快速成型技術(shù)在熔模精密鑄造中的應(yīng)用
制造業(yè)特別是航空、航天、國防、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?；蜻^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?？焖俪尚图夹g(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(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。熔模快速成型技術(shù)工藝流程見圖1。
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)；蚱渌上Ｓ玫哪＞撸曡T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?，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)?。蠟?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)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(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殼，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。
2蠟?zāi)Ｅc制殼工藝要求
2．1 蠟?zāi)５某叽?/a>
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(shí)考慮現(xiàn)場工藝條件，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、模殼類型對線收縮的影響， 可以測定鑄件實(shí)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(shí)際測量，其綜合收縮率只有 1.8％，在激光快速成型蠟?zāi)r(shí)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?。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(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?，保證內(nèi)澆口長度和間距，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繏煨阅芎茫梢杂?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)＃蛘咴陂_放的大氣環(huán)境中焙燒脫除澆冒口及蠟?zāi)！?nbsp;
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、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。
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
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，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汀?nbsp;
對蠟?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?，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Ｍㄟ^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。
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(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，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瑵沧⑾到y(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。
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(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?？焖俪尚秃途荑T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。
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