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无模铸型的数字化快速铸造技术新进展 单忠德 李新亚 战 丽 董晓丽 机械科学研究总院先进制造技术研究中心 北京 100083 摘要：为建设资源节约型、环境友好型社会，急需开发节能、节材、降耗的新工艺、新技术，无模铸型的快速铸造技术是近来国内外在近净成形技术方面研究的新热点，它建立在材料、机电一体化、计算机技术、自动化技术等多学科高新技术基础上，改造了传统的毛坯成形工艺，具有数字化、精密化、柔性化、绿色化等特点，为单件小批量零件的快速制造提供解决方案。关键词：铸造 无模铸型 数控加工 快速成形 中图分类号：TG24 0 前言 为建设资源节约型、环境友好型社会，要求铸造过程能源消耗低、污染少、成品率高，铸件性能好。近净成形技术是指零件成形后，仅需少量加工或不再加工，就可用作机械构件的成形技术。无模铸型的数字化快速制造技术是近来国内外在近净成形技术方面研究的新热点，它是建立在新材料、机电一体化、计算机技术、自动化技术、数值分析和模拟技术等多学科高新技术成果基础上，改造了传统的毛坯成形技术，为单件小批量零件的快速制造提供解决方案。数字化快速铸造技术将是装备行业快速铸件制造技术的发展方向。目前无模铸型的数字化快速制造主要包括离散堆积成形技术和去除加工成形技术。1 基于离散堆积原理的无模铸型制造技术 基于离散堆积原理的无模铸型制造技术近年来取得一定进展，通过以铸造用的陶瓷粉末或型砂为原料，在 CAD 模型驱动下通过快速成形机，可以直接制成铸造用的型壳。在 CAD 环境中，直接将零件模型转换为壳型，再配以浇冒口系统。型壳的厚度可取 510mm，烧结或粘接过程中，非零件部分进行烧结或粘接，零件部分仍是粉末。造型完成后将粉末倒出，再经固化处理就获得铸造用的型壳。用此方法，省去传统精密铸造过程中蜡型、泡沫塑料模、木模的制作等多种工艺过程，是传统铸造过程的重大变革。一般一个壳型只能使用一次。目前典型的 CAD 直接铸型工艺主要有 PCM(Patternless Casting Modeling)无模铸型制造工艺、SLS (Selective Laser Sintering)选择性激光烧结工艺、3D-P(3-Dimensional Printing)工艺和德国GS(Generis sand)工艺。主要情况如下：1.1 PCM(Patternless Casting Modeling)工艺 PCM 工艺称为无模铸型制造，它是将快速成形理论引进到树脂砂造型工艺中，采用轮廓扫描喷射固化工艺，实现了无模型铸型的快速制造。该工艺由清华大学研制成功，并推出商品化机型。该工艺采用传统树脂砂工艺中的水洗砂、树脂和固化剂，原材料的准备过程与传统工艺相同，与以上工艺相比无需单独制备原材料，且成本低廉，铸型强度高，无需特殊的后处理，尤其适合制造大中型铸件。但该工艺对树脂砂的用量较大，粘结剂成份高，进而导致加工精度不高，且加工获得的铸型透气性差，不适于对透气性要求高的大型铸件的制造。1.2 选择性激光烧结铸型制造工艺(Selective Laser Sintering)选择性激光烧结 Selective Laser Sintering，简称 SLS 工艺。由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的 C.R.Dechard 于 1989 年研制成功。该方法已被美国 DTM 公司商品化，推出 SLS Model125 成形机。德国 EOS公司和我国的北京隆源自动成形系统有限公司也分别推出了各自的 SLS 工艺成形机：EOSINT 和 AFS。SLS工艺用于制造铸型型壳，若选用粒度较细的陶瓷粉和覆膜砂，选择较小的分层厚度，可以得到表面质量较771 好的铸型。但受成形设备成形空间和成形速度的限制，只适合于制造中小件。图 1 为采用 SLS 工艺直接制造的铸型，其中美国 Woodward Governor 公司采用该技术技术(使用 DTM 公司的设备)制造复杂的飞行器燃烧系统(图 1d)。传统的工艺至少需要 245 天制造模具，84 天制造金属零件，采用 RP 技术仅仅 60 天就制造出金属零件，费用仅仅是传统工艺的 20。a.曲轴 b.缸体 c.轿车操纵器 d.飞行器燃烧系统 图 1 基于 SLS 工艺的快速铸造 1.3 3DP(3-Dimensional Printing)工艺 3DP(Three Dimensional Printing)工艺称为三维印刷，它采用逐点喷洒粘接剂来粘接粉末材料的方法制造原型。该工艺由美国 MIT 研究成功，Soligen、Z Corp.等公司将其商品化。3DP 工艺与 SLS 工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过多通道喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面，粘结时只进行一次扫描，由于用粘接剂粘接的强度较低，还必须将其置于加热炉中，作进一步的固化或烧结，以提高粘结强度。1.4 直接壳型铸造工艺(DSPC)美国 Soligen 公司根据 3DP 原理开发的直接壳型铸造工艺(DSPC)，该技术使用陶瓷粉末为造型材料，粘接材料选用硅溶胶。由于陶瓷粉末颗粒尺寸在 75150m 之间，所以 DSPC 工艺造型的表面质量较高，但这种硅酸盐水溶液分层粘接起来的陶瓷铸型强度较低，必须经过焙烧之后才能用于浇注金属，如果是大型铸件的铸型就需要价格高昂、体积庞大的加热设备，所以 DSPC 工艺不适合大中型铸件的生产。图 2 为采用该工艺制造的铸型。1.5 GS(Generis sand)工艺 德国 Generis 公司开发，其工艺路线是将砂粒铺平之后，先用多通道喷头向砂床均匀喷洒树脂，然后由一个喷头依据轮廓路径喷射催化剂，催化剂遇树脂后发生胶联反应，使铸型层层固化堆积成形。该工艺砂箱尺寸可达 1500750750mm，分层厚度可达 0.3mm，可用于制造大中型铸型，但其缺点是十分明显的，由于树脂喷洒在整个砂床表面，铸型制作完毕后是在含有树脂的砂包围之中，这样给后续取砂型时清砂带来困难，需特殊处理工序，同时也影响了砂型的精度和表面质量。图 3 为设备外观与制造的铸型、铸件。a.GS 工艺的设备 b.铸型及铸件 图 3 GS 工艺制造的铸型与铸件 2 基于去除加工原理的无模铸型制造技术 由于数控技术的快速发展，基于去除原理的快速加工制造技术在机械工业中得到快速应用。目前已经广泛应用于零件加工、模具制造中，然而工业发达国家目前将数控加工技术应用于制造铸型，是传统铸造图 2 直接壳型制造的铸型772 工业的重大变革。在 CAD 模型驱动下，直接采用数控机床加工砂型，获得浇注的铸型，不需要传统的铸造模样，不仅制造速度快，而且精度高。由于在封闭环境中加工，成形过程中的废弃物如粉尘、废气、废渣等可以得到回收。典型工艺有：2.1 DMM(Direct Mould Milling)工艺 DMM 工艺就是采用 5 轴数控铣直接切削出铸造用铸型，尤其是大型铸件，但不适合于形状复杂的铸件。图 4 为设备加工过程示意，图 5 为加工出的铸型。图 4 DMM 加工铸型示意 图 5 DMM 加工油过滤器铸型与金属件(加工数据生成:3 小时；铸型加工 6.5 小时/个；尺寸:600 x 500 x 340 mm；从 CAD 数据到交货时间：8 天)2.2 德国 AcTech 公司无模铸型制造技术 根据国内外文献资料检索，目前德国的 AcTech 公司研发了该项技术，并且该公司于 1998 年申请了关于“直接制造用于金属铸件的消失模铸型的设备及方法”的专利，并于 1999 在整个欧洲范围内申请了专利。此外，该公司还在日本、美国和加拿大申请了相关专利。目前 AcTech 公司有 2 台用于直接加工铸型的设备，其可加工的最大外形尺寸达 2.4 米，该设备可用于加工大型的车身结构、批量生产的压铸模等。AcTech公司通常接到客户提供的三维 CAD 数据后，根据铸件尺寸和复杂程度的不同，在 3 周时间内即可为顾客提供 1-5 个铸件。如图 6 为该公司的数控铣床在砂坯上直接加工铸型的过程，图 7 为直接加工出的铸型。图 6 数控铣床直接加工铸型的过程 图 7 直接加工出的铸型 从 AcTech 公司的应用情况报道中可知，应用该技术以后，由于省略了模样的制造环节而对型砂进行直接加工，使分型面的选择具有更大的灵活性，更易实现造型方案多样化，因而可使大型复杂铸件的交货期从原来的 2-3 周缩短到 1 周左右，铸件的精度大为提高，且减轻了毛坯重量。因此，该技术特别适用于新产品的研究试制以及单件小批、重要复杂铸件的生产，且具有节约材料、降低能源消耗的绿色化优点。采用数控切削加工技术，利用三维造型软件进行造型后，通过数控编程直接加工铸造用砂铸型，既省去了模具制造环节，又提高了铸型的加工精度，使铸件的加工余量降低，省去模具制造，降低原材料消耗，减少粉尘排放。单件小批量铸件不需要依靠模具造型，可以缩短制造周期 4060，降低制造成本 30以上；减少能源以及原副材料消耗 30以上，废料可以重新回收利用；消除传统砂型铸造造型过程中的粉尘。3 无模铸型快速铸造技术特点分析 无模铸型快速制造是一种全新的铸型的快速制造方法，其主要特点是：(1)数字化 在计算机模拟优化铸件基础上，采用数控编程控制数控机床对铸型材料进行切削，少有或者无需人为773 干预，且加工出来的铸型无需后处理，采用该方法可以实现铸型设计、加工和浇铸的一体化，而且加工出来的铸型能够和目前的铸造生产实现无缝连接。(2)精密化 利用数控机床可以加工各种各样的空间曲面，以及各种细小结构特征的能力，可以在铸型材料上直接加工出复杂、精细的内部型腔结构，实现精密铸造。通过离散堆积成形，可以制造复杂曲面的铸件。(3)柔性化 由于该方法省去了传统铸型加工方法中模样的制作过程，使得铸型加工周期大大缩短，通常一周时间即可加工出所需的铸型，这就大大缩短了产品开发和上市时间，非常适用于一些单件、小批量铸件的生。(4)绿色化 该方法的整个加工过程是在封闭的环境中进行的，无废气或粉尘污染，解决了传统铸型加工车间废气、粉尘污染严重的问题，而且使用该方法切削产生的废料还可以二次利用，作为下批铸型的制造原料，节约了原料。4 应用前景分析 无模铸型的快速数字化制造方法是学科交叉、技术融合的产物，是铸造技术的一个崭新的发展方向。它主要可以应用在以下几个方面：(1)国防军工产品的制造 对于国防军工产品来说，一般有产品精度高、质量好、批量少等特点。本课题利用先进的数字化技术和成果，为国防军工产品样品的制造提供了一种成本低、加工速度快、加工精度高的制造方法。(2)企业出口铸件样品的生产 目前,我国出口铸件的比例只有 10%左右,而世界出口铸件的比例高于 30%,可见我国铸件出口潜力很大，但随着科技的迅速进步，对出口的铸件产品提出了很高的要求，即更高的性能，更精的尺寸，更短的生产周期，更柔性化的制造。但是传统的铸型生产方法均需制造模样，因此需要很长的生产周期，在某种程度上制约了其铸件生产的发展。无模铸型的技术不仅使铸造过程高度自动化、敏捷化、柔性化，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。另外，此技术的应用还可以提高产品的附加值,降低铸件出口的成本。(3)新产品的设计、开发及样件试制 本项目采用 CAD 模型直接驱动，可以准确地按照设计图纸进行制造，完全实现设计者的设计意图。因制造过程中不需要模具，既缩短了试制时间，又降低了试制成本和风险。5 结论 总之，轻量化、精确化、高效化、清洁化将是铸造技术的重要发展方向，铸造成型制造向更轻、更薄、更精、更强、更韧、成本低、流程短、质量高的方向发展。无模铸型制造技术因无需模样、制造时间短、一体化造型、无拔模斜度、可制造含自由曲面(曲线)的铸型和铸型 CAD/CAE/CAM 一体化，是实现铸造过程中的自动化、柔性化、敏捷化的重要途经。无模铸型的快速数字化制造方法是一种适于单件、小批量、品种多样铸件生产的技术，具有广阔的应用前景。参 考 文 献 1 颜永年，单忠德.快速成形与铸造技术.北京：机械工业出版社，2004.8.2 徐丹.无模铸型制造工艺和设备的研究与开发.博士论文.北京：清华大学机械工程系.2002.4.3 王至尧.中国材料工程大典材料特种加工成形工程(下).北京：化学工业出版社，2005.8.4 颜永年，齐海波.快速制造的内涵与应用.航空制造技术，2004.5 T.Wohlers.Rapid prototyping,tooling and manufacturing state of the industry annual worldwide progress report.Wohlers Associates,Inc.,2004.774 6 朱林泉，白培康，朱江淼.快速成型与快速制造技术.北京：国防工业出版社，2003.7 Yang Weidong,Yan Yongnian,Xu Dan,el al.Factors affecting forming precision in patternless casting manufacturing.Chinese Journal of Mechanical Engineering,2003,16(2):209212.8 Shan Z,Yan Y,Zhang R,et al.Rapid manufacture of metal tooling by rapid prototyping.The International Journal of Advanced Manufactured Technology，2003，21(7)：469475.9 赵剑锋，张建华，余承业等.激光烧结铸造型壳强度试验分析.南京航空航天大学学报，2001.33(1)：4144.NEW DEVELOPMENT OF RAPID CASTING TECHNOLOGY WITHOUT MOLD PATTERN Abstract：In order to build up resource-economical and environmental-friendly society,new processes and technologies are needed to conserve energy and materials,reduce consumption.Rapid casting technology without mold pattern is a new research hotspot in the field of net-shape forming technology these years.Based on several new-high technologies,such as material technology,machatronics technology,computer technology,and automation technology,it reforms the traditional blank forming process.It has such characters as digitization,precision,flexibility and green.It gives the solution to rapid manufacturing small-batch parts.Key words：Foundry Patternless mold NC machining Rapid prototyping 资助项目：“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAF02A06)。作者简介：单忠德，男，1970 年出生，研究员，主要研究方向先进成形技术与装备，发表论文 30 余篇;李新亚，男，1955年出生，研究员，主要研究方向铸造合金材料及成形技术，发表文章 20 余篇；战丽，女，1980 年出生，工学硕士；董晓丽，女，1979 年出生，硕士研究生。775