【解析】快速成型技術(shù)在熔模精密鑄造中的應(yīng)用

在制造業(yè)特別是航空、航天,、國防,、汽車等重點行業(yè),，其基礎(chǔ)的核心部件一般均為金屬零件,，而且相當(dāng)多的金屬零件是非對稱性的、有著不規(guī)則曲面或結(jié)構(gòu)復(fù)雜而內(nèi)部又含有精細(xì)結(jié)構(gòu)的零件,，這些零件的生產(chǎn)常采用鑄造或解體加工的方法,。熔模鑄造需用母模或過渡模來復(fù)制金屬件,，模具的設(shè)計與制造成為鑄件生產(chǎn)的瓶頸,。快速成型技術(shù)能夠快捷地提供精密鑄造所需的蠟?zāi),；蚩上勰�,，解決了傳統(tǒng)鑄造中蠟?zāi)；蚰灸５戎苽渲芷陂L,、投入大和難以制作曲面等復(fù)雜構(gòu)件的難題,，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。

與數(shù)控加工,、鑄造,、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段一起,，快速自動成型已成為現(xiàn)代模型,、模具和零件制造的強有力手段。熔模精密鑄造技術(shù)和快速成型技術(shù)的有機結(jié)合,，實現(xiàn)了生產(chǎn)的低成本和高效益,，達(dá)到了鑄件生產(chǎn)的個性化、多樣性,、快速鑄造的目的,。

1快速成型技術(shù)
1.1 快速原型技術(shù)的制作流程
快速成型制造技術(shù)又稱為快速原型制造技術(shù) (RapidPrototypingManufacturing，簡稱RPM),。它包 括SLS,、SLA、SLM等成型方法,集成了CAD技術(shù),、數(shù)控技術(shù),、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果。與傳統(tǒng)制造方法不同,，快速成型的過程是首先生成 一個產(chǎn)品的三維CAD實體模型或曲面模型文件,，將實體模型轉(zhuǎn)換成RP文件標(biāo)準(zhǔn)的STL格式（Sterolithography），并對文件轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)的錯誤進(jìn)行修補,。然后,，將上述每一片層的資料傳到快速自動成型機中去，用材料添加法并以激光為加熱源,，依次將每一層燒結(jié)或熔結(jié)并同時連結(jié)各層,，直到完成整個零件。SLS成型方法成型材料為各種可燒結(jié)粉末,，如石蠟,、塑料、低熔點金屬粉末或它們的混合粉末,，根據(jù)工藝要求,，選取相應(yīng)的材料，從而快速堆積制作產(chǎn)品實體模型,。熔�,？焖俪尚图夹g(shù)工藝流程見圖1,。

圖1熔模快速成型技術(shù)工藝流程

1.2快速成型與熔模精密鑄造的組合工藝
精密鑄造是所有鑄造方法中最精確的一種成 型方法,，且可重復(fù)性好,，鑄件只需少量的加工。精密鑄造首先需要設(shè)計和制作蠟?zāi),；蚱渌上Ｓ玫哪＞�,，視鑄件的復(fù)雜程度和尺寸大小，一般要花幾周到幾個月時間,。得到模具后還要一周時間才能得到鑄件,，這幾周主要是用于制作蠟?zāi)：托蜌ぃ谛∨可a(chǎn)中模具費用分?jǐn)偘嘿F,。
RPM技術(shù)不用制造模具,，可直接成型精鑄用 蠟?zāi)！Ｏ災(zāi)５募す饪焖俪尚停⊿LS法）使用的造型材料為石蠟粉末,，其工藝過程是先在工作臺上鋪上一層粉末,，在計算機控制下用激光束有選擇地進(jìn)行燒結(jié)(零件的空心部分不燒結(jié)，仍為粉末材料),，被燒結(jié)部分便固化在一起構(gòu)成零件的實心部分,。一層完成后再進(jìn)行下一層，新一層與其上一層被牢牢地?zé)Y(jié)在一起,。全部燒結(jié)完成后,，去除多余的粉末，便得到燒結(jié)成的蠟?zāi)�,。該工藝的特點是材料適應(yīng)面廣,，用鑄造蠟可制造精鑄蠟?zāi)＃锰沾煞勰┠苤圃焯沾尚蜌�,，用金屬粉末能制成壓制蠟�(zāi)５慕饘倌＞摺?快速成型技術(shù)在精密鑄造中的應(yīng)用可以分為三種情況,，
一是成型蠟?zāi)；蛳�,，即精鑄用原型,，用于復(fù)雜鑄件的小批量生產(chǎn)，產(chǎn)品開發(fā)或試制件,。
二是直接型殼法,，用于小量生產(chǎn)。
三是快速成型蠟?zāi)Ｄ＞呒茨改�,，用于大批量生產(chǎn),。這些方法解決了傳統(tǒng)方法的蠟?zāi)Ｖ圃炱款i問題，其工藝流程見圖2,。

圖2 熔�,？焖勹T造工藝流程圖

2蠟?zāi)Ｅc制殼工藝要求
2．1 蠟?zāi)５某叽?/font>
蠟?zāi)５某叽缗c表面質(zhì)量按圖樣技術(shù)條件確定,， 對于尺寸而言，應(yīng)當(dāng)根據(jù)蠟?zāi)Ｊ湛s率,、合金收縮率,、模殼膨脹系數(shù)，同時考慮現(xiàn)場工藝條件,，通過實驗確定綜合線收縮率。如某成型機使用Pro/E進(jìn)行三維造型,，并將其轉(zhuǎn)換成STL文件格式,，在收縮率確定后，可以在MagicsRP軟件對零件處理時首先進(jìn)行放縮,，這樣即可得到理想尺寸的蠟?zāi)�,，繼而獲得鑄件�,？紤]到合金種類,、模殼類型對線收縮的影響， 可以測定鑄件實際尺寸,，反過來再次對蠟?zāi)３叽邕M(jìn)行修正,，最終獲得合格的蠟?zāi)：丸T件。如低碳鑄鋼件,，按傳統(tǒng)的方法制造蠟?zāi)Ｆ渚C合收縮率為2.5％,，經(jīng)過對鑄件尺寸的實際測量，其綜合收縮率只有 1.8％,，在激光快速成型蠟?zāi)r只需在MagicsRP 軟件下,，對模型的放縮進(jìn)行調(diào)整即可校正蠟?zāi)３叽纭５阼T件生產(chǎn)過程中存在阻礙收縮等非自由收縮,，其中內(nèi)孔尺寸收縮率小,，外形尺寸收縮率大。在使用Pro/E進(jìn)行三維造型時,，可以直接根據(jù)其收縮關(guān)系繪出蠟?zāi)５膶嶋H尺寸,。

2．2蠟?zāi)５慕M焊
快速成型機制出的蠟?zāi)Ｔ鸵鬅o形變，尺寸 準(zhǔn)確,，通過精整處理后表面光潔,，可以進(jìn)行組焊、粘漿,、制殼,、脫蠟。澆注系統(tǒng)選用性能相近的中溫蠟,，以便于粘結(jié)牢固,，滿足制殼的強度要求,，其尺寸按熔模鑄造工藝設(shè)計選取。組焊工藝與傳統(tǒng)蠟?zāi)Ｏ嗨�,，保證內(nèi)澆口長度和間距,，便于冒口補縮，模殼放置平穩(wěn),。

2．3型殼制備
快速成型技術(shù)制成的蠟?zāi)Ｍ繏煨阅芎�,，可以�?原工藝配制涂料，粘漿與撒砂,，干燥,。粘結(jié)劑用硅溶膠或硅酸乙酯，面層耐火材料用鋯英粉,，背層用莫來石或煤矸石粉,。由于使用的燒結(jié)粉料熔化溫度高，沒有流動性,，型殼不能使用蒸汽脫蠟工藝,，但可以在純氧環(huán)境下通過高溫焙燒的方法去除蠟?zāi)＃蛘咴陂_放的大氣環(huán)境中焙燒脫除澆冒口及蠟?zāi),！?

3應(yīng)用實例
3．1 熔模鑄造發(fā)動機缸體
四缸發(fā)動機缸體鑄件大且形狀復(fù)雜,，模具設(shè)計 與制造難度大，生產(chǎn)中所需模板,、芯盒,、壓蠟型的制 造更是一個難度非常大的過程，即使使用數(shù)控加工中心等昂貴的設(shè)備,，在加工技術(shù)與工藝可行性方面仍存在很大困難,，有時還需要鉗工進(jìn)行修整。從模具設(shè)計到加工制造是一個多環(huán)節(jié)的復(fù)雜過程,，周期長,、耗資大，略有失誤就可能導(dǎo)致全部返工,。利用快速成型技術(shù)直接制作蠟?zāi)�,，省出了模具制造周期和費用。
圖3為采用快速鑄造方法生產(chǎn)的四缸發(fā)動機的蠟?zāi)�,。按傳統(tǒng)金屬鑄件方法制造,，模具制造周期約需半年，費用幾十萬,；用快速鑄造方法,，快速成型熔模3天，制殼與鑄造過程約7天,，整個試制任務(wù)比原計劃可提前5個月

圖3 采用快速鑄造技術(shù)生產(chǎn)的四缸發(fā)動機蠟?zāi)?

由于鑄件尺寸較大,，用水玻璃制殼,，難保證型殼有足夠的強度，用硅溶膠制殼,，焙燒時因型殼尺寸太大,，易出現(xiàn)裂紋。一般采用復(fù)合型殼,，面層用硅溶膠鋯英砂制殼,，二、三層采用硅溶膠莫來石粉涂料,，撒莫來石砂,，加固層采用水玻璃制殼工藝，整個制殼過程只需5天時間,，通過焙燒與澆注即可獲得鑄件。

3．2熔模鑄造鋁合金接管
接管為YL108鋁合金,，采用壓鑄成型是常用 的方法,，作為試制產(chǎn)品，設(shè)計一副壓鑄模不僅生產(chǎn)周期長,，而且費用較高,，不便于零件的尺寸優(yōu)化設(shè)計。采用快速成型技術(shù)制作蠟?zāi)＞哂休^大的靈活性,，只需更改接管的三維造型,，無須重新制造模具。先用Pro/E制作接管的三維模型如圖4,，按0.8%的收縮率將模型轉(zhuǎn)換成STL格式輸入快速成型機中,，制成接管蠟?zāi)Ｔ汀?

圖4 接管三維模型

對蠟?zāi)＿M(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚附由蠞沧⑾到y(tǒng),，再轉(zhuǎn)入制殼工藝,。由于接管結(jié)構(gòu)簡單，采用陶瓷型鑄造不會存在清砂問題,。面層采用鋯英粉,，背層用煤矸石粉耐火材料，共制六層即可滿足強度要求,。模 殼焙燒失蠟后,，用300℃～400℃熱殼澆注鋁合金液，讓模組充分冷卻后,，小心清理鑄件模殼,，最后對鑄件進(jìn)行噴砂處理，經(jīng)檢驗鑄件尺寸在圖紙范圍內(nèi),，表面光潔,。

3．3石膏型鑄造進(jìn)氣歧管
石膏型鑄造,，即用石膏制殼。象低熔點金屬件 如鋁鎂合金鑄件,，采用石膏型效率更高,，同時鑄件質(zhì)量能得到有效的保證，鑄造成功率較高,。石膏型鑄造的第一步是用快速成型件制作可消失模,，如圖 5。蠟?zāi)Ｐ拚�,，焊上澆注系統(tǒng),，再將模組埋在石膏 漿體中得到石膏模，石膏模充分硬化干燥一段時間放進(jìn)焙燒爐內(nèi)焙燒,�,？焖俪尚拖Ｍㄟ^高溫焙燒熔解，最終完全消失干凈,，同時石膏模干燥硬化,，這個過程一般要兩天左右。為了保證鑄件無氣孔,，輪廓清楚,，在專門的真空澆鑄設(shè)備內(nèi)將熔融的鋁合金液注入石膏模內(nèi)，冷卻后破碎石膏模就得了鋁合金鑄件,。這種生產(chǎn)金屬件的方法成本很低,，一般只有用壓鑄模生產(chǎn)的2％～5％費用。生產(chǎn)周期很短,，一般只需2周,。由于可以在真空環(huán)境完成澆注，石膏型鑄件的性能可與精鑄件相比,，甚至更優(yōu)于普通精密鑄造,。

圖5發(fā)動機進(jìn)氣歧管系列產(chǎn)品蠟?zāi)?

3．4燃機渦輪鑄件的鑄造
在航空航天技術(shù)方面高性能、形狀復(fù)雜的鑄件 整體鑄造問題,，國內(nèi)外應(yīng)用最有效的方法是利用快速成型技術(shù)與熔模鑄造相結(jié)合,，各取其長[5]。如圖7復(fù)雜難成型的燃機渦輪葉輪,，多葉片整體成形,，葉 片形狀按氣流動力學(xué)原理設(shè)計，給模具開模抽芯帶來困難,，型腔加工非常難,。模具設(shè)計與制造周期長，費用高，甚至嚴(yán)重制約了產(chǎn)品研究與開化,。
快速成型技術(shù)可以克服上述困難,，直接生產(chǎn)燃機渦輪葉輪的蠟?zāi)＃ò瑵沧⑾到y(tǒng)）如圖6，蠟?zāi)３尚蜁r不受葉輪形狀的約束,。成型的蠟?zāi)＝?jīng)過后續(xù)的表面處理,，表面粗糙度Ra可以達(dá)到6.3μm，能很好的保證熔模的尺寸精度和表面質(zhì)量,。 燃機渦輪一般采用陶瓷型殼鑄造,。為提高鑄件的抗疲勞性能，采用表面晶粒細(xì)化技術(shù),，使葉片部位晶粒為等軸晶,。因此制殼工藝為：用鋁酸鈷—硅溶膠—鋯英粉槳料涂表層，背層及加固層耐火材料選用煤矸石,。由于葉片厚度小,，不能有疏松，澆注系統(tǒng)設(shè)計成高壓頭,、大模數(shù)球形冒口,。適當(dāng)控制澆注溫度與型殼溫度，提高鋼液冶煉質(zhì)量,，可獲得高質(zhì)量的鑄件如圖7,。

圖6 燃機渦輪蠟?zāi)Ｄ＝M 燃機渦輪鑄件

4結(jié)語
采用快速成型技術(shù)制造熔模精密鑄造用蠟?zāi)＃?可以避免制作金屬模具對鑄件形狀,、研制進(jìn)程的限制,，能大大地縮短研制周期，同時能節(jié)約模具生產(chǎn)成本,，生產(chǎn)復(fù)雜的高精,、尖端鑄件�,？焖俪尚秃途荑T造是互補的,，如果沒有快速自動成型，鑄造原模的生產(chǎn)就是精密鑄造的瓶頸,。然而沒有精密鑄造,，快速自動成型的應(yīng)用也會存在很大的局限性。

編輯：南極熊
來源：張錫聯(lián) （岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系）