【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(guó)防、汽車等重點(diǎn)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(duì)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(jì)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�失熔��,，解決了傳統(tǒng)鑄造中蠟?zāi)；蚰灸５戎苽渲芷陂L(zhǎng)、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(dòng)成型已成為現(xiàn)代模型,、模具和零件制造的強(qiáng)有力手段,。熔模精密鑄造技術(shù)和快速成型技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)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(gè)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(jiǎn)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(gè)產(chǎn)品的三維CAD實(shí)體模型或曲面模型文件,，將實(shí)體模型轉(zhuǎn)換成RP文件標(biāo)準(zhǔn)的STL格式（Sterolithography）,，并對(duì)文件轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行修補(bǔ)。然后,，將上述每一片層的資料傳到快速自動(dòng)成型機(jī)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(shí)連結(jié)各層,，直到完成整個(gè)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(diǎn)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(shí)體模型。熔�,？焖俪尚图夹g(shù)工藝流程見圖1,。

圖1熔�,？焖俪尚图夹g(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(jì)和制作蠟?zāi)；蚱渌�可消失模用的模��,，視鑄件的復(fù)雜程度和尺寸大小,，一般要花幾周到幾個(gè)月時(shí)間。得到模具后還要一周時(shí)間才能得到鑄件,，這幾周主要是用于制作蠟?zāi)：托蜌ぃ�在小批量生產(chǎn)中模具費(fèi)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(tái)上鋪上一層粉末,，在計(jì)算機(jī)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(shí)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)�結(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(diǎn)是材料適應(yīng)面廣,，用鑄造蠟可制造精鑄蠟?zāi)＃�用陶瓷粉末能制造陶瓷型��,，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�失��,，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(duì)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(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)工藝條件,，通過實(shí)驗(yàn)確定綜合線收縮率,。如某成型機(jī)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(duì)零件處理時(shí)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,。考慮到合金種類,、模殼類型對(duì)線收縮的影響,， 可以測(cè)定鑄件實(shí)際尺寸，反過來再次對(duì)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(duì)鑄件尺寸的實(shí)際測(cè)量,，其綜合收縮率只有 1.8％，在激光快速成型蠟?zāi)�時(shí)只需在MagicsRP 軟件下,，對(duì)模型的放縮進(jìn)行調(diào)整即可校正蠟?zāi)３叽�,。但在鑄件生產(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(shí)，可以直接根據(jù)其收縮關(guān)系繪出蠟?zāi)５膶?shí)際尺寸,。

2．2蠟?zāi)５慕M焊
快速成型機(jī)制出的蠟?zāi)Ｔ�型要求無形變,，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(qiáng)度要求,，其尺寸按熔模鑄造工藝設(shè)計(jì)選取,。組焊工藝與傳統(tǒng)蠟?zāi)Ｏ嗨疲�保證內(nèi)澆口長(zhǎng)度和間距,，便于冒口補(bǔ)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(dòng)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)＃�或者在開放的大氣環(huán)境中焙燒脫除澆冒口及蠟?zāi),！?

3應(yīng)用實(shí)例
3．1 熔模鑄造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體
四缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄件大且形狀復(fù)雜,，模具設(shè)計(jì) 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(gè)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(shí)還需要鉗工進(jìn)行修整。從模具設(shè)計(jì)到加工制造是一個(gè)多環(huán)節(jié)的復(fù)雜過程,，周期長(zhǎng),、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(fèi)用。
圖3為采用快速鑄造方法生產(chǎn)的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)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(fèi)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(gè)試制任務(wù)比原計(jì)劃可提前5個(gè)月

圖3 采用快速鑄造技術(shù)生產(chǎn)的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)度，用硅溶膠制殼,，焙燒時(shí)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(gè)制殼過程只需5天時(shí)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(jì)一副壓鑄模不僅生產(chǎn)周期長(zhǎng)，而且費(fèi)用較高,，不便于零件的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì),。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(jī)中,，制成接管蠟?zāi)Ｔ�型�?

圖4 接管三維模型

對(duì)蠟?zāi)＿M(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚�,，焊接上澆注系統(tǒng)，再轉(zhuǎn)入制殼工藝,。由于接管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，采用陶瓷型鑄造不會(huì)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(qiáng)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(duì)鑄件進(jìn)行噴砂處理,，經(jīng)檢驗(yàn)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(diǎn)金屬件 如鋁鎂合金鑄件，采用石膏型效率更高,，同時(shí)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�后，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(shí)間放進(jìn)焙燒爐內(nèi)焙燒�,？焖俪尚拖�失模通過高溫焙燒熔解,，最終完全消失干凈，同時(shí)石膏模干燥硬化,，這個(gè)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(fèi)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(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管系列產(chǎn)品蠟?zāi)?

3．4燃機(jī)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(guó)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(zhǎng)[5]。如圖7復(fù)雜難成型的燃機(jī)渦輪葉輪,，多葉片整體成形,，葉 片形狀按氣流動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)，給模具開模抽芯帶來困難,，型腔加工非常難,。模具設(shè)計(jì)與制造周期長(zhǎng)，費(fèi)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(jī)渦輪葉輪的蠟?zāi)＃ò�含澆注系統(tǒng)）如圖6，蠟?zāi)３尚蜁r(shí)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(jī)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(jì)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(jī)渦輪蠟?zāi)Ｄ＝M 燃機(jī)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(duì)鑄件形狀、研制進(jìn)程的限制,，能大大地縮短研制周期,，同時(shí)能節(jié)約模具生產(chǎn)成本，生產(chǎn)復(fù)雜的高精,、尖端鑄件,。快速成型和精密鑄造是互補(bǔ)的,，如果沒有快速自動(dòng)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(dòng)成型的應(yīng)用也會(huì)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(jī)電工程系）