定了烧结深度，而预热温度的选取通常选用为以已烧结部分不被铺粉辊推动的最低温度，同时保证已烧结部分有一定的强度能够支撑自重。
对于Ｂ处板结现象，可理解为能量的聚集效应产生的累积效果。在烧结此处时，单层烧结并不能使烧结体与浮砂发生交联，但砂的热传导效果较好，激光能量极容易从烧结区传导到周围区域，而Ｂ处烧结相对面积大，随着时间的增加，热量累积效应越来越明显，最后在这狭小区域内温度达到树脂的交联固化温度，从而产生结块现象。
特种铸造及有色合金 ２０１２年第３２卷第９期
２．４ 改进措施
可以在加工到此处时加强设备通风，使激光传递给周围浮砂的能量能够迅速被冷空气带走。但由于设备是无人看守型，
无法实现实时监控，即使用人力来加强空气的流通，工作量也比较大，此法不可取；也可以通过降低预热温度的方式来避免这种情况。烧结时预热的作用是使砂层表面有轻微的粘连，减小铺粉辊铺砂时对砂层表面的干扰，
可通过降低铺粉辊铺砂对砂层表面干扰的方式来降低预热温度，从而避免结块现象发生。
通常ＳＬＳ设备的铺粉方式是图５ａ中的辊式铺粉方法。这种方式铺粉时，由于铺粉辊前面存在覆膜砂，砂子形状不完全是圆形，且密度大，因而对粉床的干扰大，底部已烧结部分需要较深的粘接程度才能抵抗住铺粉机的干扰。图５ｂ中的斗式铺粉法，铺粉时覆膜砂从粉斗中的口部均匀地铺在工作面上，对粉床的干扰有显著的降低效果，采用斗式铺粉，可适当降低预热温度
。
（ａ）辊式铺粉（ｂ
）斗式铺粉图５ 两种铺粉方式
按照上述工艺改进后的铺粉方式，在其他参数不变的情况下，降低预热温度到６５°后，成功烧结并清理出工件，见图６
。
图６ 烧结成功的阀体砂芯３ 砂芯后固化
清理完成后的砂芯需要放入烘箱中加热固化，同时需要填充填充物，以免砂芯在树脂软化后塌陷。试验中先将砂芯植入一广口容器内，而后填充直径为０．４ｍｍ～０．６ｍｍ的玻璃微珠，
夯实后即可入烘箱中烘烤。将烘箱快速升温到２００℃，推入砂芯保温４ｈ后随炉冷却到室温。用锯条去除支撑，经过适当打磨后完成砂芯的烧制，完成的砂芯见图７
。
图７ 打磨完成的阀体砂芯
４ 试验结果
对于打磨后的砂芯，利用游标卡尺对芯头等大尺寸以及一些小流道等规则部位测量，测量结果与砂芯图纸尺寸对比后发现，对于＞２５０ｍｍ的尺寸，
尺寸精度可以达到０．１５％，对于≤２５０ｍｍ的尺寸，尺寸精度可以达到±０．２５ｍｍ，
符合厂家要求。５ 结 论
（１）利用选择性激光烧结系统ＨＲＰＳ５５４ＩＶ，采取适当的后处理工艺，可以烧结出多通道液压阀体砂芯的复杂砂芯。
（２）通过采用过１４０～７０号筛的细宝珠砂做原砂配制覆膜砂，加入酚醛树脂，采用合适的烧结成形工艺参数，可以烧制出高强度砂芯。
（３
）采用合理的铺粉机构，可有效减少铺粉过程对已烧结工件的扰动，有效降低烧结时的预热温度，从而减少由于热集效应导致的复杂砂芯难以清理的问题，提高砂芯的精度。
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（编辑：张正贺）
利用ＳＬＳ技术烧制复杂液压阀体砂芯 余立华 等