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复杂铸件的快速制造[铸造][铸造厂][铸件][不锈钢][锈钢]

来源:收集整理 秩名 2018-03-05 浏览
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中国是铸造的大国,但不是铸造强国,许多中小企业长期依靠生产附加值低的简单铸件,而对技术难度较高的复杂铸件望而生畏。因为对于复杂铸件,特别是对于一些形状复杂且小批量生产的薄壁铸件,铸造一直是个难题。更何况现在客户对短周期及低成本要求很高,传统的工艺很难胜任。
  快速成形(RP)的出现和发展为解决上述问题提供了一条极具前景的新路,因此我们应好好运用这一先进技术为铸造业服务。快速成形技术(RP)是一种集计算机辅助设计、精密机械、数控激光技术和材料学为一体的新兴技术。它采用软件离散化和材料堆积的原理,将所设计物体的CAD模型转化为实物样件。由于RP技术采用将三维形体转化为二维平面分层制造的原理,因此能够处理任意复杂的构件,而且构件越是复杂越能体现它的优越性。
  但由快速成形设备生产的制件只是原型或模型而不是铸件,运用这些原型或模型来生产铸件可以选择多种工艺路线,而如何选择最佳的工艺路线则需要相应的专业知识。华中科技大学快速成形中心于1991年开始快速成形技术的研究,是中国最早开展该项技术研究的单位之一,并取得了丰硕的成果,成功推出了多种快速成形系统,经用户使用,产生了显著的经济效益和社会效益。近年来对快速成形在各行业中的运用,特别是对复杂铸件的快速制造开展了大量的研究,积累了丰富的经验。在此我们将这些研究成果介绍给读者。
  母模制造方法的选择与比较
  目前,国内外研究了多种快速成形方法,比较成熟实用的主要有LOM、SLA、SLS、FDM、3DP,这些技术各有优缺点,其具体原理和特点如下:
  1、立体光刻(SLA)
  SLA是利用紫外激光扫描光敏树脂、光敏树脂在激光的作用下固化逐层堆集而成。用SLA原型可代替铸造中的木模和熔模精密铸造中的蜡模。SLA技术成形速度快,精度高。由于SLA所用树脂为热固性光敏树脂,加热不能熔失,只能烧失,所以熔模铸造时对焙烧工艺要求较高,原型件最好做成镂空结构。SLA原型对水较敏感,长时间在潮湿环境中易吸潮变形,所以要注意防潮。SLA的设备及运行成本较高,适合于制造薄壁精细轮廓精密铸件的模型。
  2、分层实体制造(LOM)
  LOM工艺是根据零件分层得到的轮廓信息用激光切割薄材,这样逐层堆集而成的三维实体。LOM主要特点是设备和材料价格较低,运行成本也低。原型经处理后强度好,精度高,不变形,在铸造中可代替复杂的木模,特别适合于中小型铸造厂单件或小批量生产。
  3、选择性激光烧结(SLS)
  其原理是:激光束在计算机的控制下,对粉末进行扫描,扫描部分粉末熔化粘结而成的实体。SLS技术的最大特点是成形材料广泛,塑料、陶瓷、金属、蜡粉、腹膜砂及它们的复合材料都可作为SLS的成形材料,制备相应的功能件、金属件、蜡模及砂型(芯),所以适用性强。SLS制作蜡模进行熔模铸造是目前在国内运用最为广泛的方法,不仅成本相对较低,而且精度高,表面质量好,无需支撑,可制作形状极其复杂的蜡模生产复杂铸件。
  4、熔丝沉积(FDM)
  熔丝沉积将材料液化后经过喷嘴逐层沉积成制件,成形材料包括塑料丝、蜡丝等,因此制备塑料原型件和蜡模。该工艺中没有价格昂贵的激光器,所以设备价格低,且由于材料被完全熔化,制件强度高。但成形速度慢,制件精度差,表面质量差,且喷丝头的喷嘴易产生流延和堵塞。
  5、三维打印(3DP)
  三维打印工作原理类似于喷墨打印机。该技术的材料包括陶瓷、金属/有机复合材料等。该技术成本较低,成形速度快,精度高,但制件表面粗糙,强度不高,且打印喷头容易堵塞。在铸造中适合于原型的验证制作蜡模或制造石膏型。
  快速制造与铸造方法的选择
  1、熔模铸造
  SLS快速成形所得到的蜡模可直接用于熔模铸造得到金属件。这种快速成形工艺无需制造压型,大大缩短了毛坯的生产周期,并可实现小批量生产。
  SLS制作蜡模不仅速度快,价格相对便宜,表面质量高,而且所用蜡料性质与一般铸造中的高温蜡料或中蜡料相似,只要对熔模铸造中现行的焙烧工艺稍微改变就可实现SLS蜡料的焙烧脱出。SLS蜡模在熔模铸造中的运用十分广泛,既可铸造小型精密铸件,也可制作大型复杂铸件,特别是可以与常规低熔点蜡模组焊成复合蜡模,即用普通蜡料压型制作铸件的简单部分,而用SLS制作复杂部分,大幅提高生产效率,降低蜡模制作成本。
  用SLA法制作的树脂件也可用于熔模铸造,SLA树脂件强度高,表面质量好,所以可用于铸造非常精细的小型铸件。但由于焙烧工艺复杂,并要求采用易烧失的SLA专用树脂,原型件的制造成本也高,所以目前在国内运用还不如SLS法广泛。FDM也可挤出蜡料,只是FDM的成形速度慢,表质质量不高,所以这方面的应用也不多。
  熔模精密铸造是实现铸件批量生产的有效方法之一。在传统的熔模铸造过程中,最困难的环节是快速制造制作熔模压型,对于形状复杂的大型件更为突出,通常是根据铸件的形状及尺寸进行设计,经金属切削加工制成,周期长并且成本高。采用快速成形技术制造母模,通过快速软模或快速过渡模等得到熔模铸造的压型。然后用此压型注射蜡模,再用此蜡模经传统的失蜡铸造工艺制作金属铸件,不仅工艺简单而且成本低。其制作工艺可以分为:(1) 用快速成形制作母模再翻制成硅橡胶软模、金属冷喷模、石膏型、陶瓷型和经过中间转换的合金模、电铸模、环氧树脂模等阴模当压型,压制蜡模;(2) 用快速成形直接制造压型,如华中科技大学开发的高分子/金属复合材料,用选择性激光烧结成形,制件经表面处理后可以直接作为熔模压型,从而大大简化了小批量生产铸件的步骤。
  2、石膏型及陶瓷型精密铸造
  石膏型及陶瓷型铸造具有高精度及低表面粗糙度值的优点。利用快速成形获得铸造陶瓷型或石膏型有多种途径:(1) 利用LOM、SLA、SLS、3DP制作的原型当母模,直接翻制成陶瓷型或石膏型,对于形状复杂不易拔模的制件可以先转制成硅橡胶型。这种方法的特点是成本低,且可实现小批量生产,但这种方法不适用形状复杂、不能拔模的制件;(2) 类似于熔模铸造的方法,用SLS、SLA、3DP或FDM制作蜡模,再熔失或烧失。
  3、砂型铸造
  传统的砂型铸造一般要先制木模,而木模制造靠人工的方法往往在技术、生产周期、精度及材质方面难于完全满足要求。用快速成形得到的LOM模型可以代替木模直接用于铸造生产。由于经过了特殊的处理,纸质模坚如硬木,表面光滑有利于砂型铸造。它在200℃以下工作,可以翻制50~200件砂型。其优点是成本低,制造速度快,无需高水平木模工和相应的木工机械就能在很短时间内制作高精度模样,对于形状复杂的大、中型铸件,其优点尤为突出。如发动机机体、缸盖、进(排)气管和底盘变速器离合器壳体等都可以用这种方法制造。纸质模或树脂模取代木模使得金属模胚的制造周期和成本大大降低,而且精度的提高可以减少机械加工余量和加工费用。
  用SLS烧结覆膜砂可直接成形砂型(芯)用于铸造,这种方法经济快速,尤其对于内腔流道特别复杂的铸件有其它方法无法比拟的优势。
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