淺析快速成型技術在鑄造中的應用

陳鵬1，劉繼波1，董志鵬1，李永剛1，秦鵬2

（1.濰柴重機股份有限公司，山東濰坊261108；2.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊261061）

隨著快速成型技術的發(fā)展，憑借其快速性、自由成型制造、材料廣泛性、低成本等特點，在鑄造領域中得到越來越多的關注和使用。本文通過增、減材快速制造技術制得鑄造砂型/芯，完成了齒輪室鑄造樣件的制造。探討快速成型技術在鑄造中的應用，為同類型的鑄造工藝提供參考。

快速成型；選擇性激光燒結；減材制造；鑄造工藝

1快速成型技術概述

快速成型（Rapid Prototyping）技術是20世紀90年代發(fā)展起來的一種高新制造技術，簡稱RP技術。該技術集計算機輔助技術（CAD/CAM）、激光技術、計算機控制技術、網絡技術、以及新材料、新工藝等先進技術于一體，突破了傳統(tǒng)制造工藝，不需要制造模具，即可根據(jù)三維CAD設計數(shù)據(jù)快速、準確地制造出產品原型，用于新產品的展示、驗證設計、性能測試等。對于有效縮短新產品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本與風險，生產適銷對路的產品具有重要意義，被稱為制造業(yè)的一項革命[1]。

快速成型技術具有高度靈活性、技術高度集成、設計制造一體化、快速性、自由成型制造、使用材料廣泛性等特點。目前在國內外已廣泛應用于機械、電子、家電、航空航天、汽車、摩托車、玩具、醫(yī)療、通信等領域，創(chuàng)造了良好的社會及經濟效益[2]。

2快速成型主要工藝方法

快速成型按照增添或去除材料成型可以歸為兩大類，即增材制造和減材制造。對于增材制造，目前國內外生產的快速成型工藝方法按加工方式及使用材質不同主要可分為六種：激光光固法快速成型（SLA）、融絲堆積快速成型（FDM）、選擇性激光切割快速成型（LOM）、選擇性激光燒結快速成型（SLS）、光掩膜快速成型（SGC）、直接陶瓷殼法快速成型（DSPC）.而對于減材制造則是類似于加工中心對金屬件的加工原理，不同的是在數(shù)字化成型材料、刀具、軟件、工藝和設備等方面有所創(chuàng)新。

本文探討的是如何利用快速成型技術制造出齒輪室樣件。使用的是選擇性激光燒結和鑄造砂塊減材制造快速成型的方法，以此探索快速成型技術在鑄造中的應用[3]。

3快速成型在鑄造中的應用

如前所述，快速成型技術可制作出產品原型。本案例首先基于CREO2.0軟件繪制齒輪室的三維模型，并根據(jù)模型設計砂型和砂芯。根據(jù)砂型/芯的形狀結構選擇不同的快速成型方法，得到期望的砂型/芯，依次通過組芯、研箱、澆注工序，最終得到齒輪室鑄件毛坯。此過程不需要木模及模具，精簡了鑄造毛坯開發(fā)流程、縮短了鑄造毛坯開發(fā)周期，特別適合于復雜鑄件的少量的快速制造，實現(xiàn)了傳統(tǒng)鑄造行業(yè)的數(shù)字化制造。

3.1齒輪室建模

圖1齒輪室鑄造工藝

齒輪室為柴油機重要的組件之一，結構較為復雜。采用CREO2.0建模得到模型，并設計鑄造工藝，如圖1所示。根據(jù)工藝分出砂芯7顆、砂型8顆，如圖2、圖3所示。其中在砂型的非成型面設計了定位、轉運、吊裝、把合等結構。

圖2分出的砂芯

圖3分出的砂型

3.2砂型、砂芯快速制造

根據(jù)現(xiàn)有的設備，制定加工計劃：1#砂芯和7#砂芯選用選擇性激光快速成型設備；其余的砂型、砂芯都選用減材制造設備加工成型。

3.3快速成型設備

3.3.1選擇性激光燒結快速成型（SLS）

選取的設備如圖4所示，參數(shù)見表1.

圖4選擇性激光燒結快速成型設備

表1選擇性激光燒結快速成型設備參數(shù)

覆膜砂技術要求：粒度為50/100目，粒度集中性≥75%，常溫抗拉強度≥5.0 MPa，熱抗拉強度≥1.2 MPa，發(fā)氣量≤14 mL/g.在實際的操作中可根據(jù)覆膜砂性能、砂型/芯的尺寸大小和結構等因素來調整快速成型過程中涉及的工藝參數(shù)。主要有激光功率和掃描速度、預熱溫度、分層方向、分層厚度、掃描間距和掃描方向、后處理溫度等。以獲取必要的砂型/芯強度和表面精度。

選擇性激光燒結快速成型工藝過程：

第一步，在計算機中先將三維模型創(chuàng)建好，將模型用切片軟件進行離散—堆積切片處理，把處理后的切片信息保存為成型設備可識別的格式并輸入快速成型設備中，成型設備將識別并根據(jù)切片信息開始逐層激光燒結。

第二步，燒結成型。設置相應參數(shù)：鋪粉厚度為0.3 mm，激光功率為40 W，掃描速度為2 000 mm/s，掃描間距為0.1 mm，預熱溫度為60℃，每鋪完一層砂子，激光器通過激光產生的高熱能對砂面燒結一次，覆膜砂在高熱能的作用下發(fā)生固化反應。成型設備將重復相同的動作，直至砂型（芯）完全燒結成型。

第三步，后處理。①清砂處理：將燒結成型的砂型/芯從成型室中取出，用毛刷和專用工具將制件上多余的未反應的砂子清理、打磨干凈；②預固化：用酒精噴燈均勻噴燒砂芯表面，使砂芯及時進行預固化，噴燒時間不能過長或局部過燒，防止砂芯變形或開裂；③烘烤固化：由于剛燒結成型的砂型/芯中還有未反應的樹脂和烏洛托品，砂型/芯的硬度還不是很理想，因此在預固化后還需要進行烘烤固化。烘烤時將砂型、芯放入固化箱中，用直徑1 mm～2 mm的玻璃珠填埋砂芯后烘烤固化，溫度180℃～200℃，時間4 h～16 h；烘烤固化后砂芯強度將大大提高；④完成砂芯的修整工作；圖5為選擇性激光燒結快速成型得到的砂芯。

圖5選擇性激光燒結快速成型得到的砂芯

3.3.2減材制造快速成型

選取的設備如圖6所示，參數(shù)見表2.

圖6減材制造快速成型設備

表2減材制造快速成型設備參數(shù)

鑄造擦洗砂技術要求：粒度70/140目，含泥量≤0.3%，粒度集中性≥75%；采用樹脂砂工藝得到砂塊應滿足抗拉強度≥1.2 MPa，發(fā)氣量≤14 mL/g.

減材制造快速成型工藝過程：

根據(jù)砂型、芯的尺寸選取使用樹脂砂塊避免不必要的浪費。將CREO建模得到的砂型、芯數(shù)據(jù)轉換為設備能夠識別的G代碼驅動設備進行加工，使用專用刀具在干式條件下對砂塊進行加工，在加工過程中應及時清除廢砂，保證加工進程。圖7所示即為減材快速成型得到的砂型/芯。

3.4研箱、澆注

在研箱前應檢測砂型/芯尺寸和表面精度是否滿足使用要求?？紤]到本產品尺寸較大，砂型/芯較多，除正常把合外還采用了套箱生產工藝。經過修型/芯、刷涂料、套箱造型（圖8、圖9）、組芯（圖10）、烘烤、合箱等工序后，得到最終鑄型（圖11）.

圖7減材快速成型得到的砂型/芯

圖8套箱造型（下型）

圖9套箱造型（上型）

圖10完成組芯

圖11最終鑄型

完成澆注，清理得到快速成型的齒輪室鑄件，如圖12所示。

圖12齒輪室鑄件

4結論

1）增材制造：選擇性激光燒結快速成型技術適用于結構復雜的覆膜砂芯制作，不易發(fā)生變形，但仍需對容易發(fā)生變形的地方設計支撐結構。

2）減材制造：加工成型的樹脂砂型/芯精度及表面質量都可滿足生產要求，但應合理設計吃砂量、工藝間隙等，保證砂型的把合強度。

3）利用選擇性激光燒結快速成型技術和減材制造技術相結合的快速鑄造技術，可以實現(xiàn)單件復雜零件無模具直接生產，可得到精確的產品試樣，同時也可為模具設計提供有利參考。

［1］劉偉軍.快速成型技術及應用［M］，北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［2］翟德梅，段維峰.模具制造技術［M］，北京：北京工業(yè)出版社，2005.

［3］臧加侖，孫玉成，李闖，黎智勇.國內鑄造快速成型技術及應用［J］.中國鑄造裝備與技術，2015（4）：1-5.

Application of Rapid Prototyping Technology in Foundry

CHEN Peng1，LIU Ji-bo1，DONG Zhi-peng1，LI Yong-gang1，QIN Peng2
（1.Weichai Heavy Machinery CO.，LTD.，Weifang Shandong 261108，China；2.Weichai Power CO.，LTD.，Weifang Shandong 261061，China）

With the rapid development of prototyping technology，it gets more and more attention and is used in the casting field with its fast，free-form manufacturing，materials extensive and low cost characteristics.By additive and subtractive material rapid manufacturing technology，we obtained the casting forms/cores and the gear chamber casting.The discussion of rapid prototyping technology in foundry provides a reference for the same type of casting process.

rapid prototyping，selective laser sintering，subtractive manufacturing，casting process

TG249.9

A

1674-6694（2017）02-0039-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.02.013

2017-01-04

陳鵬（1987-），男，本科，助理工程師，主要從事鑄造工藝開發(fā)工作。