毕业设计（论文）-基于3D打印的铸造模型设计.docx

河北农业大学现代科技学院本科毕业设计说明书题目：基于3D打印的铸造模型设计学 部：工程技术学部 专业班级：车辆工程1302班学生姓名： 学 号：指导老师：职 称：讲师1.绪论41.1 项目背景、目的、及其意义41.2 3D打印技术与消失模工艺在国内外现状42.蜡型三维设计52.1蜡型三维图52.2轮毂主要尺寸53.浇注系统设计63.1浇注系统基本要求63.2金属液在型壳中的水力学特点63.3浇注系统的选择63.4浇注系统尺寸设计73.5浇注系统设计思路75.型壳的设计115.1型壳的选择115.2制备硅溶胶型壳126.结论14致谢：14【参考文献】14基于3D打印的铸造模型设计车辆工程专业1302班摘要：在现代越来越多的设计与产品有非常复杂的结构，很多不规则的曲面用传统方法很难制造出来。并且很多产品需要高标准的精度要求，而传统方法做出的毛坯件需要长时间的加工，寻找新的方法新的工艺势在必行。近几年，3D打印技术日趋完善已经运用到了很多领域中。失蜡法铸造零件已经是一个成熟的技术，现行的失蜡铸造蜡型多是将石蜡挤入模具定型然后用于铸造零件，但是对于复杂曲面的模具设计依然很棘手。于是我产生了一个构想，是否可以利用3D打印技术打印出的石蜡模型直接用于铸造零件呢。于是老师给我推荐了这一课题，希望通过这一课题的研究可以启发更多的人，让3D打印技术与失蜡铸造工艺相结合，从而提高零件精度，缩短生产零件时间，让机械生产进入定制化，数字化，高精度化时代。关键词：3D打印技术、失蜡铸造、新材料ICW06 Wax、轮毂Design of Casting Model Based on 3D PrintingAbstract ：In modern more and more design and product has a very complex structure, many irregular surfaces are difficult to manufacture with traditional methods. And many products require high standards of precision requirements, and the traditional method of making rough pieces need a long time to process, find new ways new technology is imperative. In recent years, 3D printing technology has been applied to a number of areas have been improved. Loss of wax casting parts is already a mature technology, the current loss of wax casting wax is mostly paraffin wax into the mold shape and then used for casting parts, but for the complex surface of the mold design is still very difficult. So I produced a concept, whether you can use 3D printing technology to print out the paraffin model used directly for casting parts do. So we have this topic, hope that through this subject of research can inspire more people, so that 3D printing technology and lost wax casting process combined to improve the accuracy of parts, shorten the production of spare parts time, so that mechanical production into the customization , Digital, high-precision era.Keywords ： 3D printing technology, lost wax casting, new material ICW06 Wax, wheels1.绪论1.1 项目背景、目的、及其意义1）项目背景：在古时，伟大的中华民族就发明了铸造工艺造出了许许多多精美的器具，强大了军事实力，发展了农业生产。可以说铸造技术的发展与整个国家的命运息息相关。3D打印出现在1995年前后，它是一种应用光固化和纸层叠等技术的快速成型技术。它与一般的打印一样都是将电脑上的文件以实体的模式出现在人们的生活中，只不过3D打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，打印机与电脑互通数据后，运用软件控制把这些“打印材料”依照图纸内容一层层堆叠起来，最终把计算机上的图纸变成实物。最近几年3D打印技术快速发展，2015年7月美国旧金山Divergent Micro factories公司推出了世界上首款3D打印超级跑车“刀锋(Blade)”。在3D打印技术的飞速发展中我们看到了铸造模新的发展方向。同时在铸造过程中可以应用消失模铸造技术，两者结合让高端定制化产品服务广大人民群众。2）设计目的：借助对铸造模型的相关设计全面掌握3D打印技术在铸造的应用以及3D打印技术与消失模铸造工艺的结合。了解铸造模具的内部结构及各部件的装配。3）意义：本次设计将3D打印与消失模铸造工艺相结合加深了我们对于科学技术在生产实践中应用的理解，认真做好每一处设计，为实际生产培养独立思考能力，提升自身综合素质，其意义是深远的。1.2 3D打印技术与消失模工艺在国内外现状1.2.1 3D打印技术图 1 3D打印汽车从上世纪90年代3D打印出现至今3D打印技术已经进入人们的视野，很快将融入你我的生活中。2013年，中国3D打印市场规模达到17.2亿元人民币，年增长率达77%，而且保持较快发展速度，在世界范围内一直是领先地位，主要集中在家电等电商消费品、建筑、模具设计、医疗、Cosplay道具的制造及文物修复、汽车零件制造等畛域。在国外3D打印技术出现一段时间低谷后终于出现回升趋向分界点是2008年开源3D打印项目RepRap公布“Darwin”，3D打印机制作进入新纪元，同年，Objet推出Connex500，让多材料3D打印成为可能。到现在3D打印技术已经可以打印出跑车等高端产品。1.2.2 失蜡铸造工艺失蜡铸造工艺从很早就在我国历史长河中出现了，它的前身是焚失法铸造。现在一般被称作熔模铸造，首先用石蜡等容易融化的材料制成模样。在模样表面均匀地裹上多层耐火涂料制成型壳，再将模样融化成蜡水后排出型壳，这样得到的铸型无分层面，得到型壳之后放入高温炉中进行焙烧，随后填砂浇注即可得到铸件。由于模样一般是石蜡制作而成故此法被称为失蜡铸造。1.2.3失蜡铸造与3D打印的结合将3D打印技术与失蜡铸造工艺联合的生产方式是存在的，世界最大的FDM(熔融成型)生厂商美国Stratasys公司就推出过适用于失蜡铸造的3D打印材料ICW06 Wax，只是在国内推广程度较弱。2.蜡型三维设计2.1蜡型三维图本次设计采用CATIA制作蜡型三维图如图所示:图2.蜡型三维图2.2轮毂主要尺寸1）轮毂尺寸主要由胎环直径和胎环宽度确定，本次设计胎环直径：521.5mm；胎环宽度：233.7mm2）PDC指的是轮毂螺栓孔的节圆直径，本次设计PDC：17mm3）偏距（也称偏位或ET），轮毂中心线到安装面的距离，本次设计ET：46.5mm4）中心孔，轮毂中心最大的孔，本次设计中心孔直径为：72mm3.浇注系统设计3.1浇注系统基本要求1）能够控制铸件的温度场分布2）能够保证在设计时间之内完全充满型壳3）保证铸件轮廓清晰、棱角分明4）可以控制金属液的流速和方向5）具有良好的撇渣性能6）简化生产，降低成本3.2金属液在型壳中的水力学特点金属液进入型壳之后会与壳体、浇注系统之间发生强烈的热作用、物理作用、化学作用，金属液在型壳中的运动属于多个方向的流动，多数情况下处于紊乱流动状态，是一种极不稳定的流淌过程。3.3浇注系统的选择浇注系统是由直浇道、横浇道、内浇道的尺寸比较确定的，本次设计采用的是封闭式浇注系统，此种浇注系统，直浇道即可作为冒口，操作非常方便，并且可以防止气体进入型壳影响制作精度，最主要的是怕影响铸件强度，达不到设计要求，还可以有效挡渣。然而这种方法也是有缺陷的，进入型壳腔内流速较高、容易发生喷溅或将砂型冲散、氧化。所以在进行浇注时，应注意金属液流速缓慢控制。1）浇口杯的作用浇包中的金属液自上而下流入浇口杯中，可以有效避免金属液飞溅和溢出，有利于浇注。其次可以减小金属液对型壳的冲击，还可以分离渣滓、气泡，阻止渣滓、气泡进入型壳。本次设计采用的是漏斗形浇口杯。2）直浇道的作用将浇口杯的金属液引入横浇道、内浇道或直接导入型壳，提供浇注过程中的压力，本次设计采用等截面圆柱形直浇道3）横浇道的作用横浇道的首要功用是向内浇道配送洁净的金属液，贮存最开始浇入的含气和含有杂质的低温金属液而且还能阻截杂质，使金属液流速平稳减少产生的氧化杂质，本次设计中采用的横浇道4）内浇道作用控制金属液在型壳内的速度和方向，分配金属，调节各部位铸件温度还有凝固顺序内浇道的截面形状确定本次设计采用等截面圆柱形内浇道设计的基本要求设置内浇道时数目和位置应参照凝固法则进行设计内浇道开口不应对着细小砂芯，冷铁，同时内浇道壁厚不应过大，能小则小内浇道应开在铸件质量要求比较低的位置在设计内浇道中应注意使金属液平稳地浇注在型壳中对于薄壁铸件来说应采用多设置内浇道的方法实现补缩应向有利于减少收缩力、防止裂纹的方向设计内浇道应尽量在分型面应设计成改善外观质量的样子在设计中应注意内浇道应处于横浇道截面位置较低处。5）冒口作用冒口的主要功用是把热节从铸件质量要求较高的部分转移到铸件质量要求较低的部分，所以冒口应该设计成能够保持较长时间的热量，使得铸件补缩是有足够的金属液补充，这也是为什么冒口需要设计成最小散热面积最大体积的原因。参照以上特点，本次设计将冒口设计在后挂上一共六个，设计成圆柱形。3.4浇注系统尺寸设计比例系数法确定内浇道尺寸有如下公式 S内=（0.4.09）S节 （3-1） D内=（0.61.0）D节 （3-2）此法依据铸件上最大厚度热节处的内切圆直径来确定内浇道尺寸，本次设计中铸件热节圆直径为15mm，应用公式3-2内浇道直径可设置为10mm，由此可得S内=78.5mm2，横浇道比内浇道略微大即可，取D横=12mm，截面面积为S横=452.16mm，直浇道直径设置为与横浇道相等即可。内浇口位置，本次设计将内浇口位置选择在两轮辐中间。3.5浇注系统设计思路在设计时应遵循操作简单方便、省料、不易发生生产事故等原则进行设计。本次设计中浇口杯选择的是漏斗形浇注口杯虽然挡渣能力小但是操作简单，通常来说漏洞口直径比直浇道直径大，是直浇道直径的两倍及以上。此次设计的浇注系统采用封闭式底注浇注系统，直浇道的选择是等截面圆柱形，直浇道直径和横浇道相等即可。在直浇道与横浇道相连处应加上直浇道窝，对浇注下来的铁水具有缓冲作用。横浇道与直浇道相同也采用等圆截面圆柱形直径与直浇道相等同为12mm。内浇道应该处于横浇道底部，本次设计中将内浇道放在与内浇道相切的地方，内浇道直径取决于热节圆直径，上文已经给出公式这里不再叙述，内浇道直径设置为8mm。内浇道开口位置应避免在冷铁位置，所以本次设计将其放置在轮毂D环上。冒口设计本次设计中冒口的主要功用是浇注时向上排气，所以设置在与浇注方向相反的后挂上。浇注系统三维图如图3：图 3浇注系统三维图4.有关于新材料ICW06 Wax的资料在寻找3D打印所用材料时我发现了一种名为ICW06 Wax的新型材料，该材料为美国Stratasys公司推出的新材料，适用于3D打印机的失蜡模样材料。查询该公司相关界面后得到如下资料。具体产品标示及其公司信息请看表1：表1. CHEMICAL PRODUCT & COMPANY IDENTIFICATIONProduct NameICW06 Wax SupportChemical NameWax BlendGeneral UseFilament for Stratasys Inc. FDM modelerManufacturer and AddressStratasys Inc. 14950 Martin Drive Minneapolis, MN 55344-2020 USAEmergency Telephone Number+1 952-937-3000据查该材料主要化学成分为石蜡，成分信息，如表2：表2. COMPOSITION, INGREDIENT INFORMATIONCOMPONENTCAS #%Wax blendMixture100根据资料可查得该材料发生爆炸或引发火灾时的消防措施，如表3：表3. FIRE-FIGHTING MEASURES & EXPLOSION HAZARD DATAFlash Point460 F (238 C)Autoignition TemperatureNot applicableExtinguishing MediaWater spray or any Class A extinguishing agentSpecial Fire-Fighting ProceduresWear NSHA/NIOSH approved, pressure-demand, and self-contained breathing apparatus. When water is used, apply using spray or fog nozzle.Unusual Fire and Explosion HazardsDust is flammable in air suspension or clouds and can cause explosion if ignited in an enclosed spaceHazardous Decomposition ProductsThermal decomposition will produce oxides of carbon该材料处理与贮藏条件，如表4：表4. HANDLING & STORAGEHandlingAvoid generating dust. Keep dry and avoid temperatures over 70C (158 F).StorageStore in a cool dry place. Storage away from oxidizing materials. Maintain tightly closed container. Provide adequate ventilation.如果ICW06 Wax在贮藏时不慎泄露的紧急措施如，表5：表5. ACCIDENTAL RELEASE MEASURESGeneralSweep up and deposit in dry waste containerSpecificContain waste. Sweep up material for recycling or disposal. Do not wash residues into drains or other waterways.在该材料的生产、使用中应注意的个人防护措施和接触控制，如表6表6. EXPOSURE CONTROLS & PERSONAL PROTECTIONVentilationMaintain adequate ventilationRespiratoryNot requiredEye ProtectionSafety glasses are recommendedSkinSafety gloves are not requiredOtherNot applicable该材料的物理化学性质，如表7，在生产和使用中应注意这些条件表7. PHYSICAL & CHEMICAL PROPERTIESAppearanceRed-brown or purple filamentOdorNoneVapor Pressure (mmHg)NoneVapor DensityNot applicableMelting Point175 F (79 C)Boiling PointNot applicableSpecific Gravity (Water=1)1.0Volatile By Volume (Water)Not applicableSolubility In WaterNilpHNot applicable该材料的稳定性与反应性，如表8表8. STABILITY & REACTIVITYStabilityStableHazardous PolymerizationWill not occurIncompatibilityAcids and strong oxidizing agentsHazardous Thermal Decomposition ProductsUpon combustion, carbon monoxide and carbon dioxide are generatedConditions to AvoidHeating above 600 F (315 F)以上资料源自/media/Main/Files/SDS/ICW06_Wax_Support/SDS_ICW06_WaxSupport.pdf?la=en取其中对铸造有用的信息：这种材料的主要成分是石蜡，但是具体的成分并没有在资料中显示，姑且可以认为该材料具有石蜡的性质，闪点为238，熔点为79，比重与水相同，不易挥发，不会在水中溶解。值得一提的是，该材料并未在生物学、生态学、临床医学中显示具有毒性，所以在本次设计中并不考虑这个问题。这种材料的发明是划时代的，它可以将3D打印技术应用在失蜡铸造工艺中，让用失蜡法制作复杂曲面、复杂曲线的零件得以实现，可以将3D打印技术应用在精密铸造上，直接与计算机相连使得数字生产成为可能，但是就目前来说国内市场并没有卖这种材料，所以国内暂无该材料。5.型壳的设计5.1型壳的选择1）熔摸铸造分别有实体型壳和多层型壳两种型壳，实体型壳只适用于石膏型，多层型壳用于除石膏型以外的其余模样，型壳主要是由黏结剂、粉末状耐火材料和砂等材料做成，经过了浸染涂料，在涂料上撒砂，进行干燥处理，脱去之前做的蜡铸模样和高温焙烧型壳等工序方可制成，型壳组除了上述材料外还有可能在结构上存在气孔和裂隙，是一种复杂的混合物。本次设计并不是石膏型，所以使用多层型壳。2）值得注意的是，型壳与耐火材料，陶瓷等有一定的相似性，但是型壳本身的用途决定了型壳焙烧温度与耐火材料、陶瓷相比偏低，保温时间相较于上述两种材料偏短，制作完成的型壳浇注时金属液温度虽高但与型壳作用时间不长，所以型壳的烧结程度不需要陶瓷和耐火材料的烧结程度。3）型壳好不好主要看以下几点：强度是否达到设计要求，透气性要适中如果透气性过大有可能会导致型壳损坏变形，线量变化要稳定不可有太大形状上的变化，导热性要好可以对浇注完的铸件快速冷却、热震稳定性要高不能因为浇注了高温金属液把型壳破坏、热化学稳定性也要好在浇注金属液时不可被金属液高温影响破坏型壳中的化学键。在这里主要说一下强度特性：强度特性分为三种，常温强度、高温强度、残留强度常温强度：又称为湿强度，取决于黏结剂干燥和硬化水平，湿强度要达到一定要求才可以，假如常温强度过低，型壳在执行脱蜡工艺时会开裂甚至是变形。高温强度：取决于焙烧时型壳内部产生的两种化学物质的量是否足够多，一种是黏结剂中硅凝胶在超高温度下结合的硅氧键，另一种是黏结剂与耐火材料产生的反应产物，假若高温强度过低，型壳在焙烧和浇注时就会产生变形破裂。残留强度：在浇注工艺完成后需把型壳打破取出铸件，这时如果残留强度过高会在铸件表面残留一些型壳残片甚至型壳基本不会落下，清除困难，这时强行清理可能会导致铸件变形甚至破坏原有构造。5.2制备硅溶胶型壳5.2.1制备型壳概述制备型壳过程其实是硅酸胶体发生胶凝的过程，涂料中的黏结剂把耐火材料和撒砂粘在蜡模上，构成所需外形的型壳。这时型壳中水分过多硅酸胶达不到胶凝条件无法形成最终型壳，因而采用干燥硬化，去除多余水分，使硅胶在型壳中的浓度增加，最后达到胶凝临界条件，形成最终型壳。制造每一层型壳都有三道工序：上涂料、撒砂、干燥，重复几次之后就可以得到所需厚度的多层型壳。5.2.2制备过程中的注意事项制备每层型壳都是三步：上涂料、撒砂、干燥。上涂料：上涂料是型壳制备的关键工序，各处涂抹的涂料厚度一定要平均，在浸涂料时要根据模样的结构特点，上下移动或转动模样，这样便能够有效避免模样上凹角、小孔、沟槽贮存气泡，可以增强型壳强度防止开裂变形。撒砂：撒砂能够增强型壳强度，还可以固定涂料，防止涂层干燥时由胶凝体积变小而引起的穿透性裂痕，撒砂品种、目数、撒砂方式都要选择合适的方案。干燥：在干燥过程中随着温度的升高，水分加速流失，型壳内分子热运动增强，胶体颗粒之间的碰撞越来越频繁，溶胶质便凝胶而形成冻胶，经过干燥过程牢固的将耐火材料结合起来，同时耐火材料颗粒越来越紧实提高型壳强度。撒砂品种：本次设计选用锆砂作为表面层涂料以及撒砂材料，该种砂成分为，67.23%ZrO2、32.77%SiO2(质量分数理论组成)，热膨胀性小，比热容高，耐火度好。而且作为表面层涂料时具备细化晶粒的作用，对于精铸更好。目数：锆砂目数选择，本次设计采用粒度为90目的锆砂撒砂方式：本次设计采用雨林式撒砂机5.2.3制型壳所用黏结剂在型壳制备的过程中，黏结剂的选择是非常重要的一环，它的好坏直接影响到型壳强度，进而会对铸件强度以及能否将利润提升。20世纪中叶，当失蜡模铸造工业在美国刚起步时就应用了醇基硅酸乙酯水解液作为黏结剂，在七十年代初又引进水基硅溶胶黏结剂。此后很长时间，美国、英国、法国、德国、日本等国失蜡模制造业均使用这两种黏结剂。1950年前后，前苏联在生产一些精度不高的零件例如拖拉机零件时，为了降低成本运用了水玻璃作为黏结剂，并将这种工艺传播到我国以及周边其他国家。就目前来说以上几种黏结剂我国均在使用。本次设计采用水玻璃作为黏结剂，其生产成本较低，易于得到。5.2.4脱蜡工艺经过上述步骤我们已经得到了一个由多层型壳包裹的轮毂蜡模，接下来我们需要将此蜡模，放入脱蜡炉中脱蜡，以得到型壳。大致原理如下：蜡模进入脱蜡炉之后加热，当达到石蜡的熔点后石蜡变成蜡水，将蜡水排空即可得到型壳，而且剩下的蜡水还可以循环使用。5.2.5型壳焙烧脱蜡之后应进行的是型壳焙烧工序，将型壳内的蜡水彻底排空，然后放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧时温度应控制在820到880之间，焙烧好后应保温90min到120min。5.3浇注由于焙烧炉温度较高，所以在正式浇注前应当短暂冷却浇注时应注意浇注速度不宜过快，避免因金属液溅出造成的烫伤、烧伤等工伤。浇注之后的铸件，温度依然很高，所以应当等温度冷却下来之后再进行后续工序，把粘连在铸件上的型壳去掉，割去大部分浇注口这些工作做完后交给下一道工序。现在得到的铸件连半成品都算不上，还需进行热处理后的清理工作，去氧化皮、尽边、以及切割剩余浇口等工作。最后，将处理好的铸件放在数控机床上，进行抛光打磨，此时的铸件才称得上功德圆满，一个新的轮毂零件已经做好了。6.结论通过本次毕业设计让我真正意识到，设计一个产品一种特定功用的机械是多么的不