【解析】快速成型技术在熔模精密铸造中的应用

在制造业特别是航空、航天、国防、汽车等重点行业，其基础的核心部件一般均为金属零件，而且相当多的金属零件是非对称性的、有着不规则曲面或结构复杂而内部又含有精细结构的零件，这些零件的生产常采用铸造或解体加工的方法。熔模铸造需用母模或过渡模来复制金属件，模具的设计与制造成为铸件生产的瓶颈。快速成型技术能够快捷地提供精密铸造所需的蜡模或可消失熔模，解决了传统铸造中蜡模或木模等制备周期长、投入大和难以制作曲面等复杂构件的难题，极大地提高了生产效率和制造柔性。

与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段一起，快速自动成型已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段。熔模精密铸造技术和快速成型技术的有机结合，实现了生产的低成本和高效益，达到了铸件生产的个性化、多样性、快速铸造的目的。

1快速成型技术
1.1 快速原型技术的制作流程
快速成型制造技术又称为快速原型制造技术 (RapidPrototypingManufacturing，简称RPM)。它包 括SLS、SLA、SLM等成型方法,集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果。与传统制造方法不同，快速成型的过程是首先生成 一个产品的三维CAD实体模型或曲面模型文件，将实体模型转换成RP文件标准的STL格式（Sterolithography），并对文件转换中出现的错误进行修补。然后，将上述每一片层的资料传到快速自动成型机中去，用材料添加法并以激光为加热源，依次将每一层烧结或熔结并同时连结各层，直到完成整个零件。SLS成型方法成型材料为各种可烧结粉末，如石蜡、塑料、低熔点金属粉末或它们的混合粉末，根据工艺要求，选取相应的材料，从而快速堆积制作产品实体模型。熔模快速成型技术工艺流程见图1。

图1熔模快速成型技术工艺流程

1.2快速成型与熔模精密铸造的组合工艺
精密铸造是所有铸造方法中最精确的一种成 型方法，且可重复性好，铸件只需少量的加工。精密铸造首先需要设计和制作蜡模或其它可消失模用的模具，视铸件的复杂程度和尺寸大小，一般要花几周到几个月时间。得到模具后还要一周时间才能得到铸件，这几周主要是用于制作蜡模和型壳，在小批量生产中模具费用分摊昂贵。
RPM技术不用制造模具，可直接成型精铸用 蜡模。蜡模的激光快速成型（SLS法）使用的造型材料为石蜡粉末，其工艺过程是先在工作台上铺上一层粉末，在计算机控制下用激光束有选择地进行烧结(零件的空心部分不烧结，仍为粉末材料)，被烧结部分便固化在一起构成零件的实心部分。一层完成后再进行下一层，新一层与其上一层被牢牢地烧结在一起。全部烧结完成后，去除多余的粉末，便得到烧结成的蜡模。该工艺的特点是材料适应面广，用铸造蜡可制造精铸蜡模，用陶瓷粉末能制造陶瓷型壳，用金属粉末能制成压制蜡模的金属模具。 快速成型技术在精密铸造中的应用可以分为三种情况，
一是成型蜡模或消失模，即精铸用原型，用于复杂铸件的小批量生产，产品开发或试制件。
二是直接型壳法，用于小量生产。
三是快速成型蜡模模具即母模，用于大批量生产。这些方法解决了传统方法的蜡模制造瓶颈问题，其工艺流程见图2。

图2 熔模快速铸造工艺流程图

2蜡模与制壳工艺要求
2．1 蜡模的尺寸
蜡模的尺寸与表面质量按图样技术条件确定， 对于尺寸而言，应当根据蜡模收缩率、合金收缩率、模壳膨胀系数，同时考虑现场工艺条件，通过实验确定综合线收缩率。如某成型机使用Pro/E进行三维造型，并将其转换成STL文件格式，在收缩率确定后，可以在MagicsRP软件对零件处理时首先进行放缩，这样即可得到理想尺寸的蜡模，继而获得铸件。考虑到合金种类、模壳类型对线收缩的影响， 可以测定铸件实际尺寸，反过来再次对蜡模尺寸进行修正，最终获得合格的蜡模和铸件。如低碳铸钢件，按传统的方法制造蜡模其综合收缩率为2.5％，经过对铸件尺寸的实际测量，其综合收缩率只有 1.8％，在激光快速成型蜡模时只需在MagicsRP 软件下，对模型的放缩进行调整即可校正蜡模尺寸。但在铸件生产过程中存在阻碍收缩等非自由收缩，其中内孔尺寸收缩率小，外形尺寸收缩率大。在使用Pro/E进行三维造型时，可以直接根据其收缩关系绘出蜡模的实际尺寸。

2．2蜡模的组焊
快速成型机制出的蜡模原型要求无形变，尺寸 准确，通过精整处理后表面光洁，可以进行组焊、粘浆、制壳、脱蜡。浇注系统选用性能相近的中温蜡，以便于粘结牢固，满足制壳的强度要求，其尺寸按熔模铸造工艺设计选取。组焊工艺与传统蜡模相似，保证内浇口长度和间距，便于冒口补缩，模壳放置平稳。

2．3型壳制备
快速成型技术制成的蜡模涂挂性能好，可以用 原工艺配制涂料，粘浆与撒砂，干燥。粘结剂用硅溶胶或硅酸乙酯，面层耐火材料用锆英粉，背层用莫来石或煤矸石粉。由于使用的烧结粉料熔化温度高，没有流动性，型壳不能使用蒸汽脱蜡工艺，但可以在纯氧环境下通过高温焙烧的方法去除蜡模，或者在开放的大气环境中焙烧脱除浇冒口及蜡模。

3应用实例
3．1 熔模铸造发动机缸体
四缸发动机缸体铸件大且形状复杂，模具设计 与制造难度大，生产中所需模板、芯盒、压蜡型的制 造更是一个难度非常大的过程，即使使用数控加工中心等昂贵的设备，在加工技术与工艺可行性方面仍存在很大困难，有时还需要钳工进行修整。从模具设计到加工制造是一个多环节的复杂过程，周期长、耗资大，略有失误就可能导致全部返工。利用快速成型技术直接制作蜡模，省出了模具制造周期和费用。
图3为采用快速铸造方法生产的四缸发动机的蜡模。按传统金属铸件方法制造，模具制造周期约需半年，费用几十万；用快速铸造方法，快速成型熔模3天，制壳与铸造过程约7天，整个试制任务比原计划可提前5个月

图3 采用快速铸造技术生产的四缸发动机蜡模

由于铸件尺寸较大，用水玻璃制壳，难保证型壳有足够的强度，用硅溶胶制壳，焙烧时因型壳尺寸太大，易出现裂纹。一般采用复合型壳，面层用硅溶胶锆英砂制壳，二、三层采用硅溶胶莫来石粉涂料，撒莫来石砂，加固层采用水玻璃制壳工艺，整个制壳过程只需5天时间，通过焙烧与浇注即可获得铸件。

3．2熔模铸造铝合金接管
接管为YL108铝合金，采用压铸成型是常用 的方法，作为试制产品，设计一副压铸模不仅生产周期长，而且费用较高，不便于零件的尺寸优化设计。采用快速成型技术制作蜡模具有较大的灵活性，只需更改接管的三维造型，无须重新制造模具。先用Pro/E制作接管的三维模型如图4，按0.8%的收缩率将模型转换成STL格式输入快速成型机中，制成接管蜡模原型。

图4 接管三维模型

对蜡模进行适当的修整，焊接上浇注系统，再转入制壳工艺。由于接管结构简单，采用陶瓷型铸造不会存在清砂问题。面层采用锆英粉，背层用煤矸石粉耐火材料，共制六层即可满足强度要求。模 壳焙烧失蜡后，用300℃～400℃热壳浇注铝合金液，让模组充分冷却后，小心清理铸件模壳，最后对铸件进行喷砂处理，经检验铸件尺寸在图纸范围内，表面光洁。

3．3石膏型铸造进气歧管
石膏型铸造，即用石膏制壳。象低熔点金属件 如铝镁合金铸件，采用石膏型效率更高，同时铸件质量能得到有效的保证，铸造成功率较高。石膏型铸造的第一步是用快速成型件制作可消失模，如图 5。蜡模修整后，焊上浇注系统，再将模组埋在石膏 浆体中得到石膏模，石膏模充分硬化干燥一段时间放进焙烧炉内焙烧。快速成型消失模通过高温焙烧熔解，最终完全消失干净，同时石膏模干燥硬化，这个过程一般要两天左右。为了保证铸件无气孔，轮廓清楚，在专门的真空浇铸设备内将熔融的铝合金液注入石膏模内，冷却后破碎石膏模就得了铝合金铸件。这种生产金属件的方法成本很低，一般只有用压铸模生产的2％～5％费用。生产周期很短，一般只需2周。由于可以在真空环境完成浇注，石膏型铸件的性能可与精铸件相比，甚至更优于普通精密铸造。

图5发动机进气歧管系列产品蜡模

3．4燃机涡轮铸件的铸造
在航空航天技术方面高性能、形状复杂的铸件 整体铸造问题，国内外应用最有效的方法是利用快速成型技术与熔模铸造相结合，各取其长[5]。如图7复杂难成型的燃机涡轮叶轮，多叶片整体成形，叶 片形状按气流动力学原理设计，给模具开模抽芯带来困难，型腔加工非常难。模具设计与制造周期长，费用高，甚至严重制约了产品研究与开化。
快速成型技术可以克服上述困难，直接生产燃机涡轮叶轮的蜡模（包含浇注系统）如图6，蜡模成型时不受叶轮形状的约束。成型的蜡模经过后续的表面处理，表面粗糙度Ra可以达到6.3μm，能很好的保证熔模的尺寸精度和表面质量。 燃机涡轮一般采用陶瓷型壳铸造。为提高铸件的抗疲劳性能，采用表面晶粒细化技术，使叶片部位晶粒为等轴晶。因此制壳工艺为：用铝酸钴—硅溶胶—锆英粉桨料涂表层，背层及加固层耐火材料选用煤矸石。由于叶片厚度小，不能有疏松，浇注系统设计成高压头、大模数球形冒口。适当控制浇注温度与型壳温度，提高钢液冶炼质量，可获得高质量的铸件如图7。

图6 燃机涡轮蜡模模组 燃机涡轮铸件

4结语
采用快速成型技术制造熔模精密铸造用蜡模， 可以避免制作金属模具对铸件形状、研制进程的限制，能大大地缩短研制周期，同时能节约模具生产成本，生产复杂的高精、尖端铸件。快速成型和精密铸造是互补的，如果没有快速自动成型，铸造原模的生产就是精密铸造的瓶颈。然而没有精密铸造，快速自动成型的应用也会存在很大的局限性。

编辑：南极熊
来源：张锡联 （岳阳职业技术学院 机电工程系）