材料成型装备及自动化

一、无模铸造的基本概念无模铸型制造工艺(Patternless Casting Manufacturing，PCM)是将快速成形技术应用到传统的砂型制造工艺中。

PCM工艺也是基于快速成形技术的离散／堆积成形原理，但它是不同于传统砂型制造工艺的造型方法。

PCM工艺的基本原理如下图所示。

首先从零件CAD模型得到铸型CAD模型；由铸型CAD模型的STL文件分层，得到截面轮廓信息，再以层面信息产生控制信息；造型时，第一个喷头在每层铺好的型砂上由计算机控制精确地喷射粘结剂，第二个喷头再沿同样的路径喷射催化剂；两者发生交联反应，一层层固化型砂堆积成形。

这样在粘结剂和催化剂共同作用的地方，型砂被粘结在一起，其它地方原砂仍为颗粒态。

固化完一层后再粘接下一层，所有的层粘接完之后就得到一个空间实体。

在粘结剂没有喷射的地方仍是散砂，比较容易清除。

清理出中间未固化的散砂，就可以得到一个有一定壁厚的铸型，在砂型的表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇注金属。

PCM是一种结合计算机技术对树脂砂造型工艺进行改造的技术。

它不仅能使铸造过程自动化、敏捷化,降低工人劳动强度,而且在技术上突破了传统工艺的许多障碍,使设计、制造的约束条件大大减少,具有传统铸型制造工艺无可比拟的优越性。

PCM铸型的表面质量直接影响到原型件和铸件的表面质量。

在PCM工艺中,除了因为分层产生的“台阶效应”,铸型表面还常常存在着结瘤、毛刺等缺陷,这给铸型的后处理造成了困难,并影响铸件的尺寸精度和表面质量。

为解决这个问题,主要从以下几个方面进行了研究。

1、提高扫描线的质量在PCM工艺中,扫描线的质量决定了铸型轮廓的质量。

采用离散式喷头,喷射得到的扫描线具有离散特征。

首先要减小喷嘴直径(孔径),同样的条件下,喷嘴直径小,流量就小,线宽就小,扫描线质量就越高。

为了避免喷头堵塞和提高造型效率,喷嘴直径不能太小。

其次要根据扫描速度,设置较高的振动频率和中等的占空比,这样可使喷射的液滴更细小,单元体和间隙更小。

扫描线线宽变小才可以得到理想的扫描线,通过实验发现,在150 mm/s的扫描速度下,用0.0762 mm孔径的离散喷头,采用100 Hz和50的占空比,可以得到较为理想的扫描线。

设置合适的分层厚度分层厚度对铸型表面质量的影响较大。

实验表明,在喷射流量和扫描速度一定的情况下,表面质量随分层厚度减小而达到峰值,继续减小时表面质量开始下降,结瘤增多,表面粗糙度值上升。

分层厚度过大,固化剂的自由渗透造成侧面轮廓产生“锯齿”;分层厚度变小,会减小两层之间的齿形缝隙;而分层厚度过小,则导致固化剂的横向渗流扩散加剧,反而降低了铸型的表面质量。

实验表明,0.0762 mm孔径的喷头适合于0.3~0.6 mm的分层厚度,而0.190 5 mm孔径的喷头适合于0.8~1.0 mm的分层厚度。

2、改进铺砂装置和振动筛树脂砂具有一定的粘性,这对铺砂造成了一定的难度。

树脂砂中的树脂含量越高,砂粒越细小,树脂砂粘性越大,铺砂难度越大,因此,铺砂装置的改进十分重要。

主要的改进是采用“堆积—刮平”的铺砂方式,对于100/200目、树脂的质量分数1.5 %的树脂砂,使用45°<α<70°的锐角刮板刮平的铺砂效果较为理想。

为了达到均匀铺砂,可以通过振动筛将树脂砂均匀地撒到工作面,然后用锐角刮板完成刮平。

3、提高铺砂的紧实度和均匀度铺砂的紧实度不足,砂粒之间空隙大,横向和纵向的表面就会很粗糙。

砂粒分布不均匀,就会造成固化剂溶液横向渗流扩散不均匀,扫描线边上就会产生很多小毛刺,从而在铸型的纵向面产生很多凸出的小毛刺。

因此,紧实度和均匀度这两个参数非常重要。

目前,PCM各砂层的紧实度和均匀度已达到较高的程度,这由所得到的原型件和铸件的表面质量可以说明。

4、防止错层“错层”,即相临层之间发生横向错位,它极大地影响了成形件的表面质量。

错层的主要原因有:喷射液流不稳定和粘接强度不够。

主要通过以下措施来保证不出现错层:①喷头设计时要考虑喷射流稳定的原则;②增强粘接强度,可通过实验确定合适的加热温度和加热时间来实现;③控制轮廓附近局部区域的固化剂含量,使之反应后砂模的表面有足够的粘结强度;④在拐点处采用圆弧过渡,使得扫描速度始终一致,则固化剂的喷洒也较为均匀;⑤避免轮廓扫描线在起点和终点处出现较大的“搭接”,否则会造成固化剂局部过量,形成表面“结瘤”现象。

5、砂型的分块造型很多复杂零件的砂模,在经过一次或者多次分型之后得到的砂型或砂芯仍然带有复杂的内腔或狭缝结构,不易进行打磨或上涂料。

这就需要将砂型进一步分块,以方便后处理操作,从而提高铸型的表面质量。

在分块的时候,要事先做好捆绑槽并留好余量,造型完成后,要采用特殊的方法组装。

二、总体方案的设计为使工艺实验研究得以开展，在公理化设计理论 (Axiomatic Design Theory)和功能论方法学等现代设计理论的指导下，进行设计开发PCM造型设备。

PCM设备开发的本质，就是根据工艺原理的需要构建可实现工艺过程的机械系统、控制系统和软件系统。

1、总体思路以PCM工艺原理为基础，对基本工艺过程进行分解，可以得到铸型制造过程的各个子过程及相应的运动控制信息；根据运动控制信息可以设计出实现基本运动的控制系统类型及软硬件结构；然后在控制系统确定的条件下建立执行控制信息的机械系统。

这是设计开发PCM设备的总体思路和基本流程。

自上而下，可将整个系统分为四个层次，最高层为工艺原理层，其次是信息处理层(即软件系统层)，再其次是控制系统层，最底层是机械系统层，如上图所示。

按照工艺流程可以将PCM技术划分为四个顺序基本子过程：信息处理过程，造型过程，后处理过程和浇注过程。

其中，信息处理过程是为造型过程准备好相应的控制程序(数控代码)文件；造型过程利用信息处理过程所生成的数控代码，驱动造型设备，完成铸型的数控加工；后处理过程旨在提高铸型表面质量和浇注工艺性能，降低粘结剂含量，为浇注过程创造条件；浇注过程则是把完成后处理的铸型运往浇注车间，将高温熔融的液态金属注入铸型的浇注系统和型腔内部，最终凝固形成具有一定表面质量、精度和复杂程度的合格铸件。

从系统功能与结构对立统一的角度看，上述四个子过程与系统组成中的各个子系统之间具有确定的对应关系如图所示2、造型工艺过程和设备机械系统PCM工艺中粘结剂喷头的运动轨迹是层层累积的平面扫描线，所以得到的运动控制信息主要包括x— Y平面扫描轨迹、z向间歇运动等。

无模铸型制造过程中的运动控制信息决定了控制系统的类型和结构。

主要运动轨迹是X—Y平面的轮廓扫描及z轴间歇运动，为保证x、Y、z三轴的精确控制，采用数字控制系统，x、Y两轴联动，运动方式要求轮廓控制；Z轴运动只需点位控制方式即可实现。

其次，在成形过程中，粘接剂不可能始终持续喷射，喷头还必须进行开启／关闭的状态转换，因此采用继电器控制。

另外，铺砂过程必须严格控制铺砂量及型砂孔隙率，精确控制铺砂装置的开启角度、开启时间及运动速度，因此需要采用步进驱动系统进行点位控制。

最后，在控制系统确定的条件下设计开发执行控制信息的机械系统。

对造型过程进行更详细的划分，就可得到造型过程对PCM设备机械系统的要求及各子系统的具体结构。

PCM工艺的造型过程可以划分为三个更具体的子过程：扫描加工过程、铺砂过程和工作台升降过程。

扫描加工是由工控机向数控系统发送程序文件，驱动X—Y扫描机构完成层面加工；铺砂过程(造型材料供应系统)需要在自动铺砂装置与z轴工作台升降系统的配合下完成工作台(活动横梁及可伸缩式砂箱)上升，留出预定的铺砂空间，再由铺砂装置进行铺砂，通过Y轴牵引机构带动压辊装置对型砂进行铺平、紧实，完成铺砂操作；工作台升降过程是由z轴步进系统驱动活动横梁及可伸缩式砂箱，精确上升至预定的工作高度，完成加工方向上工作台的位置调整。

这三个子过程循环进行，直至造型过程结束。

通过对工艺要素的进一步分解，就可以得到PCM设备机械系统各子系统的具体结构和功能如下图所示三、总体方案的实现如上图所示设备主体结构的作用是承载造型过程中的三向运动，要保证设备在高速运转下能够运行平稳、精确和安全可靠。

所以，设备的主体结构为三梁四柱式结构。

设备主体由底座、立柱、活动横梁、顶梁、x—Y扫描机构、可伸缩式砂箱、自动铺砂盒、流体喷射系统(包括压力容器、减压装置、管路系统及喷头)等几部分关键装置组成。

机械系统各部分之间的装配关系如下：其中，底座、活动横梁和顶梁均使用铸件；活动横梁依靠四根立柱与横梁之间的黄铜导套来导向，由z轴丝杠副驱动，沿z 向导轨作垂直升降运动；X—Y扫描机构悬挂在活动横梁上，进行x—Y平面上的二维扫描运动；可伸缩式砂箱由六节组成，一节套在另一节的外面，砂箱底部固定在机床底座上，上端则悬挂在活动横梁j二，由活动横梁上的牵引机构带动，以滑动伸缩的方式工作；自动铺砂盒悬挂在活动横梁的x轴导轨上，由Y轴牵引机构带动，沿x向完成每层的铺砂过程从没计的目标以及功能出发，将没备划分为安装平台、材料输送系统、运动系统和流体喷射系统等四个部分进行设计。

(1)安装平台包括底座、立柱和活动横梁，三部分均是由铸造件机加而成。

(2)材料(型砂)输送系统包括可伸缩式砂箱和自动铺砂盒。

可伸缩式砂箱可以按照成型的需要可伸缩，使得成形部分的重量总是落在造型机底座上，而无须z轴传动系统(或升降台)承担，从而z轴的设计载荷大大减少。

自动铺砂盒具有铺平和紧实型砂的功能，而且型砂紧实的速度和铺平速度严格匹配。

(3)运动系统包括x—Y扫描系统和z轴升降系统。

主要性能指标如下。

最大造型空间：lO00mm×800ram×600ram各轴行程：X=l200mm；y=900mm；Z=800ram扫描速度：l50～250mm／s升降速度：l～lOmm／s(4)流体喷射系统喷射系统用来喷射粘结剂／催化剂，它要满足工艺对喷出的粘结剂／催化剂形态、线宽、压力等要求，这些因素将直接影响到砂型的固化速度、强度、尺寸及表面精度等指标。

在PCM工艺中铸型制造过程是粘结剂—催化剂将一层层型砂固化，堆积的过程，在每一层面内粘结剂—催化剂能否实现喷射命令是造型精度的重要保障。

采用电磁控制的开启和闭合，粘接剂催化剂的喷射动力来自减压后的压缩气体。

流体喷射系统的组成和工作原理如下图所示设备是工艺研究和实现的物质基础与基本前提。

在公理化设计理论和功能方法学等现代设计理论的指导下，通过对无模铸型制造工艺原理和基本工艺过程进行分解，建立造型工艺过程和造型设备机械系统的关系，完成了无模铸型制造工艺造型设备的研制。

接下来，我们就无模铸造的控制系统方面讨论下，因为在整个装备中，控制系统的作用尤其重要，它联系着软件系统和机械系统。