【解析】快速成型技術在熔模精密鑄造中的應用

在制造業(yè)特別是航空、航天、國防、汽車等重點行業(yè)，其基礎的核心部件一般均為金屬零件，而且相當多的金屬零件是非對稱性的、有著不規(guī)則曲面或結構復雜而內部又含有精細結構的零件，這些零件的生產常采用鑄造或解體加工的方法。熔模鑄造需用母�；蜻^渡模來復制金屬件，模具的設計與制造成為鑄件生產的瓶頸�？焖俪尚图夹g能夠快捷地提供精密鑄造所需的蠟模或可消失熔模，解決了傳統(tǒng)鑄造中蠟�；蚰灸５戎苽渲芷陂L、投入大和難以制作曲面等復雜構件的難題，極大地提高了生產效率和制造柔性。

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。熔模精密鑄造技術和快速成型技術的有機結合，實現(xiàn)了生產的低成本和高效益，達到了鑄件生產的個性化、多樣性、快速鑄造的目的。

1快速成型技術
1.1 快速原型技術的制作流程
快速成型制造技術又稱為快速原型制造技術 (RapidPrototypingManufacturing，簡稱RPM)。它包 括SLS、SLA、SLM等成型方法,集成了CAD技術、數(shù)控技術、激光技術和材料技術等現(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 一個產品的三維CAD實體模型或曲面模型文件，將實體模型轉換成RP文件標準的STL格式（Sterolithography），并對文件轉換中出現(xiàn)的錯誤進行修補。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，依次將每一層燒結或熔結并同時連結各層，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，選取相應的材料，從而快速堆積制作產品實體模型。熔模快速成型技術工藝流程見圖1。

圖1熔�？焖俪尚图夹g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，且可重復性好，鑄件只需少量的加工。精密鑄造首先需要設計和制作蠟�；蚱渌�可消失模用的模具，視鑄件的復雜程度和尺寸大小，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模和型殼，在小批量生產中模具費用分攤昂貴。
RPM技術不用制造模具，可直接成型精鑄用 蠟模。蠟模的激光快速成型（SLS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行燒結(零件的空心部分不燒結，仍為粉末材料)，被燒結部分便固化在一起構成零件的實心部分。一層完成后再進行下一層，新一層與其上一層被牢牢地燒結在一起。全部燒結完成后，去除多余的粉末，便得到燒結成的蠟模。該工藝的特點是材料適應面廣，用鑄造蠟可制造精鑄蠟模，用陶瓷粉末能制造陶瓷型殼，用金屬粉末能制成壓制蠟模的金屬模具。 快速成型技術在精密鑄造中的應用可以分為三種情況，
一是成型蠟模或消失模，即精鑄用原型，用于復雜鑄件的小批量生產，產品開發(fā)或試制件。
二是直接型殼法，用于小量生產。
三是快速成型蠟模模具即母模，用于大批量生產。這些方法解決了傳統(tǒng)方法的蠟模制造瓶頸問題，其工藝流程見圖2。

圖2 熔�？焖勹T造工藝流程圖

2蠟模與制殼工藝要求
2．1 蠟模的尺寸
蠟模的尺寸與表面質量按圖樣技術條件確定， 對于尺寸而言，應當根據(jù)蠟模收縮率、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進行三維造型，并將其轉換成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行放縮，這樣即可得到理想尺寸的蠟模，繼而獲得鑄件。考慮到合金種類、模殼類型對線收縮的影響， 可以測定鑄件實際尺寸，反過來再次對蠟模尺寸進行修正，最終獲得合格的蠟模和鑄件。如低碳鑄鋼件，按傳統(tǒng)的方法制造蠟模其綜合收縮率為2.5％，經過對鑄件尺寸的實際測量，其綜合收縮率只有 1.8％，在激光快速成型蠟模時只需在MagicsRP 軟件下，對模型的放縮進行調整即可校正蠟模尺寸。但在鑄件生產過程中存在阻礙收縮等非自由收縮，其中內孔尺寸收縮率小，外形尺寸收縮率大。在使用Pro/E進行三維造型時，可以直接根據(jù)其收縮關系繪出蠟模的實際尺寸。

2．2蠟模的組焊
快速成型機制出的蠟模原型要求無形變，尺寸 準確，通過精整處理后表面光潔，可以進行組焊、粘漿、制殼、脫蠟。澆注系統(tǒng)選用性能相近的中溫蠟，以便于粘結牢固，滿足制殼的強度要求，其尺寸按熔模鑄造工藝設計選取。組焊工藝與傳統(tǒng)蠟模相似，保證內澆口長度和間距，便于冒口補縮，模殼放置平穩(wěn)。

2．3型殼制備
快速成型技術制成的蠟模涂掛性能好，可以用 原工藝配制涂料，粘漿與撒砂，干燥。粘結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模，或者在開放的大氣環(huán)境中焙燒脫除澆冒口及蠟模。

3應用實例
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雜，模具設計 與制造難度大，生產中所需模板、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備，在加工技術與工藝可行性方面仍存在很大困難，有時還需要鉗工進行修整。從模具設計到加工制造是一個多環(huán)節(jié)的復雜過程，周期長、耗資大，略有失誤就可能導致全部返工。利用快速成型技術直接制作蠟模，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的四缸發(fā)動機的蠟模。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，整個試制任務比原計劃可提前5個月

圖3 采用快速鑄造技術生產的四缸發(fā)動機蠟模

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，作為試制產品，設計一副壓鑄模不僅生產周期長，而且費用較高，不便于零件的尺寸優(yōu)化設計。采用快速成型技術制作蠟模具有較大的靈活性，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%的收縮率將模型轉換成STL格式輸入快速成型機中，制成接管蠟模原型。

圖4 接管三維模型

對蠟模進行適當?shù)男拚�，焊接上澆注系統(tǒng)，再轉入制殼工藝。由于接管結構簡單，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，最后對鑄件進行噴砂處理，經檢驗鑄件尺寸在圖紙范圍內，表面光潔。

3．3石膏型鑄造進氣歧管
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。蠟模修整后，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間放進焙燒爐內焙燒�？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備內將熔融的鋁合金液注入石膏模內，冷卻后破碎石膏模就得了鋁合金鑄件。這種生產金屬件的方法成本很低，一般只有用壓鑄模生產的2％～5％費用。生產周期很短，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)動機進氣歧管系列產品蠟模

3．4燃機渦輪鑄件的鑄造
在航空航天技術方面高性能、形狀復雜的鑄件 整體鑄造問題，國內外應用最有效的方法是利用快速成型技術與熔模鑄造相結合，各取其長[5]。如圖7復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原理設計，給模具開模抽芯帶來困難，型腔加工非常難。模具設計與制造周期長，費用高，甚至嚴重制約了產品研究與開化。
快速成型技術可以克服上述困難，直接生產燃機渦輪葉輪的蠟模（包含澆注系統(tǒng)）如圖6，蠟模成型時不受葉輪形狀的約束。成型的蠟模經過后續(xù)的表面處理，表面粗糙度Ra可以達到6.3μm，能很好的保證熔模的尺寸精度和表面質量。 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，采用表面晶粒細化技術，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)設計成高壓頭、大模數(shù)球形冒口。適當控制澆注溫度與型殼溫度，提高鋼液冶煉質量，可獲得高質量的鑄件如圖7。

圖6 燃機渦輪蠟模模組 燃機渦輪鑄件

4結語
采用快速成型技術制造熔模精密鑄造用蠟模， 可以避免制作金屬模具對鑄件形狀、研制進程的限制，能大大地縮短研制周期，同時能節(jié)約模具生產成本，生產復雜的高精、尖端鑄件。快速成型和精密鑄造是互補的，如果沒有快速自動成型，鑄造原模的生產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)技術學院 機電工程系）