数字化无模铸造精密成型技术(正版).doc

工程技术学院

锻压工艺及模具设计
课程报告

学 院（系） 机 械 工 程系
专 业 班 级 模具设计与制造61002 班
学 生 姓 名 余伟 序号 24
指 导 教 师 江山
日 期 2012-5-29

目 录
一、背景综述
目前数字化无模铸造精密成型技术的现状和未来发展趋势……....……2
二、具体分析
1.题目及分析
1.1无模铸型快速制造技术的工作原理及特点……....………………..3
2. 设计过程
2.1用无模铸型快速制造技术制造铸造模具的方法…………………..6
2.2用无模铸型快速制造技术制造铸造模具操作的注意事项……….8
2.3用无模铸型快速制造技术制造的铸型和模具实例………………..9
3．心得体会

数字化无模铸造精密成型技术
铸造有着数千年的历史，干将莫邪铸钟娘娘的传说里都有着对铸造工艺的描述；去年热映的电影《钢的琴》里那架钢琴的琴体也是由铁水铸成。
　　在几千年历史河水的冲刷中，铸造工艺几乎从未被改变过。以应用最广泛的砂型铸造为例，先根据图样做出木模，再放入砂箱填型做出砂型，后将熔化的金属浇灌入砂型空腔，冷却凝固获得铸件。从祖辈手中的烟袋锅子，到现代汽车的发动机缸体，铸件几乎都是出自这种工艺。
　　整个过程环节较多，需预留工艺补正量，并且尺寸精度差，人为影响因素很大，因为大部分都是以二维图纸为基础进行设计制造。
随着汽车机床等现今制造业技术的高速进步，以及核电航空航天国防军工等重大装备和重大工程的实施，铸造产品发展的趋势要求更好的综合性能，更高的精度，更少的余量，更好的表面质量，更复杂的结构。同时，节能降耗减少污染也是现代制造业的迫切要求。
　 然而，我国机械制造业自主创新能力的增强受铸造业发展的影响较大，因为机械设备的大部分零件毛坯都是通过铸造生产出来，所以铸件质量的好坏以及生产的快慢，都将直接影响到机械制造业的自主创新和技术发展,而影响铸造业发展的重要因素又是现行铸造模具的制造速度太慢、制造质量较差。
所以，人们都在寻求更快更好的模具制造方法，如：用数控中心加工的方法，它能比较快比较准确的将模具加工出来，当然也需经过打磨修整，但价格比较贵，而且对那些复杂的模具也很难达到要求，有它的局限性。
还有一些快速成形的方法制作模具，主要有：光敏树脂的激光快速成形、塑料数字喷射/挤压快速成形、激光切割贴纸快速成形、消失蜡熔模铸造快速成形技术等，这些方法大多只能提供小件，而且运行成本很高。为此，我们用无模铸型快速制造技术来制造铸造模具，用数字技术实现铸造模具快速、准确的制造，并能有效降低铸造模具的制造成本等。
2015年中国的铸件总产量将达到5000万吨以上，年产值达到7500亿元以上，数字化无模铸造技术及装备将在汽车模具机床工程机械航空航天等领域应用前景广阔。
铸造生产中，砂型铸造应用最广泛，世界上大约80%的铸件都采用木模金属模等进行砂型铸造。目前，我国有3万多家的铸造企业，2011年我国铸件年产量超过了4000万吨，消耗了大量木材和金属。2012年我国数字化无模铸造精密成形机预计推广应用30台，亚洲欧洲亦有橄榄枝抛来，这种装备可在两天内制作出以前需要1-2个月才能完成的砂型，在单件小批量铸件及铸造模具开发生产中彻底将铸造工艺中的木模抛弃，在铸造行业中推广应用，将会节约大量木材和金属，挽救成千上万棵树。
反观传统铸造工艺，为了达到要求，木模金属模等的制作过程耗时耗力，动辄以月为单位的开发周期，拖了制造后腿。在提高产品开发效率和降低能耗的呼声中，铸造工艺应无模化柔性化数字化精密化绿色化和智能化。
2008年，数字化无模铸造技术的发明者单忠德收到中国一汽的一个铸件图纸，对方希望能够采用数字化无模铸造技术进行砂型制造的测试，表示如果能在两天后的周一，依据图纸制出该铸件的合格砂型，中国一汽将启动购置设备谈判。两天后？按照传统铸造工艺，通常需要30-45天甚至更长时间！结果是，周一单忠德带领的研发团队把砂型摆在了谈判客户面前。单忠德及其团队开发的数字化无模铸造精密成形技术及装备，直接从砂型加工入手。技术人员所需要做的很简单，先用电脑将所需铸件的三维CAD模型做出来，自动规划路径后输入到无模铸造精密成形机，然后，就等着看刀头的机器舞吧。
刀头会按照程序设定的轨迹移动，或上或下，或左或右，或浅或深这是一种精密机械独有的运动美感。经过一番切削后，一个完美的砂型得以呈现。这个过程，最快只需要几个小时，这点时间比起动辄以月为单位的开发周期，几乎可以忽略不计。
看过数控机床的刀头上下翻飞雕琢一个金属件的朋友，也许会在无模铸造精密成形机前体味到异曲同工之妙。
但你所不知道的是，由于是对型砂直接切削加工，因此存在着复杂薄壁砂型加工易出现坍塌且表面粗糙高速旋转的刀具加工砂型易磨损或崩刃，加工的废砂如何及时清除及刀具冷却等诸多问题。
单忠德举例说，型砂质地粗糙，高速旋转的刀具与坚硬的型砂颗粒碰撞，普通刀头岂有不坏不崩之理？所以无模成形系列技术中，有一项就是专门的长寿命刀具研制。再有，切削型砂不可能用切削液给刀头降温，而产生粉尘又该如何处置？他们想到了在刀头周围创造出一个正负压环境，这样既解决了降温问题，又不至于让刀头起舞时黄沙滚滚。
该项目创新提出铸型数控加工方法复杂薄壁件砂型配方刀具冷却和废砂排除一体化方法金属件自适应铸型制造及铸型坎合组装方法，创新地开发出具有自主知识产权的长寿命高速砂型加工刀具固化砂型加工工艺参数的专用高速高效开放式数控系统和数据接口管理软件刀具冷却和废砂排除一体化系统和系列化的无模铸造精密成形机。
由于三维CAD模型直接驱动铸型制造，抛弃了传统的木模或金属模等模具，大大缩短了铸造流程，并实现了铸造行业的数字化，因此数字化无模铸造精密成形技术被称作是铸造技术的革命。
技术革命的效果就是，加工费用仅为有模方法的1/10左右，开发时间缩短了50%-80%，相应地制造成本降低了30%-50%。
如果你是一个铸造行业的从业人员，你应该可以体会到，不仅享受到时间节省和成本降低，重要的是使用该技术抢占了市场先机，由此所带来的收获更让人心潮澎湃。
如果你是一个铸造行业的从业人员，你还会注意到，型芯数字化加工，取消了拔模斜度，提高了零件的成形精度，同时减少了设计中的加工余量；型芯柔性化的设计和灵活多样组合，为设计和制造提供了充分自由度；另外，多种类激冷效果各异的型砂可构造自适应复合砂型。
如果在铸件开发及小批量生产中应用数字化无模铸造成形技术，将减少大量木材和金属的消耗，挽救成千上万棵树，成片的森林。同时，由于减少拔模斜度和加工余量，每吨铸件可平均减重3%，还将会节约大量金属和煤电，利于行业节能减排。
截止到2011年年底，单忠德团队先后在北京吉林长春山东烟台河南洛阳江苏常州和广西玉林等建立了7个数字化无模铸造精密成形技术与装备的应用示范基地。中国一汽中国一拖广西玉柴等企业已经采用该方法及装备，成功完成了轮毂齿轮壳体变速箱体进排气管发动机缸体等复杂铸件的开发，产生经济效益上亿元。
1.1 数字化无模铸型快速制造技术的工作原理及特点
数字化无模铸造精密成型技术，简称无模铸造技术，是计算机、自动控制、新材料、铸造等技术的集成和原始创新：由三维CAD模型直接驱动铸型制造，不需要模具缩短了铸造流程，实现了数字化铸造、快速制造。《见图1》

技术流程图 《图1》
同传统铸型制造技术相比，无模铸造具有无可比拟的优越性，它不仅使铸造过程高度自动化、敏捷化，降低工人劳动强度，而且在技术上突破了传统工艺的许多障碍，使设计、制造的约束条件大大减少。具体表现在以下方面：
1) 造型时间短
利用传统的方法制造铸型必须先加工模样，无论是普通加工还是数控加工，模样的制造周期都比较长。对于大中型铸件来说，铸型的制造周期一般以月为单位计算。由于采用计算机自动处理，无模铸造工艺的信息处理过程一般只需花费几个小时至几十个小时。所以从制造时间上来看，该工艺具有传统造型方法无法比拟的优越性。
2) 制造成本低
无模铸造工艺的自动化程度高，其设备一次性投资较大，其它生产条件如原砂、树脂等原材料的准备过程与传统的自硬树脂砂造型工艺相同。然而又由于它造型无需模样，对于一些大型、复杂铸件，模具的成本又较高，所以其收益是明显的.
3) 一体化制造
由于传统造型需要起模，因此一般要求沿铸件最大截面处（分型面）将其分开，也就是采用分型造型。这样往往限制了铸件设计的自由度，某些表面和内腔复杂的铸型不得不采用多个分型面，使造型、合箱装配过程的难度大大增加，分型造型使铸件产生。
“飞边”，导致机加工量增大。无模铸造工艺采用离散/堆积成形原理，没有起模过程，所以分型面的设计并不是主要障碍。分型面的设计甚至可以根据需要不设置在铸件的最大截面处，而是设在铸件的非关键部位，对于某些铸件，完全可以采用一体化制造方法，即上下型同时成形。一体化造型最显著的优点是省去了合箱装配的定位过程，减少了设计约束和机加工量，使铸件的尺寸精度更容易控制。
4) 型、芯同时成形
传统工艺出于起模的考虑，型腔内部一些结构设计成芯，型、芯分开制造，然后再将二者装配起来，装配过程需要准确的定位，还必须考虑芯子的稳定性。无模铸造工艺制造的铸型，型和芯是同时堆积而成，无需装配，位置精度更易保证。
5) 易于制造含自由曲面的铸型
传统工艺中，采用普通加工方法制造模样的精度难以保证；数控加工编程复杂，另外涉及刀具干涉等问题。所以传统工艺不适合制造含自由曲面或曲线的铸件。而基于离散/堆积成形原理的无模铸造工艺，不存在成形的几何约束，因而能够很容易地实现任意复杂形状的造型。
6) 造型材料廉价易得
无模铸造工艺所使用的造型材料是普通的铸造用砂，价格低廉，来源广泛；而粘结剂和催化剂也是非常普通的化学材料，成本不高。
同时数字化无模铸造精密成型技术是一种全新的复杂金属件快速制造方法，能够实现复杂金属件制造的柔性化、数字化、精密化、绿色化、智能化，是铸造技术的革命。不需要木模及模具，缩短了铸造流程，实现了传统铸造行业的数字化制造，特别适合于复杂零部件的快速制造，在节约铸造材料、缩短工艺流程、减少铸造废弃物、提升铸造质量、降低铸件能耗等方面具有显著特色和优势，改变了几千年来铸造需要模具的状况。
与传统有模铸件制造相比，数字化无模铸造加工费用仅为有模方法的1/10左右，开发时间缩短50%-80%，制造成本降低30%-50%。见《图2，3》

《图2》

《图3》
将无模铸型快速制造技术应用于铸造模具制造，大大简化铸造模具的制造工艺，缩短制造周期，提高了模具的尺寸精度，降低模具的制造成本。对铸造业以及整个机械制造业的技术创新和飞速发展起着极其深远的影响。
2.1 用无模铸型快速制造技术制造铸造模具的方法
我们在用无模铸型快速制造技术制造铸造模具时主要用下列方法：
(1)单件、小批量、个性化金属零件的制造
单件、小批量、个性化金属零件不用制造模具，可用无模铸型快速制造装备直接做出它们的毛坯铸型，浇注相应的金属液，即可得到零件毛坯，加工后便可。如：作为展品用的水轮机转轮模型(直径ø320，高210，重35kg)就是没有做模具，直接用无模铸型快速制造装备做出来的，见图1、图2。又如：KPS140-150单级双吸离心泵的泵盖、泵体，也是在没有模具的情况下，直接用无模铸型快速制造装备做出来的，见图3~图8。客户特殊要求的个性化产品CBK300B真空泵叶轮(直径ø570，高350，重283kg)是在CBK300A真空泵叶轮的基础上改进设计的，同样没有做模具，用无模铸型快速制造装备做出来的，见图9、图10。
(2)批量生产铸件的铸造模具
批量生产的铸件一般都要制造模具，通常是先制造模具毛坯的木模，用木模造型→浇注→金属毛坯→加工成模具。我们则无需制造毛坯木模，直接用无模铸型快速制造装备造型做出模样毛坯的铸型→浇注→金属毛坯→加工成模具。省去制造木模的时间和费用，同时由于用无模铸型快速制造装备制作的形状、尺寸比较准确，可减少毛坯的机械加工余量，有些地方可留一定的打磨量，经适当打磨即可。因此，可缩短模具的制造周期，提高模具形状、尺寸的准确度，同时降低模具的制造成本。如：蜗轮箱壳(外形尺寸为235×195×45，重5.5kg)需要批量生产，我们用无模铸型快速制造装备做出蜗轮箱壳的上、下铸型，浇注出铸铁的蜗轮箱壳模样毛坯，经适当打磨，就可成为蜗轮箱壳模样，将其装配在型板上则成用于批量生产的模具，见图11~图14。又如KPS140-150单级双吸离心泵的叶轮芯盒上的叶片模，也是用无模铸型快速制造装备做出叶片模的上、下型，浇注后得到叶片模的毛坯，经适当打磨即成叶片模。见图15~18。
(3)内外表面比较复杂的模具可用无模铸型快速制造技术制造以砂为骨干材料的
砂、树脂复合模，再翻石膏模，修整石膏模后翻成塑料模，便可用于批量生产。如：KPS140-150单级双吸离心泵泵盖、泵体的上、下模就是用此种方法做出来的，见图19~ 22。
3.1 用无模铸型快速制造技术制造铸造模具操作的注意事项
用无模铸型快速制造技术制造铸造模具操作时注意如下：
(1)在CAD三维设计时，除了考虑通常铸造模具设计的原则外，还必须考虑砂、树脂复合模的特点，在设计时加以注意。如：
1)为了提高模具的强度、刚性，在设计时做出适当的沟槽，便于安放加强钢筋。
2)在模具的配合面，考虑固化剂扩散、渗透对尺寸精度的影响，对这部分尺寸应作修正。
3) 对模具和型板的装配、模具间的装配或安装活块处应预留装配调整孔。
4)经常相互磨擦比较厉害的面，应考虑镶金属块。
5)模型、芯盒起模时的敲击处必须预留安装敲击块的位置，并注意敲击块和模具的连接。
(2)造型时调整相关的参数。
　1)为了在随后的处理操作中不易损坏，必须提高铸型的强度，也就是要增加树脂的加入量，树脂的加入量可提高至2.5～3%。为此，要改变铺砂机构筛网的目数，增加铺砂机构的震击力度;否则，砂下落不顺，铺砂量不足;
2)为了提高模具的形状、尺寸的准确度，喷头喷咀的孔径可适当选小;
3)根据模具各处的精度要求不同，可调整砂层的厚度。
(3)后处理操作要点
　 1)造型完成后要放置至少2小时，让铸型适当硬化，提高强度，并在运输、搬运时采取一定措施，防止铸型变形。
2)打磨前必须经130～150℃保温2～4小时，让铸型充分硬化，强度提高;若温度太高会引起过烧，强度明显下降。
3)打磨尽量光滑，并检查尺寸达到图纸要求。
4)从模具的背面刷树脂，让树脂渗入砂型内部，进一步提高模具强度。(注意树脂要刷得恰如其分，防止其从另一面渗出。)
5)模具的工作表面刷涂料或抹猪料灰腻子，尽可能刷抹得均匀。
6)烘干。100～130℃保温2～4小时，将涂料中的水分彻底去除。
7)打磨刷过涂料或抹过猪料灰腻子的表面，要求尽可能磨得光滑平整。
8)模具的工作表面刷树脂，做到少量多次;且树脂要随用随配，配得过多，随着时间的增加，粘度增大，不易刷匀，甚至无法使用，造成浪费。
9)最后用水砂纸打磨平滑，并复查尺寸。
10) 装配。
4.1 用无模铸型快速制造技术制造的铸型和模具实例

5．结论
(1)用无模铸型快速制造技术能够快速准确地制造铸造模具，大大简化制造工艺，并能有效地降低制造成本等。
(2)用无模铸型快速制造技术制造铸造模具，材料易得，且可回用，又无需先做木样，可节省大量国家资源，是一种非常环保的制造技术。
(3)用无模铸型快速制造技术制造铸造模具，是模具制造技术的一个创新，同时为铸造业和机械制造业的自主创新提供一个很好的技术服务平台。
(4)用无模铸型快速制造技术制造铸造模具刚刚开始，还有一些问题有待改进和完善，如：模具强韧性还不够高，打磨后处理操作的质量有待提高，装配方法还要完善等。
随着我们不断地努力，在技术自主创新道路上继续攀登，相信一种崭新的模具制造技术——用无模铸型快速制造技术制造模具的技术将在铸造业和机械制造业上全面推广，为我国国民经济的腾飞发挥不可估量的作用!
参考文献
[1] 石明宽，金枫，谭玉珍等.无模铸型快速制造技术在新产品开发中的应用.今日铸造.2006，10.
[2] 杨伟东，颜永年等.无模铸型制造工艺中填充方式的研究.机电工程技术.2004.11期.
　 [3] 杨伟东.无模铸型制造工艺的应用.2005中国制造业技术信息化.(PLM)年会文集.

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