微喷射粘结快速成形铸造型芯关键技术研究

发布时间：2018-01-28 22:33

本文关键词： 微喷射粘结成形增材制造快速铸造铸造型芯　出处：《华中科技大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：快速成形铸造型芯是快速成形技术研究及应用的重要领域。采用微喷射粘结剂粘结粉末材料成形(3DP)铸造型芯,与选择性激光烧结(SLS)成形比较,具有设备投资小、运行成本低、寿命长、维护简单、环境适应性好等突出优点,更适合金属零件的快速铸造。目前,采用3DP工艺成形的砂型(芯)精度和强度偏低,需经打磨和焙烧等工艺处理；成形的陶瓷型芯烧结收缩率大,需经预烧和浸渗等工艺处理。这既延长了制造周期,又增加了操作难度。寻求解决砂型精度和强度偏低、陶瓷型芯烧结收缩率大等问题的新方法和新途径一直是铸型(芯)微喷射粘结成形技术研究的关键所在。本课题采用擦洗硅砂和宝珠砂作为型砂材料,水玻璃和酚醛树脂作为粘结剂,氧化钙粉末作为陶瓷型芯材料,纳米氧化锆无水乙醇分散液作为粘结剂,系统研究了阻碍微喷射粘结快速成形高质量铸型(芯)的若干关键技术问题,为金属零件快速低成本的精确铸造奠定了理论和技术基础,具有较大的实际意义。 (1)针对液滴喷射精度低、已成形粉层的移位和开裂等降低制件成形精度和强度问题,研发了微压电双喷头单成形缸式微喷射粘结快速成形设备及控制系统。依据建立的液滴落点位置误差与喷头扫描速度和安装高度的关系模型,采用位置补偿法优化了喷头喷射的控制策略,提高了液滴喷射精度；依据铺粉过程中已成形粉末层的受力模型和料仓中粉体压力的分布特征,开发了随动下落式铺粉装置,该装置底部粉体受到的压应力趋于零,可大幅降低铺粉时已成形粉末层受到的压应力和切应力作用。 (2)陶瓷粉末材料的流动性满足随动下落式铺粉工艺要求且粘结剂材料的粘度及表面张力满足喷头的喷射条件是微喷射粘结成形工艺顺利进行的关键。采用物理改性方法提高了氧化钙粉末的流动性并调节了粘结剂的粘度和表面张力。通过球磨-干燥-破碎工艺混合并控制氧化钙粉末粒径在150-300目,可使其流动性满足成形要求：优化设备的铺粉参数使粉层致密度极大化是提高制件强度的前提条件。采用正交试验法系统研究了随动下落式铺粉装置的铺粉速度和料斗缝宽对不同粒径砂层致密度的影响规律及机理。研究结果表明：在不影响成形效率的前提下,铺粉速度为100m/s,缝宽为2mm时可使宝珠砂层致密度获得极大值。 (3)系统并深入研究了型砂的角形系数和粒径分布、粘结剂的表面张力和粘度等因素对微喷射粘结成形砂型轴向精度和性能的影响及机理。研究结果表明：角形系数为1.1的宝珠砂成形的砂型质量最好,砂型X、Y、Z三轴方向的尺寸误差分别为0.18mm、O.11mm、-0.04mm,抗拉强度为0.88MPa,透气率为176.8；酚醛树脂粘结剂喷射量相同时,70-140目宝珠砂层致密度最高,成形的砂型质量最好;随型砂粒径的减小,砂层孔隙尺寸减小,粘结剂渗透动力降低,使粘结剂外渗距离减小,砂型轴向尺寸随之减小；由于水玻璃的粘度、固化速率和内聚强度都低于酚醛树脂,水玻璃在砂层中的渗透动力大于酚醛树脂,形成的粘结桥强度低于酚醛树脂,导致了水玻璃砂型轴向精度和强度都低于酚醛树脂砂型；把酚醛树脂的表面张力由50mN/m减小至42mN/m,酚醛树脂含量由55%提高至58%,则成形的砂型三个轴向尺寸误差分别为O.11mm、0.05mm、-0.03mm,尺寸误差相对减小了50%、50%、40%,抗拉强度为0.85MPa,相对提高了10.39%。粘结剂溶液的粘度和表面张力影响其在砂层中的渗透动力,进而影响横向渗透距离；粘结剂的内聚强度严重影响相邻型砂颗粒形成的粘结桥强度,提高粘结剂溶液质量分数,可提高粘结剂的内聚强度,使单个粘结桥强度增大。 (4)分别以纳米氧化锆无水乙醇分散液和PVP无水乙醇溶液作为粘结剂,对比研究了分散液喷射量对氧化钙陶瓷型芯坯体及烧结体精度和性能的影响及机理。研究结果表明：随粘结剂喷射量的增大,型芯坯体的尺寸误差和致密度增大,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；分散液喷射量为20%时,成形的氧化钙陶瓷型芯坯体经1300℃烧结后获得的烧结体质量最好,其长度方向的烧结线收缩率为2.11%、抗弯强度为14MPa。经喷射进入氧化钙粉层的纳米氧化锆颗粒在粉层中的孔隙聚集并覆盖氧化钙颗粒表面,使型芯致密度增大,从而使烧结收缩率减小。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG242.7

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