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随着经济竞争的日益全球化,各企业需要用最短的时间将新产品投放市场,以增强自身的竞争力。模具开发周期长是制约新产品开发的瓶颈,必需缩短模具开发周期,降低制造成本。20世纪80年代末出现的快速成形技术(rapidprototyping,RP)较好地满足了这一需要。RP技术是对一系列逐层零件制造工艺的统称,它使用近乎全自动化的工艺直接从CAD文件生产所需要的模型或模具,可以显著减少模具研发时间和成本,将更多的时间用于产品设计和优化,及早发现和更正设计中的错误,解决模具生产跟不上产品开发需要的矛盾,尤其在复杂薄壁零件的铸造模制造领域表现出极大的优越性。

快速成形模具制造分为直接法和间接法:直接法是将快速成形件进行后处理(如喷涂转移涂料、渗蜡等),制作木模、蜡模或消失模,获得铸件或铸型;间接法是用快速成形件做母模或过渡模具(如硅橡胶模、石膏模等),再通过精密铸造等传统模具制造方法得到铸件或铸型。以下将对各种主要快速成形技术的特点和在铸造模制造过程中的实际应用与发展方向做详细介绍。

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2快速成形技术特点

快速成形技术的出现改变了传统的模具加工方式,其制造快捷、尺寸精确、性能稳定及市场响应速度快等特点开辟了模具制造的新途径,更主要的是中北大学信息对抗技术,其成形方式与零件复杂性没有关系,尤其适用于复杂零件的快速制造,在模具制造方面取得了巨大进展。铸造作为一项传统的工艺,制造成本低、工艺灵活,且不受铸件形状、大小的限制,是复杂金属零件的主要成型方法之一。二者的结合可以充分发挥各自的特点和优势,为复杂零件的单件或小批量快速铸造创造条件。

目前应用较多的快速成形方法有:立体平板印刷(SLA),通过紫外波长激光束对液态光敏树脂进行逐层扫描使其发生聚合反应,固化后逐层堆积成三维实体;分层实体制造(LOM),采用激光束照射薄层材料(如纸片等),使其单面涂敷的热敏感材料达到一定温度后粘在一起生成实体;选择性激光烧结(SLS),采用激光逐层有选择性地烧结固体粉末,叠加生成原型;熔化沉积成形(FDM),由计算机控制加热喷头将丝状热塑性材料加热至熔融状,有选择性的涂覆在工作台上,逐层固化后生成三维实体[1]。

3快速成形技术制造的铸造模具

3.1木模

在砂型铸造生产中中北大学信息对抗技术,采用传统的手工制作或常规的机械加工制作木模,制造周期长,精度低,对于一些复杂铸件,木模制造困难,模工需经过多年培养。虽然一些大型铸造厂引进了数控机床,但设备价格昂贵,模具加工周期较长。近年来,用SLA制作的树脂模已成功代替木模用于砂型铸造[2];用LOM制造的纸制模也可取代传统木模用于铸造生产。

利用SLA制作树脂原型代替木模,缩短了模具制造时间,成形精度高,强度和尺寸稳定性也优于木模,特别适用于难加工、需要拼镶的组合模具的直接成形。宗学文等[3]解决了复杂壳体中SLA模型代替木模的问题,通过分析数据处理过程对造型工艺的影响,对模型制作进行了优化,结合新型变速器壳体实现了新品开发的快速铸造。范兴国[4]针对砂型铸造中大型复杂薄壁铸件的铸造工艺特点,介绍了用树脂模代替木模的方法,主要介绍了树脂模具的制造、树脂自硬砂砂芯应用等关键技术问题。

采用LOM获得的纸质原型是由背面涂有热熔性粘合剂的特殊纸叠加而成,经过适当的表面防潮处理(如喷涂清漆、环氧基涂料等)后,表面平整光滑,硬度高,具有良好的尺寸稳定性,制模速度快,成本低,其相关性能达到传统木模要求,可完成复杂模具的整体制造。纸制模可以进行机械加工和涂腻子修饰加工,能重复制作50~100件砂型,适用于形状复杂的大中型铸件[5]。美国福特汽车公司利用该技术制造出了685mm长的汽车曲轴模样,先分3块制作,然后拼装成砂型铸造用模样,尺寸精度达到0.13mm.完全满足普通砂型铸造要求,大大缩短制造周期。美国Helisys公司用LOM制造的三维纸制模抗压强度和硬度甚至高于木模[6],将其高的强度和造型精度应用于制造大型汽车驱动机构外壳零件铸模,外形尺寸达到760mm600mm280mm。

3.2蜡模

传统的蜡模大都采用压型压制,用普通蜡料(烷烃蜡、脂肪酸蜡等)制造的蜡模强度较低,难以满足复杂薄壁铸件要求,且成型精度低。杨世洲等[7]针对SLS原型蜡模在灰分、与水玻璃的润湿性及涂覆性方面能否达到熔模铸造的相关试验标准进行了验证,并用实例证实,SLS原型蜡模代替熔模铸造蜡模是可行的。用SLS可迅速、精确的制作形状几乎任意复杂的蜡模,且不需要制备压蜡的模具,其蜡型尺寸精度可达(0.13~0.25)mm,表面粗糙度均方根值为Ra=3.048~4.064m,在熔模铸造领域已得到广泛应用[8]。但因制造费用相对较高,常用SLS制造形状复杂部位的蜡模,而浇冒口等简单部位则用普通精铸蜡料,降低了产品开发成本。

SLS制造蜡模的材料为高分子化合物,熔化温度高,熔体黏度大,不利于脱蜡,易产生夹渣等缺陷,所以不能用一般的水煮或蒸气脱蜡方法,而是采用高温焙烧使材料熔化流走直到完全挥发。杨劲松等[9]针对材料特性设计出合理的结壳脱蜡工艺,在蜡模易积渣部位和凸台处设置出气冒口及排渣冒口,可使蜡料脱出干净,解决了铸件夹渣问题,成功浇注出了汽车排气管、大型不锈钢泵轮等复杂精密铸件。北京隆源自动成形系统有限公司采用SLS快速成形技术制造的精铸熔模如图1所示。

图1某零件精铸熔模

SLA制成的蜡模尺寸精度和表面质量较好,但价格较贵,在航天航空和军工部门的熔模铸造中应用较广泛。FDM工艺所用材料为工业标准铸造用石蜡(灰分含量很低且具有较好的表面粗糙度)或塑料等低熔点材料,制壳后可快速脱蜡,用于熔模铸造后所得铸件表面质量和尺寸精度稍差,适用于中等复杂程度的中小型铸件。对于形状复杂铸件的单件或小批量生产,也可用LOM制作的纸制模代替蜡模,对其进行防潮处理后,涂挂涂料,构成形壳,然后除去纸模,利用熔模铸造方法制壳后浇注铸件。美国克莱斯勒公司用LOM制作蜡模生产出形状复杂的排气管铸件。

3.3消失模

用SLS工艺烧结PS粉末制成原型件,经后处理,可用做消失模铸造母模生产金属铸件。由于烧结体的密度比传统发泡聚苯乙烯的高,气化产生的过量气体将影响金属的流动性和铸件质量,降低烧结体密度是制作高质量消失模的关键。聚合物与石蜡相比具有较好的烧结性能、较低的温度敏感性、熔解气化完全、烧结体强度高、表面质量好、杂质少等优点

[10]

。熔模经浸蜡处理和机械抛光后,表面粗糙度值可从Ra=2~15m降低到Ra=0.3~0.9m,经表面镀层处理可有效消除熔模表面气孔,显著提高成形件尺寸精度和表面质量。用其制成的熔模广泛用于铝合金、不锈钢和钛合金材料零件的铸造,经浸蜡处理则可用于真空铸造高品质零件。

用于烧制消失模的聚合物粉末有金属基和树脂基2种,如美国DTM公司开发的CuPA、DuraformPA、Rapidsteel等材料[11]。实验结果表明,用CuPA制成的模具易与消失模发生粘结,导致脱模困难,效果不理想;用DuraformPA效果较好,但由于聚合物硬度低、耐热性差,导致模具寿命较短,只适用于小批量生产;用Rapidsteel效果虽好但价格较贵。中北大学的崔建芳等[12]用自制的PS原型烧结粉(牌号为STP1)进行烧结,经浸蜡处理制造出铸造消失树脂模;用SLS技术制作的原型件模样和芯盒经浸树脂处理后,可直接在砂型铸造造型时使用,大大缩短了模样和芯盒的制造周期。

3.4覆膜砂型(芯)

覆膜砂是铸造中一种应用广泛的造型材料,是采用热固性树脂(如酚醛树脂)包覆石英砂或锆砂的方法制得的。用覆膜砂制作的砂型和砂芯可配合使用,也可与其他砂型(芯)配合使用,其所制的砂型(芯)多为薄壳状,故称为壳型或壳芯。

SLS技术可以直接制作砂型(芯),以覆膜砂(砂粒直径小于0.2mm)为成形材料,根据零件模型的几何信息进行逐层烧结,经固化处理并配以浇注系统后,即获得铸造用型壳或型芯并浇注出铸件。该方法生产工艺过程短、成形速度快,特别适合于制造形状复杂,尤其是内腔复杂的金属铸件。图2所示为带油路、直径仅6mm的复杂砂芯。

美国DTM公司开发的SolidFormZr材料是一种覆有树脂粘结剂的锆砂,烧制成的原型在100的烘箱中保温2h硬化后,可以直接用作铸造砂型。

图2带油路的复杂砂芯

ACTech公司使用EOSINTS700系统制造的树脂砂铸型可用于铸造铝、镁、灰铸铁和高合金钢零件。美国Texas大学利用SLS工艺烧结包覆有共聚物的锆砂制造砂型,浇铸出了航空用钛合金零件[13]

。

华中科技大学利用自行开发的HRPS快速成形机激光烧结覆膜砂叶轮砂型,经涂覆铸造涂料后,可满足铸件表面粗糙度要求。同时在原基础上开发出较大工作腔的SLS快速成形设备HRPS_IV,优化了主要技术性能参数(预热温度场、扫描方式等),解决了大型复杂铸件的翘曲变形问题[14]。北京隆源自动成形系统有限公司开发的SLS快速成形设备,其成形室尺寸为700mm500mm500mm,是目前成形尺寸最大的设备,经过商品化生产和推广,已获得广泛认可。

3.5陶瓷型壳(芯)

美国Soligen公司首先推出的直接制模铸造法(DSPC)来源于三维实体印刷技术[15],它通过RP技术直接成形熔模铸造用陶瓷型壳,造型材料为颗粒尺寸在75~150m的陶瓷粉末,粘接材料选用硅溶胶,得到的型壳表面质量较好,强度较低。DSPC法省去了传统制作压型、蜡模、涂覆涂料和贮放等工序,缩短了熔模铸造生产周期,避免了蜡模变形和烟雾等不利影响,成为更具吸引力的金属精密成形方法。

Soligen公司的DSPC设备主要用于生产喷气发动机零件和矫形植入件用型壳[16,17],受机器尺寸限制,其有效工作空间为406mm406mm406mm,尚不能生产较大尺寸的熔模铸件。美国DTM公司研制的包覆有树脂的陶瓷粉末材料,用SLS工艺烧结并经后处理,制成陶瓷型壳用于浇注铸件。美国3DSystems公司利用激光烧结的型壳直接铸造出了不锈钢叶轮铸件。图4所示为利用快速成形技术烧制的陶瓷型壳铸造出的摩托车发动机外壳树脂原型及铝合金精密铸件。

图4利用快速成形技术烧制的陶瓷型壳和铸件

华中科技大学实现了由SLS塑料原型快速制作陶瓷型壳并用真空压差浇注成形工艺,得到了精度较高、性能良好的金属零件,实现了铸件的无模制造,开辟了快速成形技术在铸造领域中的新应

用,但因铸型的强度较高,导致浇注后其溃散性较差,清理时易损坏表面。为了得到优质铝合金铸件,需改善铸型的溃散性,在制壳过程中要保证型壳不开裂、不变形,而优质的陶瓷型涂料和耐火材料是保证型壳质量的重要因素[18]。肖军杰等[19]以轮形铸件为例,利用SLS技术直接烧结覆膜树脂砂型壳,该工艺由铸件三维数字实体模型反求精铸型壳实体模型,烧结成的型壳经过适当后处理,浇注了3种材质(铸铝、铸铁和铸钢)的金属件。此工艺实现了铸型一体化制造,可方便制造具有自由曲面的铸型和组合零件,突破了传统工艺的诸多约束,具有很大的研发和应用价值。

3.6铸造金属模

利用快速成形技术直接制造金属模具,其原型是金属与高分子材料(粘结剂等)的混合物,初始成形后的致密度和强度很低,经二次烧结,脱掉粘结剂或渗铜后,提高了表面及内部的致密度和强度,但模具力学性能仍难以满足实际需要。基于LOM原型和转移涂料工艺可制作近净型金属模具,原型件精度为1000.2mm,表面粗糙度值达到Ra=1.6m,基本满足砂型铸造和消失模铸造发泡模具的精度要求[20]。间接法快速制造金属模具指先制出模具原型,然后采用精密铸造工艺在快速原型的基础上复制出所要求的零件或模具。利用快速成形技术与精密铸造相结合的方法制造金属模具,其性能可以达到实用要求,应用更广泛,更具有竞争力。

快速成形技术与石膏型、陶瓷型和树脂砂型等精密铸造相结合主要有2种途径:一种是以原型作为母模或硅橡胶中间转化模进行精密铸造,浇注出金属模具;另一种是采用原型作为主模型翻制硅橡胶模,再采用硅橡胶模翻制蜡型或直接采用LOM、SLS等工艺制造蜡型进行熔模铸造,铸造出的精密、复杂、薄壁有色金属模具具有表面粗糙度值低、尺寸精度高、变形小等特点[21]。

石膏型精密铸造主要用于汽车轮胎金属模的制作,能够正确复制出轮胎的复杂结构。清华大学的单忠德等采用SLA原型进行石膏型铸造,解决了制造铸型时原型易发生膨胀与翘曲变形的关键问题,并且研制了新型石膏型材料配方,补偿了原有石膏型结晶相变过程中的尺寸变化[22]。华中科技大学以橡胶轮胎模具为例,分析了SLS原型与石膏型铸造相结合的工艺流程,指出了该工艺的关键技术,大幅度缩短模具制造周期,降低成本,是一种很有前途的金属模具快速制造技术。本文由青岛抛丸机生产厂家整理