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复杂铸件的快速制造

复杂铸件的快速制造 2011年12月03日 来源： 中国是铸造的大国，但不是铸造强国，许多中小企业长期依靠生产附加值低的简单铸件，而对技术难度较高的复杂铸件望而生畏。因为对于复杂铸件，特别是对于一些形状复杂且小批量生产的薄壁铸件，铸造一直是个难题。更何况现在客户对短周期及低成本要求很高，传统的工艺很难胜任。 快速成形（RP）的出现和发展为解决上述问题提供了一条极具前景的新路，因此我们应好好运用这一先进技术为铸造业服务。快速成形技术（RP）是一种集计算机辅助设计、精密机械、数控激光技术和材料学为一体的新兴技术。它采用软件离散化和材料堆积的原理，将所设计物体的CAD模型转化为实物样件。由于RP技术采用将三维形体转化为二维平面分层制造的原理，因此能够处理任意复杂的构件，而且构件越是复杂越能体现它的优越性。 但由快速成形设备生产的制件只是原型或模型而不是铸件，运用这些原型或模型来生产铸件可以选择多种工艺路线，而如何选择最佳的工艺路线则需要相应的专业知识。华中科技大学快速成形中心于1991年开始快速成形技术的研究，是中国最早开展该项技术研究的单位之一，并取得了丰硕的成果，成功推出了多种快速成形系统，经用户使用，产生了显著的经济效益和社会效益。近年来对快速成形在各行业中的运用，特别是对复杂铸件的快速制造开展了大量的研究，积累了丰富的经验。在此我们将这些研究成果介绍给读者。 母模制造方法的选择与比较 目前，国内外研究了多种快速成形方法，比较成熟实用的主要有LOM、SLA、SLS、FDM、3DP，这些技术各有优缺点，其具体原理和特点如下：1、立体光刻（SLA） SLA是利用紫外激光扫描光敏树脂、光敏树脂在激光的作用下固化逐层堆集而成。用SLA原型可代替铸造中的木模和熔模精密铸造中的蜡模。SLA技术成形速度快，精度高。由于SLA所用树脂为热固性光敏树脂，加热不能熔失，只能烧失，所以熔模铸造时对焙烧工艺要求较高，原型件最好做成镂空结构。SLA原型对水较敏感，长时间在潮湿环境中易吸潮变形，所以要注意防潮。SLA的设备及运行成本较高，适合于制造薄壁精细轮廓精密铸件的模型。 2、分层实体制造（LOM） LOM工艺是根据零件分层得到的轮廓信息用激光切割薄材，这样逐层堆集而成的三维实体。LOM主要特点是设备和材料价格较低，运行成本也低。原型经处理后强度好，精度高，不变形，在铸造中可代替复杂的木模，特别适合于中小型铸造厂单件或小批量生产。 3、选择性激光烧结（SLS） 其原理是：激光束在计算机的控制下，对粉末进行扫描，扫描部分粉末熔化粘结而成的实体。SLS技术的最大特点是成形材料广泛，塑料、陶瓷、金属、蜡粉、腹膜砂及它们的复合材料都可作为SLS的成形材料，制备相应的功能件、金属件、蜡模及砂型（芯），所以适用性强。SLS制作蜡模进行熔模铸造是目前在国内运用最为广泛的方法，不仅成本相对较低，而且精度高，表面质量好，无需支撑，可制作形状极其复杂的蜡模生产复杂铸件。 4、熔丝沉积（FDM） 熔丝沉积将材料液化后经过喷嘴逐层沉积成制件，成形材料包括塑料丝、蜡丝等，因此制备塑料原型件和蜡模。该工艺中没有价格昂贵的激光器，所以设备价格低，且由于材料被完全熔化，制件强度高。但成形速度慢，制件精度差，表面质量差，且喷丝头的喷嘴易产生流延和堵塞。 5、三维打印（3DP） 三维打印工作原理类似于喷墨打印机。该技术的材料包括陶瓷、金属/有机复合材料等。该技术成本较低，成形速度快，精度高，但制件表面粗糙，强度不高，且打印喷头容易堵塞。在铸造中适合于原型的验证制作蜡模或制造石膏型。 快速制造与铸造方法的选择1、熔模铸造 SLS快速成形所得到的蜡模可直接用于熔模铸造得到金属件。这种快速成形工艺无需制造压型，大大缩短了毛坯的生产周期，并可实现小批量生产。 SLS制作蜡模不仅速度快，价格相对便宜，表面质量高，而且所用蜡料性质与一般铸造中的高温蜡料或中蜡料相似，只要对熔模铸造中现行的焙烧工艺稍微改变就可实现SLS蜡料的焙烧脱出。SLS蜡模在熔模铸造中的运用十分广泛，既可铸造小型精密铸件，也可制作大型复杂铸件，特别是可以与常规低熔点蜡模组焊成复合蜡模，即用普通蜡料压型制作铸件的简单部分，而用SLS制作复杂部分，大幅提高生产效率，降低蜡模制作成本。 用SLA法制作的树脂件也可用于熔模铸造，SLA树脂件强度高，表面质量好，所以可用于铸造非常精细的小型铸件。但由于焙烧工艺复杂，并要求采用易烧失的SLA专用树脂，原型件的制造成本也高，所以目前在国内运用还不如SLS法广泛。FDM也可挤出蜡料，只是FDM的成形速度慢，表质质量不高，所以这方面的应用也不多。 熔模精密铸造是实现铸件批量生产的有效方法之一。在传统的熔模铸造过程中，最困难的环节是快速制造制作熔模压型，对于形状复杂的大型件更为突出，通常是根据铸件的形状及尺寸进行设计，经金属切削加工制成，周期长并且成本高。采用快速成形技术制造母模，通过快速软模或快速过渡模等得到熔模铸造的压型。然后用此压型注射蜡模，再用此蜡模经传统的失蜡铸造工艺制作金属铸件，不仅工艺简单而且成本低。其制作工艺可以分为：(1) 用快速成形制作母模再翻制成硅橡胶软模、金属冷喷模、石膏型、陶瓷型和经过中间转换的合金模、电铸模、环氧树脂模等阴模当压型，压制蜡模；(2) 用快速成形直接制造压型，如华中科技大学开发的高分子/金属复合材料，用选择性激光烧结成形，制件经表面处理后可以直接作为熔模压型，从而大大简化了小批量生产铸件的步骤。 2、石膏型及陶瓷型精密铸造 石膏型及陶瓷型铸造具有高精度及低表面粗糙度值的优点。利用快速成形获得铸造陶瓷型或石膏型有多种途径：(1) 利用LOM、SLA、SLS、3DP制作的原型当母模，直接翻制成陶瓷型或石膏型，对于形状复杂不易拔模的制件可以先转制成硅橡胶型。这种方法的特点是成本低，且可实现小批量生产，但这种方法不适用形状复杂、不能拔模的制件；(2) 类似于熔模铸造的方法，用SLS、SLA、3DP或FDM制作蜡模，再熔失或烧失。 3、砂型铸造 传统的砂型铸造一般要先制木模，而木模制造靠人工的方法往往在技术、生产周期、精度及材质方面难于完全满足要求。用快速成形得到的LOM模型可以代替木模直接用于铸造生产。由于经过了特殊的处理，纸质模坚如硬木，表面光滑有利于砂型铸造。它在200℃以下工作，可以翻制50~200件砂型。其优点是成本低，制造速度快，无需高水平木模工和相应的木工机械就能在很短时间内制作高精度模样，对于形状复杂的大、中型铸件，其优点尤为突出。如发动机机体、缸盖、进（排）气管和底盘变速器离合器壳体等都可以用这种方法制造。纸质模或树脂模取代木模使得金属模胚的制造周期和成本大大降低，而且精度的提高可以减少机械加工余量和加工费用。 用SLS烧结覆膜砂可直接成形砂型（芯）用于铸造，这种方法经济快速，尤其对于内腔流道特别复杂的铸件有其它方法无法比拟的优势。 复杂铸件铸造方法的选择与生产实例1、复杂液压阀体的快速铸造 图1所示为国外客户订货的材质为HT200的液压阀铸件的三维图。该件外形上的凸凹形面较多，并有许多与内流道相通的小圆孔及异形孔。特别是该件的内腔流道形状更为复杂（其形状可见图2中形成流道的型芯），共有四条流道：最窄流道截面直径仅φ5mm×流道长64mm（长径比约13），且也成弯扭状，其两端分别与右侧面及低平面相通。该阀体的内腔流道形状弯扭变化很大，不仅沿水平方向弯扭、而且还沿空间任意方向弯扭，同一流道出现多个不等直径或不等截面形状，有的流道过分细长，各流道出口中心线不在外部形状上的同一平面上等问题，这些均会给该阀体铸件的制造工艺带来很大的困难，传统的砂型铸造和消失膜铸造均难以胜任。选择性激光烧结快速成形不仅制模周期短，费用低，而且特别适合于制作复杂零件的原型或型(芯)，现在铸造的生产实践中已得到了广泛的运用，因此本文着重考虑了基于选择性激光烧结快速成形的几种铸造方法。

图1 阀体铸件的三维图形

图2 阀体下砂型及型芯的三维图形

(1)选用石膏型精密铸造方法。直接用选择性激光烧结快速成形方法，不需模具，直接依据客户的三维图形，施放金属收缩率后，输入SLS快速成形机中，仅在一天内即可制作出与图1形状完全相同的蜡模，然后直接用石膏灌浆，进行石膏型精密铸造获得铸件。但石膏型精铸工艺一般只适合浇注铝合金铸件，而液压阀体所要求的材料为灰铸铁，其熔点比铝合金高，因此不适宜用石膏型精密铸造。且复杂石膏芯因无芯骨，强度低，易被金属所压断。 (2)选用熔模精密铸造方法。与石膏型铸造法相同，也是用选择性激光烧结快速成形方法直接制造蜡模。由于流道直径小、形状扭曲，故内部无法进行挂砂结壳，只能用陶瓷型芯来成形，而用该液压阀内腔浇灌陶瓷型芯很困难，因形状所限不能放置芯骨增加强度，且在阀体铸件浇注后陶瓷型芯的溃散性差，不易清理出砂。故该法也不宜被选用。 (3)选用直接烧结覆膜砂型(芯)的方法。选择性激光烧结覆膜砂已在生产中得到了一定的运用，因覆膜砂的溃散性好，所以特别适用于制作复杂砂芯，因此我们最终决定选用选择性激光烧结成形技术烧结覆膜砂，直接制造复杂液压阀体的砂型及砂芯，然后浇注铸件。 由图3可见用华中科技大学开发的选择性激光烧结快速成形烧结的覆膜砂型不仅实现了砂型（芯）的整体成形，而且强度高，表面粗糙度低。图4为用其浇注的铸件，可见铸件流道清晰，表面光滑。

图3 SLS烧结阀体的上（左，经后固化）、下（右，未后固化）覆膜砂型及型（芯）

图4 用覆膜砂型(芯)浇注的液压阀体铸件及其剖分图

2、DISA线模具的快速铸造 DISA线用模板一般采用灰铁材质，其制造工艺一般是制作木模后翻制金属模具毛坯，现通过数控加工来获得。此种制造工艺工序繁琐，制造周期长（一般2~3个月），而且每片模块都需要数控加工，成本较高。 快速成形的出现为快速制造DISA模具提供了条件。DISA线用快速模板有两种工艺：(1)用SLS蜡模进行精密铸造，直接获得表面糙度低、尺寸精度高的近无余量模具；(2)直接将LOM快速原型代替木模作模具，在DISA线上直接进行射压造型铸造模具，这种方法成本低，速度快，铸造方便。如图5为DISA模具的LOM原型，图6为翻制的金属模具毛坯。

图5 DISA模具的LOM原型 图6 翻制的金属模具毛坯

3、摩托车缸体的快速铸造 摩托车缸体为典型的复杂薄铸件，模铸件材质为铝合金，要求较高的表面质量和精度。因此可选择用SLS直接制造蜡模（图7），再用精密铸造的方法浇注铸件。由于制件过薄，且有很细的孔洞。铝合金的熔点低，因此可以直接用石膏灌浆，宜选用石膏型精密铸造获得铸件（图8）。

图7 摩托车缸体的SLS蜡模 图8 摩托车缸体的快速铸件

4、汽车排气管的快速铸造 我们曾接到要求在2个星期内产出3件球墨铸铁汽车排气管的精密铸件的订单。汽车排气管的曲面复杂，特别是对内空气道有较高的要求，宜选用SLS蜡模——精密铸造的方法。由于材质要求球墨铸铁，因此不适合于石膏型铸造。虽然排气管的气道曲面复杂，但气道内空直径较大，可以挂砂结壳，因此可以采用熔模精密铸造的方法实现快速铸造。如图9、10所示。

图9 汽车排气管蜡模件 图10 汽车排气管速铸件

5、小泵轮的快速制造 小泵轮属于小铸件，叶片部分复杂精细，若用SLS蜡模，在处理过程中易于损坏，而SLA的树件强度高，所以我们选用SLA来制作原型。熔模精密铸造的工艺生产出了合格的不锈钢铸件，如图11、12所示。

图11 小泵轮的SLA原型件 图12 小泵轮的不锈钢铸件

总结 快速成形与铸造相结合，只要选择好合适的工艺，就可实现复杂铸件的低成本快速制造。并可得到较高的精度和较低的表面粗糙度的铸件，解决长期存在的铸造难题，为企业及社会带来良好的经济和社会效益。这是铸造企业迅速提高技术实力和竞争力的有力手段，因此我们应好好运用这一先进技术为铸造业服务。 (end)

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