汽車(chē)熱沖壓模具的數(shù)字化鑄造技術(shù)
2019-2-15 來(lái)源： 大連理工大學(xué)材料學(xué)院 作者：李 鑫 姚 山
摘 要：針對(duì)汽車(chē)熱沖壓模具這類(lèi)具有復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的鑄件提出一種數(shù)字化鑄造技術(shù)路線。 利用鑄造模擬技術(shù)進(jìn)行鑄造方案設(shè)計(jì)；利用 3D 打印技術(shù)完成砂型(芯)的制造；將得到的砂型(芯)各部分組合后進(jìn)行澆注得到模具鑄坯；利用三維掃描技術(shù)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的產(chǎn)品進(jìn)行精度檢測(cè)。 按照此工藝路線可以對(duì)鑄造的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)字化的控制及調(diào)節(jié)，從而得到合格的模具鑄坯。
關(guān)鍵詞：熱沖壓模具；3D 打印；鑄造模擬
高強(qiáng)度鋼板代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼板可以減少車(chē)身重量，并提高碰撞安全性，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化。 與傳統(tǒng)鋼板不同，高強(qiáng)度鋼板的成形需要內(nèi)部帶有隨形冷卻水道的熱沖壓模具，來(lái)保證零件的成形性要求以及良好的力學(xué)性能。
隨形冷卻水道的走向與模具型面的形狀基本一致， 且中心距離型面的距離都相同。內(nèi)部隨形冷卻水道的成功成形，是熱沖壓模具制造的重點(diǎn)及難點(diǎn)。 目前熱沖壓模具制造工藝中，鉆孔工藝可以加工方向不變的直水道，但是很難滿(mǎn)足隨形要求；鑲 拼工藝對(duì)密封提出很高的要求；鑄 造工藝中預(yù)埋不銹鋼管可以得到隨形的冷卻水道，但是冷卻效果不佳，而 預(yù)埋陶瓷芯存在去除工藝繁瑣等缺點(diǎn)。3D 打印技術(shù)是近幾年非常熱門(mén)的技術(shù)，但是受制于打印材料的高成本，此項(xiàng)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上并沒(méi)有大面積應(yīng)用。
使用 3D 打印技術(shù)打印出普通造型方法難以成形的砂型(芯)，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬零件， 特別是熱沖壓模具這種具有復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的金屬零件具有重要意義。
1 、技術(shù)路線
以某一款轎車(chē)熱沖壓模具為研究載體， 該熱沖壓模具的設(shè)計(jì)綜合考慮計(jì)算機(jī) CAD 參數(shù)化建模、熱沖壓及淬火仿真分析、 水冷模具管道設(shè)計(jì)及優(yōu)化等科學(xué)問(wèn)題。圖 1 為一個(gè)典型車(chē)身模具鑲塊， 該模具具有復(fù)雜型面， 由于隨形冷卻水道要跟型面走向一致且要跟型面距離相等，所以冷卻水道的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。
圖 1 鑄件的外形結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)鑄造工藝中， 冷卻水道部分需要通過(guò)下芯的工藝實(shí)現(xiàn)，按照設(shè)計(jì)要求，每一根水道的形狀結(jié)構(gòu)不盡相同， 所以每一根水道的成形都需要設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的芯盒來(lái)實(shí)現(xiàn)，工藝比較繁瑣復(fù)雜。 由于砂芯比較細(xì)，單根砂芯很容易發(fā)生偏移而造成最后成形的水道與設(shè)計(jì)出現(xiàn)偏差。在汽車(chē)熱沖壓模具的數(shù)字化鑄造工藝路線中，首先對(duì)模具鑲塊進(jìn)行鑄造方案設(shè)計(jì)， 此部分包括鑄件分析、澆冒口設(shè)計(jì)以及分型設(shè)計(jì)；將得到分型各部分進(jìn)行切片處理得到打印數(shù)據(jù)，將打印數(shù)據(jù)傳輸?shù)?D 打印設(shè)備中進(jìn)行加工制作得到相應(yīng)的砂型(芯)；對(duì)砂型(芯)進(jìn)行鑄造前處理，將各部分按照分型設(shè)計(jì)組合后進(jìn)行澆注試驗(yàn)；其中在各個(gè)加工制造過(guò)程中，使用三維掃描儀對(duì)各部分得到的產(chǎn)品，包括砂型(芯)以及最后得到的鑄坯進(jìn)行掃描，然后進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。 圖 2 為整個(gè)工藝流程圖。
圖 2 數(shù)字化鑄造工藝路線
2 、鑄造方案設(shè)計(jì)優(yōu)化
2.1 鑄件分析
由于后期鑄造表面質(zhì)量并不能達(dá)到模具工作要求，模具型面需要后期機(jī)加工，而通過(guò) 3D 打印的砂型澆注得到的鑄坯精度很高， 僅需要一次精加工，加工余量不需要很大，取為 3 mm.
本試驗(yàn)?zāi)康氖堑玫揭惶灼?chē)熱沖壓模具的數(shù)字化鑄造工藝路線， 主要為驗(yàn)證基于此路線的模具及其冷卻水道的最后成形， 用鑄造高溫性能與模具鋼相似的 35 鋼代替驗(yàn)證其成形性 ，鑄造縮尺為2.5%。
2.2 澆道與冒口的設(shè)計(jì)及優(yōu)化
由于模具的復(fù)雜型面一側(cè)為將來(lái)沖壓的工作面，所以這個(gè)工作面需要有比較好的鑄造性能，在鑄造方案設(shè)計(jì)時(shí)，將這個(gè)面置于底側(cè)。 采用底注式澆注方案，澆口設(shè)計(jì)在鑄件的最底端。
由于隨形冷卻水道的直徑大約在 10~12 mm，對(duì)應(yīng)的砂芯直徑也很細(xì)，鋼液澆注時(shí)， 需要保證鋼液在上升充型的時(shí)候要平穩(wěn)，故采用 開(kāi)放式澆 注系統(tǒng)，減少鋼液對(duì)砂芯的沖擊。
澆道橫截面的面積比取∑F直∶∑F 橫∶∑F 內(nèi)=1∶1.2∶1.5，直澆道為阻流面，根據(jù)以下公式計(jì)算阻流面面積以及澆注時(shí)間：
式中 ，V 為鑄件體積 3 540.05 cm3，A為傳熱表面積 1781.22cm2，根據(jù)式(4)可得，鑄件模數(shù) M=1.98cm。根據(jù)鑄件模數(shù)，通過(guò)查，選取冒口為標(biāo)準(zhǔn)圓柱形冒口，其中直徑高度均為 120 mm。
依據(jù)計(jì)算得到的澆注系統(tǒng)以及冒口尺寸，鑄造方案設(shè)計(jì)如圖 3。 將設(shè)計(jì)的鑄造方案 CAD 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有限元網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件后，用 procast 鑄造模擬軟件對(duì)鑄造方案進(jìn)行計(jì)算
，對(duì)澆注系統(tǒng)以及冒口的設(shè)計(jì)進(jìn)行校核。
計(jì)算結(jié)果最后凝固位置位于冒口內(nèi)，證明了冒口設(shè)置的合理性， 但是由于各部分砂型采用 3D 打印的方案制作，所以冒口的設(shè)計(jì)并不需要完全按照標(biāo)準(zhǔn)形狀設(shè)計(jì)，而可以參照模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。 由于此模具呈長(zhǎng)條狀，且一側(cè)質(zhì)量大于另一側(cè)，所以設(shè)計(jì)冒口形狀為腰圓形，且腰圓形兩側(cè)圓弧并不相等，圓弧半徑較大的一側(cè)對(duì)應(yīng)于模具鑄件質(zhì)量比較大的一側(cè)。
圖 4 中所示，改進(jìn)的鑄造方案中冒口為腰圓形冒口。由于隨形水道的直徑比較小，對(duì)應(yīng)的水道芯的直徑也會(huì)比較小，為了降低澆注時(shí)鋼液對(duì)砂芯的沖擊，所以要考慮降低鋼液進(jìn)入鑄型時(shí)的速度。 除了采用全開(kāi)放的澆注系統(tǒng)外，在內(nèi)澆道與橫澆道上做一定的緩流設(shè)計(jì)，而由于采用 3D 打印制作的工藝，并不會(huì)因?yàn)闈驳涝O(shè)計(jì)的復(fù)雜而增加制造難度。 圖 4所示，改進(jìn)的鑄造方案設(shè)計(jì)中內(nèi)澆道與橫澆上有緩流設(shè)計(jì)。
圖 5 最后凝固位置
腰圓形冒口形狀的設(shè)計(jì)， 可以起到標(biāo)準(zhǔn)圓形冒口相應(yīng)的補(bǔ)縮作用， 圖 5 所示為兩種冒口設(shè)計(jì)中計(jì)算的最后凝固位置， 以看到最后凝固位置都位于冒口中。由于腰圓形冒口與模具形狀相對(duì)應(yīng)，可以減少冒口質(zhì)量從而提高工藝出品率。通過(guò)比較計(jì)算結(jié)果中鋼液流經(jīng)內(nèi)澆道時(shí)的速度， 可以發(fā)現(xiàn)在內(nèi)澆道橫澆道上做緩流設(shè)計(jì)可以減少鋼液進(jìn)入鑄件的速度。
圖 6 鋼水流經(jīng)內(nèi)澆道的速度
圖 7 縮松縮孔示意圖
圖 8 充型示意圖
圖 6 所示為不同設(shè)計(jì)的澆道計(jì)算得到的鋼液流經(jīng)內(nèi)澆道的速度。比較兩種設(shè)計(jì)計(jì)算得到縮松縮， 可以發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的方案鑄件內(nèi)部縮孔縮松明顯少于初始方案設(shè)計(jì)。 圖 7 所示為縮松縮孔計(jì)算結(jié)果。選定改進(jìn)后的鑄造方案為實(shí)驗(yàn)澆注方案， 圖 8所示為不同時(shí)間下的充型圖， 充型期間比較平穩(wěn)。3 3D 打印鑄型在完成鑄造方案的設(shè)計(jì)以及校核優(yōu)化后， 需要對(duì)鑄件的陰模進(jìn)行分型設(shè)計(jì)。由于各個(gè)部分采用 3D打印工藝進(jìn)行制作， 所以分型時(shí)并不需要像傳統(tǒng)砂型鑄造分型需要考慮的拔模問(wèn)題。 考慮到最后各個(gè)砂型的組合以及 3D 打印設(shè)備制作效率， 將鑄件陰模分成四個(gè)部分：下型部分，砂芯部分，冒口部分，澆注系統(tǒng)部分。 圖 9 為鑄件陰模的分型設(shè)計(jì)。
圖 9 鑄件陰模的分型設(shè)計(jì)
采用 SLS 法(選擇性激光燒結(jié)法)加工打印各個(gè)部分。 由于砂芯部分中隨形冷卻水道芯比較細(xì)，打印砂芯不能使用一般的覆膜砂，因此采用強(qiáng)度指標(biāo)比較高的寶珠砂，可以保證打印成功率以及打印得到砂芯強(qiáng)度。 其他部分采用一般砂型所需要的普通覆膜砂。 打印過(guò)程中，調(diào)整打印設(shè)備中激光的掃描功率，以及打印設(shè)備腔體內(nèi)環(huán)境溫度，特別對(duì)于砂芯部分，由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在加工時(shí)需要對(duì)打印參數(shù)精確控制。
各部分的加工參數(shù)見(jiàn)表 1。將 3D 打印的預(yù)成型產(chǎn)品放入烘箱中烘烤以使其強(qiáng)度滿(mǎn)足澆注要求。 為了防止在烘烤時(shí)發(fā)生變形，將砂型周?chē)裆霞?xì)小的玻璃珠。 表 2 為烘烤參數(shù)。
圖 10 所示為 3D 打印設(shè)備打印制作以及烘烤完成的砂芯以及砂型。打印制作的砂型的尺寸精度直接影響最后得到的鑄件尺寸精度。 使用三維掃描儀對(duì)打印得到的各部分砂型進(jìn)行掃描測(cè)量， 將測(cè)量所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與三維 CAD 數(shù)據(jù)進(jìn)行精度比對(duì)， 確定砂型的制作誤差。 圖 11 為砂芯的精度比對(duì)結(jié)果，可以看出砂芯的整體制作誤差在 1.5 mm 以?xún)?nèi)，根據(jù)誤差分布圖以及誤差云圖顯示結(jié)果， 隨形水道部分對(duì)應(yīng)的砂芯制作誤差在0.75 mm 以?xún)?nèi) ， 且大部分誤差在0 . 30 mm 以?xún)?nèi)。 由于砂芯部分對(duì)應(yīng)鑄件的隨形水道部分， 而最后隨形水道位于鑄件內(nèi)部無(wú)法測(cè)量其尺寸精度， 所以此時(shí)測(cè)量的砂芯精度可以為最后鑄件內(nèi)部的隨形水道尺寸精度提供參考。
圖 10 砂芯與砂型
圖 11 砂芯精度檢測(cè)結(jié)果
圖12 模具鑄坯
圖 13 鑄坯精度檢測(cè)結(jié)果
4 、澆注及澆注結(jié)果
將各部分砂型按照?qǐng)D 9 的分型設(shè)計(jì)進(jìn)行組合，組合完成后進(jìn)行澆注，按照之前模擬計(jì)算得到的 1 560 ℃的澆注溫度進(jìn)行澆注。 圖 12 為澆注得到的模具鑄坯， 使用三維掃描儀對(duì)鑄坯進(jìn)行掃描后再進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。 圖 13 所示為鑄坯精度評(píng)價(jià)，根據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)鑄坯的整體尺寸誤差大部分集中在 2 mm 以?xún)?nèi)，工作型面的制作誤差在 1.2 mm 以?xún)?nèi)，根據(jù)誤差分布圖分析，大部分誤差在 0.8 mm 以?xún)?nèi)。將模具進(jìn)行剖分操作， 一方面檢驗(yàn)其內(nèi)部水道的成形情況， 另一方面檢測(cè)模具內(nèi)部是否有縮松縮孔等鑄造缺陷。
圖 14 為鑄坯剖分結(jié)果，根據(jù)剖分結(jié)果可以看出，內(nèi)部冷卻水道完全成形，并沒(méi)有水道堵塞的情況出現(xiàn)， 且模具內(nèi)部不存在鑄造缺陷。
由于得到的鑄坯尺寸已經(jīng)接近所需要的模具尺寸， 所以鑄坯進(jìn)行相關(guān)熱處理及一次表面精加工即可得到最后的熱沖壓模具。
5 、結(jié)論
汽車(chē)熱沖壓模具由于內(nèi)部存在隨形冷卻水道 ， 生產(chǎn)制作難度很大 。 本文結(jié)合3D打印技術(shù) 、傳統(tǒng)砂型鑄造技術(shù)以及鑄造模擬技術(shù) 、三 維掃描技術(shù) ， 提出汽車(chē)熱沖壓模具 的數(shù)字化鑄造技術(shù) 。 利用鑄造模擬技術(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化出最合適的鑄造方案 ，通過(guò)3D打印技術(shù)打印出高精度的砂型 ，將砂型組合后進(jìn)行澆注得到高精度的鑄坯 ，在整個(gè)過(guò)程中 ， 通過(guò)三維掃描技術(shù)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的產(chǎn)品進(jìn)行精度評(píng)價(jià) 。 整個(gè)技術(shù)路線中 ，每個(gè)環(huán)節(jié)都可以通過(guò)數(shù)字化控制與調(diào)節(jié)以保證熱沖壓模具的成型質(zhì)量 。
此種工藝路線對(duì)于汽車(chē)熱沖壓模具這類(lèi)內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鑄件成形具有示范意義。
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