臧加倫，孫玉成，李 闖，黎智勇

（1. 濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061；2. 佛山峰華卓立制造技術(shù)有限公司,　廣東佛山 528225）

國(guó)內(nèi)鑄造快速成型技術(shù)與應(yīng)用

臧加倫1，孫玉成1，李 闖1，黎智勇2

（1. 濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061；2. 佛山峰華卓立制造技術(shù)有限公司,廣東佛山 528225）

論述了目前國(guó)內(nèi)鑄造快速成型技術(shù)，對(duì)增材/減材快速成型制造工藝做了探討。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，快速成型技術(shù)從設(shè)備功能到材料應(yīng)用已具備產(chǎn)品樣件的制造能力；國(guó)家機(jī)械科學(xué)研究總院、北京隆源、佛山峰華卓立等公司，均已面向市場(chǎng)提供快速成型服務(wù)，并在企業(yè)、科研院所推廣應(yīng)用。

快速成型，增材制造，減材制造，工藝

1　鑄造快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)工藝的比較

復(fù)雜鑄件的鑄造采用傳統(tǒng)有模鑄造的方式。首先根據(jù)鑄件的CAD模型設(shè)計(jì)砂芯和外模模具，通過(guò)手工、機(jī)械加工等方式制造木模、塑料模和金屬模等模具。使用芯盒模具制作砂芯，使用外模制作砂型；組合砂芯、下芯后合箱澆注鑄件。工藝設(shè)計(jì)需預(yù)留工藝補(bǔ)正量，組裝砂芯的方式造成鑄件存在人為影響的尺寸偏差。多環(huán)節(jié)的開(kāi)發(fā)過(guò)程周期長(zhǎng)，模具投入成本高。

快速成型是數(shù)字化無(wú)模鑄造技術(shù)，使用精密成型設(shè)備和計(jì)算機(jī)軟件控制，實(shí)現(xiàn)增材/減材成型，是一種全新的鑄件快速制造方法?？焖俪尚筒恍枰灸＜澳＞?，縮短了鑄造毛坯開(kāi)發(fā)流程和周期，特別適合于復(fù)雜鑄件的少量的快速制造，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)鑄造行業(yè)的數(shù)字化制造。

2　鑄造快速成型技術(shù)

2.1增材制造

增材制造即3D打印（3D?Printing），是通過(guò)數(shù)字化增加材料的方式實(shí)現(xiàn)零件的制造。

2.1.1選擇性激光燒結(jié)（SLS）

選擇性激光燒結(jié)（SLS）是一種將粉末材料通過(guò)激光直接燒結(jié)成各種實(shí)體形狀的增材成型技術(shù)。該技術(shù)普遍用于燒結(jié)蠟粉、PS、尼龍粉、金屬粉、覆膜砂等。成型時(shí)先在工作臺(tái)上鋪上一層粉末材料，激光束在計(jì)算機(jī)的控制下，按照截面輪廓的信息，對(duì)零件實(shí)心部分所在的粉末進(jìn)行燒結(jié)。一層完成后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，再進(jìn)行下一層的鋪粉燒結(jié)。不斷循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。

選擇性激光燒結(jié)使用覆膜砂可以快速制作鑄造用的砂型/芯。覆膜砂表面被酚醛樹(shù)脂等添加材料包覆著，在激光燒結(jié)快速成型時(shí)，通過(guò)激光加熱酚醛樹(shù)脂使其受熱熔化后冷卻固化，使覆膜砂粘接形成砂型/芯。用激光燒結(jié)覆膜砂制作砂型/芯的工藝過(guò)程如下：零件三維造型及數(shù)據(jù)輸入設(shè)備—篩砂—鋪砂—燒結(jié)成型—取件—清砂—預(yù)固化—固化處理—砂型/芯修整。

選擇性激光燒結(jié)普遍用于有色合金等精密鑄造。用蠟粉為原料，直接制造精鑄用的蠟?zāi)＃儆脗鹘y(tǒng)的精鑄工藝，進(jìn)行涂殼、脫蠟、焙燒等，得到鑄造型殼。

選擇性激光燒結(jié)制作的樹(shù)脂模型可以代替木模及金屬模，縮短制模時(shí)間，成本低于金屬模，強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性?xún)?yōu)于木模；特別是難以加工、需要多種組合的木模用快速成型的優(yōu)點(diǎn)就更為突出。對(duì)內(nèi)燃機(jī)開(kāi)發(fā)典型的例子是可以直接制作氣道吹風(fēng)用的樹(shù)脂芯盒，制作周期短、修整方便。

國(guó)內(nèi)能夠擁有該項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化的公司主要有北京隆源自動(dòng)化成型系統(tǒng)有限公司、武漢濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司、北京北方恒利科技發(fā)展有限公司等。北京隆源成立于1994年，國(guó)內(nèi)最早的SLS成型機(jī)開(kāi)發(fā)企業(yè)，2008年開(kāi)始開(kāi)發(fā)樹(shù)脂砂燒結(jié)。該公司擁有120多家設(shè)備用戶(hù)，主要用戶(hù)是大學(xué)、科研院所、航空航天和儀器儀表等精密制造企業(yè)，內(nèi)燃機(jī)企業(yè)包括玉柴和一汽。北京北方恒利科技發(fā)展有限公司是由中國(guó)兵器科學(xué)研究院、中國(guó)兵器新技術(shù)推廣所共同投資創(chuàng)辦的高新技術(shù)企業(yè)，從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始對(duì)?SLS技術(shù)進(jìn)行研究，2000年開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)化的?SLS快速成型設(shè)備并進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，擁有40多家設(shè)備用戶(hù)。圖1是北京隆源的設(shè)備圖示。國(guó)內(nèi)選擇性激光燒結(jié)設(shè)備廠家與規(guī)格見(jiàn)表1。

圖1　北京隆源的SLS快速成型設(shè)備

表1　國(guó)內(nèi)選擇性激光燒結(jié)設(shè)備廠家與規(guī)格

2.1.2PCM無(wú)模鑄型快速制造

PCM（Patternless?Casting?Manufacturing）無(wú)模鑄型快速制造技術(shù)是一種針對(duì)砂型/芯的快速成型技術(shù)，所使用的材料為符合要求的鑄造普通硅砂、冷芯盒樹(shù)脂和固化劑。該技術(shù)將CAD計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)、快速成形技術(shù)的離散/堆積成形原理與樹(shù)脂砂造型工藝有機(jī)結(jié)合，根據(jù)三維模型直接制造出結(jié)構(gòu)或表面復(fù)雜的鑄型，特別適合單件或少量的形狀復(fù)雜的大中型鑄件毛坯的開(kāi)發(fā)。目前，擁有該技術(shù)的公司為佛山市峰華卓立制造技術(shù)有限公司。2002年佛山市引入清華大學(xué)快速成型項(xiàng)目，2004年P(guān)CM技術(shù)逐漸成熟并向周邊企業(yè)提供快速成型服務(wù)，2007年P(guān)CM技術(shù)進(jìn)入對(duì)外服務(wù)的量多化時(shí)期，2010年開(kāi)始對(duì)外推廣其PCM設(shè)備與技術(shù)。

PCM無(wú)模鑄型快速制造技術(shù)制作砂型/芯的成型過(guò)程與選擇性激光燒結(jié)（SLS）類(lèi)似，不同的是PCM設(shè)備使用噴樹(shù)脂的方式使混有固化劑的型砂固化。設(shè)備鋪砂機(jī)構(gòu)鋪砂后，樹(shù)脂噴嘴根據(jù)三維切片軟件輸出的路徑噴灑樹(shù)脂。一個(gè)截面噴灑完成后，鋪砂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中用紅外加熱方式加速樹(shù)脂固化，回程過(guò)程中完成再次鋪砂。不斷循環(huán)，最終形成三維砂型/芯。圖2是峰華卓立的設(shè)備圖示。

目前，峰華卓立公司與濰柴、濟(jì)柴、玉柴、楊柴、一汽、東風(fēng)汽車(chē)、廣汽、華晨汽車(chē)等企業(yè)有合作關(guān)系，該公司為上述企業(yè)提供快速成型技術(shù)服務(wù)，提供研發(fā)階段功能樣件的開(kāi)發(fā)，包括機(jī)體、缸蓋、進(jìn)排氣歧管、連接彎管、飛輪殼、氣缸蓋罩、節(jié)溫器等。峰華卓立公司PCM設(shè)備規(guī)格見(jiàn)表2。

圖2　峰華卓立的PCM快速成型設(shè)備

表2　峰華卓立公司PCM設(shè)備規(guī)格

2.1.3選擇性激光燒結(jié)（SLS）與PCM無(wú)模鑄型快速制造的比較

選擇性激光燒結(jié)（SLS）與PCM無(wú)模鑄型快速制造在工作原理、成型材料、成型速度等方面存在不同。兩種成型工藝的比較見(jiàn)表3。

表3　PCM與SLS成型工藝的比較

2.2減材制造

減材制造技術(shù)類(lèi)似于加工中心對(duì)金屬件的加工原理，不同的是在數(shù)字化成形材料、刀具、軟件、工藝和設(shè)備等方面有所創(chuàng)新。減材制造在鑄造應(yīng)用方面使用的材料是鑄造用硅砂，使用樹(shù)脂固化成砂塊后用于加工成砂型/芯；設(shè)備三軸聯(lián)動(dòng)，使用專(zhuān)用刀具在干式條件下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的對(duì)砂型的加工；設(shè)備能夠接受由CAM軟件（Powermill，?Pro/E，Ug等）生成的標(biāo)準(zhǔn)G代碼驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)零件的快速制造。國(guó)內(nèi)擁有減材制造快速成型技術(shù)的公司是國(guó)家機(jī)械科學(xué)研究總院。

機(jī)械科學(xué)研究總院在中國(guó)航天三院、中航工業(yè)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)、一汽鑄造、中國(guó)一拖、廣西玉柴等80多家單位進(jìn)行減材制造快速成型技術(shù)推廣應(yīng)用，在北京、吉林、江蘇、河南、山東等地建立8個(gè)應(yīng)用示范基地，被廣泛應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋、液壓泵閥等復(fù)雜零部件的開(kāi)發(fā)。玉柴在快速成型技術(shù)方面投入較大的人力和資本，使用了多臺(tái)機(jī)械科學(xué)研究總院的設(shè)備，其大型的快速成型設(shè)備用于中大型船機(jī)機(jī)體的鑄件開(kāi)發(fā)。圖3是機(jī)械科學(xué)研究總院的設(shè)備圖示。機(jī)械科學(xué)研究總院的設(shè)備規(guī)格見(jiàn)表4。

圖3　機(jī)械科學(xué)研究總院的減材制造快速成型設(shè)備

表4　機(jī)械科學(xué)研究總院的設(shè)備規(guī)格

3　快速成型技術(shù)的應(yīng)用

國(guó)外FORD、GM和BMW等公司已普遍使用快速成型技術(shù)用于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)快速成型技術(shù)也逐步投入應(yīng)用。國(guó)家機(jī)械科學(xué)研究總院、北京隆源、佛山峰華卓立、武漢濱湖、北京北方恒利等公司，均已面向企業(yè)、科研院所等提供快速成型服務(wù)，并向社會(huì)推廣快速成型成套設(shè)備與技術(shù)。

內(nèi)燃機(jī)行業(yè)如濰柴、玉柴、一汽、洛拖等企業(yè)，率先采用快速成型技術(shù)應(yīng)用于新產(chǎn)品和個(gè)性化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

3.1設(shè)備的選用

機(jī)械科學(xué)研究總院江蘇分院（常州）、佛山市峰華卓立公司、北京隆源等公司對(duì)外快速成型的制造工藝，都是采用增材制造和減材制造相結(jié)合的快速成型工藝。增材制造用于復(fù)雜、薄弱砂芯的制作，減材制造用于表面規(guī)則、形狀強(qiáng)壯的砂芯和厚大外模的制作。佛山市峰華卓立公司使用自制的增材（PCM）和減材設(shè)備，機(jī)械科學(xué)研究總院江蘇分院（常州）使用自制的CAMTC-SMM減材設(shè)備和北京隆源公司的Laser?Core-?5300激光燒結(jié)設(shè)備，北京隆源公司使用自制的AFS激光燒結(jié)設(shè)備和機(jī)械科學(xué)研究總院的CAMTC-SMM減材設(shè)備。

玉柴采用多臺(tái)機(jī)械科學(xué)研究總院的CAMTCSMM設(shè)備、及北京隆源公司的AFS激光燒結(jié)設(shè)備和武漢濱湖的HRPS-V型激光燒結(jié)設(shè)備，用于快速成型鑄件的開(kāi)發(fā)。

3.2 快速成型工藝

3.2.1減材制造

使用普通的冷芯盒用擦洗砂和樹(shù)脂砂工藝可以制作減材制造需要的砂塊，砂子粒度140/70目。

使用減材加工設(shè)備對(duì)這些砂塊加工制作砂型/芯；設(shè)備使用專(zhuān)用的刀具，使用壽命超過(guò)2?000?h以上。需要操作人員對(duì)加工的砂型/芯進(jìn)行編程、選擇刀具規(guī)格、設(shè)置進(jìn)刀量刀具路徑等。加工過(guò)程中設(shè)備的除塵單元收集浮塵，廢砂收集機(jī)構(gòu)收集廢砂。

人工或使用叉車(chē)將加工完成的砂型/芯移出加工設(shè)備工作臺(tái)。使用減材制造獲得的砂型/芯如圖4所示。

圖4　使用減材制造獲得的砂型/芯

3.2.2增材制造

（1）選擇性激光燒結(jié)（SLS）

三維設(shè)計(jì)模型需要設(shè)計(jì)砂芯輔助支撐，方便砂芯清理和防止二次固化砂芯的變形；砂芯厚大位置需要設(shè)計(jì)成減重結(jié)構(gòu)來(lái)減少燒結(jié)時(shí)間，使用加強(qiáng)筋加強(qiáng)砂芯的強(qiáng)度并防止變形。

使用粒度140/70目覆膜砂，需要從專(zhuān)業(yè)覆膜砂生產(chǎn)廠采購(gòu)，使用該覆膜砂快速成型的砂芯應(yīng)具備普通熱芯盒砂芯的抗拉和抗彎強(qiáng)度，同時(shí)發(fā)氣量不大于15?mL/g。

操作人員依據(jù)使用的覆膜砂的性能、砂芯的結(jié)構(gòu)設(shè)置預(yù)熱溫度、切片厚度、掃描線寬、掃描速度、激光功率等參數(shù)，以最終控制砂芯的初強(qiáng)度和精度。設(shè)備工作期間可以無(wú)人職守。

激光燒結(jié)砂芯完成后，需要進(jìn)行砂芯的后處理：①取件清砂；②表面預(yù)固化：用噴燈噴燒砂型表面；③烘烤固化：需要使用直徑1～2?mm的玻璃珠填埋砂芯后烘烤固化，溫度180～200?℃，時(shí)間5～16?h；④修整：用工具將輔助結(jié)構(gòu)去除并將斷面修整好。

使用激光燒結(jié)（SLS）制造獲得的砂型/芯如圖5所示。

圖5　使用激光燒結(jié)（SLS）制造獲得的砂型/芯

（2）PCM快速成型

使用冷芯盒用擦洗砂，砂子粒度140/70目。需要使用峰華卓立公司訂制的固化劑和樹(shù)脂，使用該粘結(jié)材料快速成型的砂芯應(yīng)具備普通冷芯盒砂芯的抗拉和抗彎強(qiáng)度，同時(shí)發(fā)氣量不大于15～20?mL/g。

操作人員進(jìn)行三維模型切片，噴頭掃描路徑自動(dòng)生成。設(shè)備工作期間可以無(wú)人職守。

砂芯成型后，手工清理砂芯周?chē)⑸?，人工或使用叉?chē)將砂芯取出工作臺(tái)。散落砂人工收集后集中處理。

人工使用刮板和毛刷對(duì)砂型/芯表面散砂進(jìn)行清理。清理后的砂芯待用，不需要SLS增材制造獲得砂芯的復(fù)雜的后處理工藝。使用PCM制造獲得的缸蓋水套砂芯如圖6所示。

圖6　使用PCM制造獲得的缸蓋水套砂芯

3.2.3砂芯檢查及組芯

（1）砂芯檢查

通過(guò)減材制造和增材制造獲得的砂型/芯，使用前或必要時(shí)，需要使用便攜式三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的非接觸快速檢查。檢查項(xiàng)目包括：砂型/芯內(nèi)腔或表面制造精度、SLS增材制造獲得的砂芯的變形量。通過(guò)快速檢查比對(duì)砂型/芯數(shù)據(jù)和三維模型的差異，以確認(rèn)砂型/芯是否符合產(chǎn)品和工藝的要求。

（2）組芯

砂型/芯使用前，預(yù)組檢查尺寸是否合適，不合適的表面進(jìn)行人工修復(fù)。檢查好的砂芯手工上涂料，進(jìn)烘干窯烘干。

中小型鑄件的芯組可以在檢查或組芯平臺(tái)上對(duì)砂型/芯進(jìn)行組裝，組裝完成后人工轉(zhuǎn)運(yùn)至車(chē)間澆注區(qū)；大型鑄件的芯組可以直接在車(chē)間澆注區(qū)的地面上組裝。圖7是正在組裝的芯組；圖8是使用快速成型技術(shù)制造的鑄件。

圖7　組裝中的芯組

圖8　使用快速成型技術(shù)制造的鑄件

4　結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)鑄造快速成型技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，從設(shè)備功能到材料應(yīng)用已具備產(chǎn)品樣件的制造能力，近年來(lái)逐漸投入市場(chǎng)應(yīng)用并得到認(rèn)可，加快了國(guó)內(nèi)柴油機(jī)、汽車(chē)行業(yè)新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的周期。

（1）增材制造，特別是SLS激光燒結(jié)技術(shù)，適應(yīng)于復(fù)雜砂芯的制作；使用寶珠砂類(lèi)的造型材料可以制造航空航天用內(nèi)腔復(fù)雜的液壓件。

（2）減材制造，類(lèi)似于數(shù)控加工中心切削工件，使用普通的樹(shù)脂砂砂塊，適合于表面規(guī)則、結(jié)構(gòu)強(qiáng)壯的砂芯和厚大外模的制作。

（3）增材制造和減材制造結(jié)合應(yīng)用，可以相對(duì)滿足砂型/芯的快速成型工藝，制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大中型鑄件。

（4）與國(guó)外技術(shù)相比，如德國(guó)Voxeljet大型砂型3D打印機(jī)，國(guó)內(nèi)快速成型技術(shù)在制造效率和設(shè)備功能等方面仍有很大差距。

[1] 李瑞霞,熊曉紅.激光選區(qū)粉末燒結(jié)快速成形技術(shù)在精密鑄造中的應(yīng)用[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),2005(2)：46-48.

[2] 董選普,黃乃瑜,樊自田,等.快速成型技術(shù)及其在鑄造中的應(yīng)用[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),2002(5):25-27.

The foundry rapid prototyping technology and its application in China

ZANG?JiaLun1，?SUN?YuCheng1，?LI?Chuang1，?LI?ZhiYong2
（1.?Weichai?Power?Co.，?Ltd.，?Weifang?261061，?Shandong，China；?2.?Foshan?Fenghua?Zhuoli?manufacturing?technology?Co.，?Ltd.，?Foshan?528225，Guangdong，China）

The?foundry?rapid?prototyping?（RP）?technology?in?China?is?introduced?and?the?RP?manufacturing?processing?of?additive/subtractive?manufacturing?is?studied.?After?years?of?development，?the?RP?technology?has?the?ability?of?manufacturing?sample?piece?from?device?function?to?material?application.Some?companies，?such?as?China?Academy?of?Machinery?Science?and?Technology，?Beijing?Longyuan?AFS?Co.，?Ltd.，?Foshan?Fenghua?Zhuoli?Co.，?Ltd.，?are?the?suppliers?of?RP?technology?for?the?market?and?promote?the?RP?technology?in?companies?and?research?institutes.

Rapid?prototyping；Additive?manufacturing；Subtractive?manufacturing；?Processing

TG249；

A；

1006-9658（2015）04-0001-05

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.04.001

2015-03-01

稿件編號(hào):1503-828

臧加倫（1965—），男，高工，從事柴油機(jī)機(jī)體缸蓋的鑄造工藝開(kāi)發(fā)工作.