快(kuài)速成型技術在熔模精密鑄造中的應用
制造業特别是航空、航天、國防、汽車等重點行業，其基礎的核心部件一(yī)般均為(wèi)金(jīn)屬零件，而且相當多的金(jīn)屬零件是非對稱性的、有着不規則曲面或結構複雜而内部又含有精細結構的零件，這(zhè)些(xiē)零件的生(shēng)産常采用鑄造或解體(tǐ)加工的方法。熔模鑄造需用母模或過渡模來(lái)複制金(jīn)屬件，模具的設計與制造成為(wèi)鑄件生(shēng)産的瓶頸。快(kuài)速成型技術能(néng)夠快(kuài)捷地提供精密鑄造所需的蠟模或可消失熔模，解決了(le)傳統鑄造中蠟模或木模等制備周期長、投入大和難以制作(zuò)曲面等複雜構件的難題，極大地提高了(le)生(shēng)産效率和制造柔性。
與數控加工、鑄造、金(jīn)屬冷噴塗、矽膠模等制造手段一(yī)起，快(kuài)速自動成型已成為(wèi)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(kuài)速成型技術的有機結合，實現(xiàn)了(le)生(shēng)産的低(dī)成本和高效益，達到了(le)鑄件生(shēng)産的個(gè)性化(huà)、多樣性、快(kuài)速鑄造的目的。
1快(kuài)速成型技術
1.1 快(kuài)速原型技術的制作(zuò)流程
快(kuài)速成型制造技術又稱為(wèi)快(kuài)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(le)CAD技術、數控技術、激光技術和材料技術等現(xiàn)代科技成果。與傳統制造方法不同，快(kuài)速成型的過程是首先生(shēng)成 一(yī)個(gè)産品的三維CAD實體(tǐ)模型或曲面模型文件，将實體(tǐ)模型轉換成RP文件标準的STL格式（Sterolithography），并對文件轉換中出現(xiàn)的錯誤進行修補。然後，将上(shàng)述每一(yī)片層的資料傳到快(kuài)速自動成型機中去，用材料添加法并以激光為(wèi)加熱源，依次将每一(yī)層燒結或熔結并同時(shí)連結各層，直到完成整個(gè)零件。SLS成型方法成型材料為(wèi)各種可燒結粉末，如(rú)石蠟、塑料、低(dī)熔點金(jīn)屬粉末或它們的混合粉末，根據工藝要求，選取相應的材料，從而快(kuài)速堆積制作(zuò)産品實體(tǐ)模型。熔模快(kuài)速成型技術工藝流程見圖1。
1.2快(kuài)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确的一(yī)種成 型方法，且可重複性好(hǎo)(hǎo)，鑄件隻需少量的加工。精密鑄造首先需要設計和制作(zuò)蠟模或其它可消失模用的模具，視(shì)鑄件的複雜程度和尺寸大小，一(yī)般要花幾周到幾個(gè)月(yuè)(yuè)時(shí)間(jiān)。得到模具後還要一(yī)周時(shí)間(jiān)才能(néng)得到鑄件，這(zhè)幾周主要是用于制作(zuò)蠟模和型殼，在小批量生(shēng)産中模具費用分(fēn)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(kuài)速成型（SLS法）使用的造型材料為(wèi)石蠟粉末，其工藝過程是先在工作(zuò)台上(shàng)鋪上(shàng)一(yī)層粉末，在計算(suàn)機控制下(xià)用激光束有選擇地進行燒結(零件的空心部分(fēn)不燒結，仍為(wèi)粉末材料)，被燒結部分(fēn)便固化(huà)在一(yī)起構成零件的實心部分(fēn)。一(yī)層完成後再進行下(xià)一(yī)層，新(xīn)一(yī)層與其上(shàng)一(yī)層被牢牢地燒結在一(yī)起。全部燒結完成後，去除多餘的粉末，便得到燒結成的蠟模。該工藝的特點是材料适應面廣，用鑄造蠟可制造精鑄蠟模，用陶瓷粉末能(néng)制造陶瓷型殼，用金(jīn)屬粉末能(néng)制成壓制蠟模的金(jīn)屬模具。 快(kuài)速成型技術在精密鑄造中的應用可以分(fēn)為(wèi)三種情況，
一(yī)是成型蠟模或消失模，即精鑄用原型，用于複雜鑄件的小批量生(shēng)産，産品開發或試制件。
二是直接型殼法，用于小量生(shēng)産。
三是快(kuài)速成型蠟模模具即母模，用于大批量生(shēng)産。這(zhè)些(xiē)方法解決了(le)傳統方法的蠟模制造瓶頸問題，其工藝流程見圖2。
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确定， 對于尺寸而言，應當根據蠟模收縮率、合金(jīn)收縮率、模殼膨脹系數，同時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)工藝條件，通過實驗确定綜合線收縮率。如(rú)某成型機使用Pro/E進行三維造型，并将其轉換成STL文件格式，在收縮率确定後，可以在MagicsRP軟件對零件處理(lǐ)時(shí)首先進行放(fàng)縮，這(zhè)樣即可得到理(lǐ)想尺寸的蠟模，繼而獲得鑄件。考慮到合金(jīn)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(lái)再次對蠟模尺寸進行修正，最終獲得合格的蠟模和鑄件。如(rú)低(dī)碳鑄鋼件，按傳統的方法制造蠟模其綜合收縮率為(wèi)2.5％，經過對鑄件尺寸的實際測量，其綜合收縮率隻有 1.8％，在激光快(kuài)速成型蠟模時(shí)隻需在MagicsRP 軟件下(xià)，對模型的放(fàng)縮進行調整即可校(xiào)正蠟模尺寸。但(dàn)在鑄件生(shēng)産過程中存在阻礙收縮等非自由收縮，其中内孔尺寸收縮率小，外形尺寸收縮率大。在使用Pro/E進行三維造型時(shí)，可以直接根據其收縮關(guān)系繪出蠟模的實際尺寸。
2．2蠟模的組焊
快(kuài)速成型機制出的蠟模原型要求無形變，尺寸 準确，通過精整處理(lǐ)後表面光潔，可以進行組焊、粘漿、制殼、脫蠟。澆注系統選用性能(néng)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。組焊工藝與傳統蠟模相似，保證内澆口長度和間(jiān)距，便于冒口補縮，模殼放(fàng)置平穩。
2．3型殼制備
快(kuài)速成型技術制成的蠟模塗挂性能(néng)好(hǎo)(hǎo)，可以用 原工藝配制塗料，粘漿與撒砂，幹燥。粘結劑用矽溶膠或矽酸乙酯，面層耐火(huǒ)材料用锆英粉，背層用莫來(lái)石或煤矸石粉。由于使用的燒結粉料熔化(huà)溫度高，沒有流動性，型殼不能(néng)使用蒸汽脫蠟工藝，但(dàn)可以在純氧環境下(xià)通過高溫焙燒的方法去除蠟模，或者在開放(fàng)的大氣環境中焙燒脫除澆冒口及蠟模。
3．1 熔模鑄造發動機缸體(tǐ)
四缸發動機缸體(tǐ)鑄件大且形狀複雜，模具設計 與制造難度大，生(shēng)産中所需模闆、芯盒、壓蠟型的制 造更是一(yī)個(gè)難度非常大的過程，即使使用數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(shí)還需要鉗工進行修整。從模具設計到加工制造是一(yī)個(gè)多環節的複雜過程，周期長、耗資大，略有失誤就(jiù)可能(néng)導緻全部返工。利用快(kuài)速成型技術直接制作(zuò)蠟模，省出了(le)模具制造周期和費用。
采用快(kuài)速鑄造方法生(shēng)産的四缸發動機的蠟模。按傳統金(jīn)屬鑄件方法制造，模具制造周期約需半年，費用幾十萬；用快(kuài)速鑄造方法，快(kuài)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)比原計劃可提前5個(gè)月(yuè)(yuè)
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，用矽溶膠制殼，焙燒時(shí)因型殼尺寸太大，易出現(xiàn)裂紋。一(yī)般采用複合型殼，面層用矽溶膠锆英砂制殼，二、三層采用矽溶膠莫來(lái)石粉塗料，撒莫來(lái)石砂，加固層采用水玻璃制殼工藝，整個(gè)制殼過程隻需5天時(shí)間(jiān)，通過焙燒與澆注即可獲得鑄件。
3．2熔模鑄造鋁合金(jīn)接管
接管為(wèi)YL108鋁合金(jīn)，采用壓鑄成型是常用 的方法，作(zuò)為(wèi)試制産品，設計一(yī)副壓鑄模不僅生(shēng)産周期長，而且費用較高，不便于零件的尺寸優化(huà)設計。采用快(kuài)速成型技術制作(zuò)蠟模具有較大的靈活性，隻需更改接管的三維造型，無須重新(xīn)制造模具。先用Pro/E制作(zuò)接管的三維模型如(rú)圖4，按0.8%的收縮率将模型轉換成STL格式輸入快(kuài)速成型機中，制成接管蠟模原型。
對蠟模進行适當的修整，焊接上(shàng)澆注系統，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。面層采用锆英粉，背層用煤矸石粉耐火(huǒ)材料，共制六層即可滿足強度要求。模 殼焙燒失蠟後，用300℃～400℃熱殼澆注鋁合金(jīn)液，讓模組充分(fēn)冷卻後，小心清理(lǐ)鑄件模殼，最後對鑄件進行噴砂處理(lǐ)，經檢驗鑄件尺寸在圖紙範圍内，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(dī)熔點金(jīn)屬件 如(rú)鋁鎂合金(jīn)鑄件，采用石膏型效率更高，同時(shí)鑄件質量能(néng)得到有效的保證，鑄造成功率較高。石膏型鑄造的第一(yī)步是用快(kuài)速成型件制作(zuò)可消失模，如(rú)圖 5。蠟模修整後，焊上(shàng)澆注系統，再将模組埋在石膏 漿體(tǐ)中得到石膏模，石膏模充分(fēn)硬化(huà)幹燥一(yī)段時(shí)間(jiān)放(fàng)進焙燒爐内焙燒。快(kuài)速成型消失模通過高溫焙燒熔解，最終完全消失幹淨，同時(shí)石膏模幹燥硬化(huà)，這(zhè)個(gè)過程一(yī)般要兩天左右。為(wèi)了(le)保證鑄件無氣孔，輪廓清楚，在專門的真空澆鑄設備内将熔融的鋁合金(jīn)液注入石膏模内，冷卻後破碎石膏模就(jiù)得了(le)鋁合金(jīn)鑄件。這(zhè)種生(shēng)産金(jīn)屬件的方法成本很低(dī)，一(yī)般隻有用壓鑄模生(shēng)産的2％～5％費用。生(shēng)産周期很短，一(yī)般隻需2周。由于可以在真空環境完成澆注，石膏型鑄件的性能(néng)可與精鑄件相比，甚至更優于普通精密鑄造。
3．4燃機渦輪鑄件的鑄造
在航空航天技術方面高性能(néng)、形狀複雜的鑄件 整體(tǐ)鑄造問題，國内外應用最有效的方法是利用快(kuài)速成型技術與熔模鑄造相結合，各取其長[5]。如(rú)圖7複雜難成型的燃機渦輪葉輪，多葉片整體(tǐ)成形，葉 片形狀按氣流動力學原理(lǐ)設計，給模具開模抽芯帶來(lái)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(le)産品研究與開化(huà)。
快(kuài)速成型技術可以克服上(shàng)述困難，直接生(shēng)産燃機渦輪葉輪的蠟模（包含澆注系統）如(rú)圖6，蠟模成型時(shí)不受葉輪形狀的約束。成型的蠟模經過後續的表面處理(lǐ)，表面粗糙度Ra可以達到6.3μm，能(néng)很好(hǎo)(hǎo)的保證熔模的尺寸精度和表面質量。 燃機渦輪一(yī)般采用陶瓷型殼鑄造。為(wèi)提高鑄件的抗疲勞性能(néng)，采用表面晶粒細化(huà)技術，使葉片部位晶粒為(wèi)等軸晶。因此制殼工藝為(wèi)：用鋁酸钴—矽溶膠—锆英粉槳料塗表層，背層及加固層耐火(huǒ)材料選用煤矸石。由于葉片厚度小，不能(néng)有疏松，澆注系統設計成高壓頭、大模數球形冒口。适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(rú)圖7。
4結語
采用快(kuài)速成型技術制造熔模精密鑄造用蠟模， 可以避免制作(zuò)金(jīn)屬模具對鑄件形狀、研制進程的限制，能(néng)大大地縮短研制周期，同時(shí)能(néng)節約模具生(shēng)産成本，生(shēng)産複雜的高精、尖端鑄件。快(kuài)速成型和精密鑄造是互補的，如(rú)果沒有快(kuài)速自動成型，鑄造原模的生(shēng)産就(jiù)是精密鑄造的瓶頸。然而沒有精密鑄造，快(kuài)速自動成型的應用也(yě)會存在很大的局限性。
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