張 浩，劉春雷

（廣西玉柴機器股份公司，廣西 玉林 537005）

快速成型（Rapid Prototyping，簡稱 RP）技術(shù)是國際上80年代初開始新開發(fā)的一項高科技成果。它的核心技術(shù)是計算機技術(shù)和材料技術(shù)?？焖俪尚图夹g(shù)摒棄了傳統(tǒng)的機械加工方法，根據(jù)CAD生成的零件幾何信息，控制三維數(shù)控成型系統(tǒng)，通過激光束或其他方法將材料堆積成零件。用這種方法成型，無需進行費時、耗資的模具或?qū)Ｓ霉ぞ叩脑O(shè)計和機械加工，提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。從制造原理上講，快速成型（RP）技術(shù)一改“去除”為“堆積”的加工原理，給制造技術(shù)帶來了革命性的飛躍式發(fā)展。目前世界上已投入應用的快速成型裝置所采用的主要方法有以下幾種：PCM工藝法、立體平板印刷法，激光分層燒結(jié)法；激光薄片疊層制造，光掩膜法，熔絲沉積成型法，直接陶瓷殼法等。

我公司自2008年開始在新品開發(fā)中與快速成型廠家進行合作。目前合作中，應用快速成型技術(shù)開發(fā)的有KJ100缸蓋、S2000氣缸體、S2000氣缸蓋等產(chǎn)品的首件樣品鑄件，合作的快速成型技術(shù)中有激光薄片疊層制造法和PCM快速成型工藝法，本文闡述的主要是PCM快速成型工藝法在S2000氣缸蓋鑄件生產(chǎn)中應用情況。

1 PCM快速成型工藝在鑄造領(lǐng)域的實踐應用

1.1 PCM快速成型工藝法的成型原理

PCM（Patternless Casting Modeling）工藝，是將RP理論擴展到樹脂砂造型工藝中，采用輪廓掃描噴射固化工藝，實現(xiàn)了無模型鑄型的快速制造。它的具體實施過程是將所設(shè)計零件的三維計算機圖像進行處理，抽取出實體三維砂芯模型，將實體三維砂芯模型轉(zhuǎn)換為一系列很薄的模樣截面輪廓數(shù)據(jù)，生成控制信息。然后在PCM快速成型機上控制樹脂噴頭向芯砂表面均勻施灑樹脂，完成一層后預熱加速模型固化。

1.2 PCM工藝法制作S2000氣缸蓋工藝方案

1.2.1 前處理過程

首先規(guī)劃和設(shè)計鑄型，即確定工藝參數(shù)、選取最優(yōu)加工方向、設(shè)計澆注系統(tǒng)等。對設(shè)計的S2000氣缸蓋產(chǎn)品進行適當余量補正，并將產(chǎn)品的三維模型轉(zhuǎn)換成鑄型的三維模型，然后由鑄型三維數(shù)據(jù)得到分層截面輪廓數(shù)據(jù)，再以層面信息產(chǎn)生控制信息。

1.2.2 成型過程

1）輥制芯砂，按照輥砂工藝，在輥砂機內(nèi)加入原砂和自硬固化劑，樹脂加入量 1.6%～2.2%，固化劑按樹脂的30%～50%，原砂與固化劑預輥約20s，輥制后加入PCM快速成型機砂斗內(nèi)待用。

2）如圖1所示，需要成型時，用鋪砂機構(gòu)將輥制好的芯砂均勻鋪撒在砂箱表面，每層厚度約0.2mm～0.5mm。 制作過程中發(fā)現(xiàn)，0.2mm～0.5mm 的層厚，在氣道上會產(chǎn)生臺階效應，所以氣道制作完成后需修光滑。

圖1 將輥制好的砂均勻鋪撒在表面

3）如圖2所示，樹脂噴頭由線性導軌數(shù)碼電機控制在平面上移動，先掃描模型邊界，再掃描行腔部位，噴頭可以按照0°，30°，90°等不同的角度進行噴射樹脂，。樹脂與催化劑發(fā)生膠聯(lián)反應，樹脂和催化劑共同作用的地方芯砂被固化在一起，其他地方芯砂仍為顆粒態(tài)干砂，從而構(gòu)成零件的一個薄層，完成一層后預熱加速模型固化（由線性導軌數(shù)碼電機控制，中間安放電熱管，一趟來回10s左右）。

圖2 線性導軌數(shù)碼樹脂噴頭

4）固化完一層后重復工藝再黏接下一層，所有層面黏接完之后就可以得到一個三維實體鑄型，清理出鑄型中間未固化的干砂就可以得到一個有一定壁厚的鑄型，如圖3所示。但不固化的那部份砂難以回收，給成本帶來一定的影響。

圖3 鑄型制作完成后，取出鑄型

5）對陶瓷砂和水洗砂兩原砂進行輥制對比，兩原砂統(tǒng)一按某輥砂工藝輥制，輥制后取其“8”字試樣芯進行性能檢測，發(fā)現(xiàn)其對原砂的敏感性較大，同時砂芯性能的穩(wěn)定性還需加強，如表1所示。

表1 PCM快速成型法“8”字試樣性能檢測情況

1.2.3 后期處理及澆注鑄件

1）鑄型烘烤：放入箱式電阻爐中烘烤，根據(jù)需要控制烘烤溫度和時間，一般溫度170℃～200℃，時間 2 h～3 h。

2）鑄型內(nèi)表面修涂：根據(jù)各部位情況，進行人工涂刷涂料（一般先涂刷一層鋯英粉，然后再上灰鑄鐵用普通涂料，如圖4所示），然后烤干涂料（溫度約 170℃～180℃，時間 40min～70min），修刮披鋒和涂料堆積。

圖4 在鑄型的內(nèi)表面涂敷或浸漬涂料

3）將各鑄型進行組芯：各芯頭用空心尼龍繩做排氣孔 （一般用φ4mm的尼龍繩，烘烤后液化流走，如圖5所示），然后再用自硬砂封住芯頭。

4）將鑄型下芯，通過合箱、澆注、清理等工序，最后完成所需鑄件毛坯的制作。

1.3 PCM快速成型工藝小結(jié)

圖5 做好鑄型排氣工作

S2000氣缸蓋使用PCM快速成型工藝，從訂單下達到鑄件毛坯交貨，期間共需用時間15 d～20d，較傳統(tǒng)新產(chǎn)品開發(fā)鑄造工藝所需的3～4個月已大大縮短；加快了產(chǎn)品開發(fā)的周期，同時無需模具、采用一體化造型、芯同時成形、無拔模斜度、可制造含自由曲面（曲線）的鑄型。但從實際應用中，我們也發(fā)現(xiàn)，PCM快速成型工藝采用的是離散/堆積成形工藝原理，造成其所制作鑄型會產(chǎn)生“臺階面”的特點，難以生產(chǎn)出所需的高精度成形件。如對精度要求非常嚴格的氣缸蓋氣道鑄型。如果制作氣道等要求較高的鑄型，其過程參數(shù)的控制難度將較大，制作完成后還需采用嚴格的后續(xù)處理工作。

同時PCM快速成型工藝對原砂的敏感性要比傳統(tǒng)鑄造工藝對原砂敏感性大，因此芯砂性能的穩(wěn)定性也需進一步提高。

3 結(jié)束語

通過應用研究表明，快速成型技術(shù)是傳統(tǒng)鑄造的技術(shù)革命，不需要制造木模，金屬模或芯盒，具有綠色化、數(shù)字化、柔性化、快速化等特點?？焖俪尚图夹g(shù)將單件、小批量鑄件的快速制造提供解決方案，在單件、小批量鑄件、模具毛坯制造上具有很大技術(shù)優(yōu)勢。

通過快速成型中的PCM工藝法的實際使用情況發(fā)現(xiàn)，PCM工藝法還有其自身的不足和提升空間。如：① 因PCM快速成型法采用離散/堆積成形工藝產(chǎn)生“臺階面”的特點，難以生產(chǎn)出工業(yè)上所需的高精度成形件；②對原砂的敏感性大，加大了過程控制難度；③不固化的砂難以回收，浪費成本等等。這些都將是PCM快速成型技術(shù)今后要解決的課題。

［1］宗明，姜學波，類成玲.特種鑄造與先進鑄造技術(shù)［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2008.