论文部分内容阅读
砂型3D打印是一类间接成形的增材制造（AM）技术,可对用于砂型铸造的复杂砂模和型芯进行直接制造成型。近年来,国内外研究学者对这种间接生产金属零件的增材制造技术的兴趣与日俱增,这不仅归因于其能够快速生产用于复杂金属铸件的模具（即型芯和铸模）的能力,最主要是因为使用传统技术无法制造这种复杂的金属铸件。另外,该技术对复杂零部件或产品的设计开发及制造成型起到了不可替代的辅助作用。呋喃树脂砂是以呋喃树脂为粘接剂,并加入固化剂混制的型（芯）砂。呋喃树脂砂具有良好的自硬特性、溃散性以及生产的铸件尺寸精度高等优点,在砂型3D打印技术中得到了大规模应用。但是,3D打印呋喃树脂砂存在砂芯强度较低、树脂含量较高、铸型发气量较大等问题急需解决。针对以上问题,本文基于砂型3D打印技术,通过响应面法中的中心复合实验设计并优化了呋喃树脂砂的工艺参数,然后对呋喃树脂砂中的硅砂进行了颗粒级配研究,最后对优化后的工艺参数应用于砂型3D打印技术中的可行性进行了实验验证。本文的主要结论如下:（1）选取呋喃树脂加入量、固化剂加入量、固化温度和固化时间为考察因素,以呋喃树脂砂的抗拉强度和发气量为指标,通过单因素实验和响应面法CCD实验设计来确定呋喃树脂砂的最佳工艺参数。通过计算与对比分析,确定树脂砂的最佳工艺参数为:树脂加入量为硅砂重量的2.13%,固化剂加入量为树脂重量的17.8%,固化温度为112℃,固化时间为88 min。实验结果表明,在此条件下树脂砂的抗拉强度为1.57 MPa,发气量为15.43 m L/g。（2）通过混料设计和颗粒流程序三维模拟对硅砂的最佳颗粒级配进行了分析,最终选取各粒径硅砂的比例为X1（0.202 mm）:X2（0.15 mm）:X3（0.106 mm）=0.38:0.33:0.29。此时硅砂体系对应的孔隙率最小,为38.51%,相比于未筛分前的孔隙率下降了11.06%。在相同工艺下,测得级配后的树脂砂抗拉强度的平均值为1.71 MPa,发气量平均值为15.47 m L/g。与未级配前树脂砂的性能相比,发气量相当,抗拉强度提高了8.92%。（3）采用优化后的树脂砂工艺参数及级配后的硅砂,利用3D打印设备（PCM800）打印砂型并进行浇注,得到了表面质量良好的铸件。铸件力学性能测试结果表明,其屈服强度为83 MPa、抗拉强度为142 MPa、伸长率为3.22%,硬度为54.5 HB,铸件拉伸试样表现为准解理断裂。与采用现有标准工艺参数得到的铸件进行对比发现,铸件的显微组织与断裂失效机制并没有改变。两者的硬度与屈服强度接近,抗拉强度提高了9.23%,伸长率有明显提升,相较标准工艺提高了约13%。