提高落料口效率的方式研究

刘 涵，刘 轶，王佳明

（共享智能装备有限公司，宁夏银川 750001）

0 引言

将3D 砂型打印技术应用于工业领域，并且实现规模化的生产，目前已经成为现实。3D 打印具有人工投入少、高效、智能、便捷，以及工作环境干净整洁的特点，更加适合现代化工业领域的应用。为更好的服务于工业领域，砂型3D 打印技术也在向着更高效率、更大规模的方向发展。与此同时，效率的提升需要结合各个工序的特点，进行整体的优化考虑，本文针对下料口效率提升进行了详细的阐述。

1 技术背景

砂型3D 打印技术属于快速成型技术中的一种，它的工作原理是，砂型3D 打印设备由铸型CAD 模型的STL 文件选择厚度分层，得到截面图形。当打印机工作时，固化剂与原砂在混料仓均匀地搅拌，喷头按照截面图形精确地喷射粘结剂，粘结剂与固化剂发生胶联反应，一层层固化型砂堆积成形。粘结剂和固化剂共同作用的型砂被固化在一起，固化一层后再粘结下一层，所有的层粘结完之后就得到一个空间实体。型砂在固化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，在铸型的表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇注金属。3D 打印机利用吸砂泵将砂子吸入到储砂罐中，利用安装在储砂罐下部的称重传感器反馈当前下砂量，当达到系统设定砂量时，反馈PLC信号使下砂口蝶阀关闭进而停止供应原材料。设备接收到下砂信号后，下砂蝶阀打开，通过称重传感器检测下砂量并反馈给PLC 信号，控制蝶阀的关断，实现对所需下砂量的控制。砂子流到混砂罐后，需要添加与实际下砂量所对应的固化剂（固化剂加入量通过实际下砂重量计算得出），下砂量的准确性会影响到混砂的均匀性，最直观的表现为打印出来的砂型表面色差明显，影响砂型的表面质量，现从下砂量入手去解决下砂不准确的问题。

2 提升下砂口工作效率及精度

2.1 考虑方向

由于现用下砂口无法控制下料口大小，只能通过称重传感器反馈值控制下砂时间从而控制下砂量。在控制下砂量时，受到称重传感器和变送器自身误差与反应时间、蝶阀关断反应时间等因素影响，实际下砂量往往超出设定下砂量，偏差较大，会造成在加入固化剂后，混砂罐中砂子与固化剂搅拌不均匀，实际需求的固化剂加入比例与加入的固化剂量不符合计算结果，打印出的砂型表面色差明显，严重影响到砂型的表面质量。目前常采用的方法是更换较小口径的变径部，从而减小实际下砂量，缩小实际下砂量与设定值的偏差值，改善打印质量。同时，考虑到混砂罐自身结构问题，混砂罐内部空间的利用率往往很高，剩余空间的内部可操作性较差，造成在需要更换变径部时，拆除四角固定螺栓进行变径的更换存在一定的困难和局限性，拆除和安装较为费事，并且更换部件的采购成本及人工成本会大大提高。现急需一种下料方式能够解决此类问题。本文所提方案可在工作过程中自由调节口径进而改变下料量，无需重新拆装机械部件，施工由繁化简，并且在一定程度上节约了成本。

2.2 技术方案

本文所表述内容是为了当砂型打印结束时，砂型表面出现严重色差时，需要调节下砂量及固化剂加入量，需要更换变径，解决变径因更换困难的问题。使用过程中不需要更换小口径的变径就可快速调节变径口径，以此达到更换变径的目的。

在混砂罐变径设计之初，确定混砂罐所要求使用最大口径的变径，并在变径管外侧进行开丝。考虑到下砂重量较大，需要根据变径管外侧直径的大小，以此确定快速变径锁紧套的直径并对锁紧套内侧开丝，要求变径管外侧开丝与锁紧套内侧开丝相互啮合，能够使得快速变径锁紧套与原变径管拧紧，防止下砂过程中下砂口漏砂甚至掉落。

将锁紧套固定在变径管上后，通过皮带将调节套与步进电机的皮带轮相互连接，在需要调节下砂口口径时通过PLC 反馈信号直接控制步进电机的正反转从而调节下砂口径大小。

所述落料口调节装置的简要运行过程如下：

（1）当实际下砂量大于设定下砂量时，通过PLC 反馈信号给电机，电机正转，调节套随皮带转动，下砂口缩小口径，以减少下砂量。

（2）实际下砂量小于设定下砂量时，通过PLC反馈信号给电机，电机反转，调节套随皮带转动，下砂口增大口径，从而增大下砂量。

进一步地，将锁紧环调节到最大口径时，控制电机的转动圈数，以正转3 圈为例，测量锁紧环此时的口径直径，以此计算电机转动一圈口径缩小多少。

以此值为基准值，通过软件写入算法，自动计算实际下砂量与设定下砂量之间的差值，当实际下砂量与设定的下砂量差值为正值M 时，电机正转N 圈，再次测量实际下砂量与设定的下砂量的差值，当差值M 趋近于0 时，此时的N 为当前最适合的圈数。当两项差值为负值时，多次测试，确定电机反转转动的圈数。例如：当设定下砂量为1 kg，实际称重显示为3 kg，此时差值M=2 kg，电机正向转动N=2 圈；再次进行混砂测试时，设定下砂量为1 kg，实际称重显示为2 kg，此时差值M=1 kg,电机正向转动N=3；再次进行混砂测试，设定下砂量为1 kg，实际称重显示为0.8 kg，此时差值为0.2 kg，差值M 在误差的允许范围内，即此时的电机正转圈数N=3 圈为当前合适圈数，并且此口径为合适口径。

当电机转动某个圈数后，调试套调节口径达到合适的口径，实际下砂量与设定的下砂量偏差值达到设备要求的误差范围内时，PLC 反馈此信号，电机不再进行动作，此口径为合适口径，此方案通过称重变送器反馈信号使步进电机动作，解决了下砂量不均匀时更换变径困难的问题。

3 结束语

本文通过对3D 打印技术背景及下料口存在的问题进行全方面的阐述，直观明了的提出了一种新型下料口的技术方案，在各种打印方式下皆可以沿用此种下料方式。

本文所述调节装置，相对于先前的变径方式而言结构简单，通过步进电机能够直接控制口径大小；响应速度块，通过PLC 信号控制口径变换，无需人工拆换下料口，操作简单实用、局限性小、可操作性高，能够实现变径快速变化，减少了因混砂罐内部空间小，更换变径操作不方便的问题；同时缩短了调节时间，提升打印效率，并且从一定程度上节约了人工成本及采购成本。

3D 打印作为新的科技领域，已经实现了工业砂型的打印，目前打印砂型在工业领域的应用十分成功。未来的发展方向，也将是更高效，更智能化。随着3D 打印技术的不断发展，在以后的铸造领域会逐渐替换原有的生产模式。摒弃传统工业的笨重和对环境的污染，转而变为轻巧、智能和环保的方式。相信未来3D 打印技术，一定能在工业领域得到大力推广。