快速原型與鑄造技術(shù)的集成成形制造

摘要：RP技術(shù)與鑄造工藝集成產(chǎn)生的快速零件/模具制造技術(shù)是鑄造技術(shù)、CAD技術(shù)、RP技術(shù)、CAE技術(shù)、CAM技術(shù)的集成，能夠?yàn)榭焖僦圃煨∨俊渭＞?零件提供廣闊的發(fā)展前景。文章闡述了典型的快速原型技術(shù)，并從CAD模型直接驅(qū)動(dòng)鑄型成形的金屬零件/模具制造和CAD模型間接驅(qū)動(dòng)鑄型成形的金屬零件/模具制造兩方面探討了RP與鑄造工藝集成。

關(guān)鍵詞：快速原型；鑄造技術(shù)；集成成形制造；CAD技術(shù)；RP技術(shù)；CAE技術(shù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TG249 文章編號(hào)：1009-2374（2016）10-0072-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.10.035

1 概述

快速原型技術(shù)（RP技術(shù)）綜合了材料技術(shù)、激光技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、CAD技術(shù)等學(xué)科技術(shù)，能夠精確、自動(dòng)、快速、直接地將CAD模型直接制造出模具/零件，不再需要耗資、費(fèi)時(shí)地進(jìn)行機(jī)械加工、工具設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)，能夠使產(chǎn)品的研發(fā)周期得以大幅度縮短，進(jìn)而提高制造的柔性度和生產(chǎn)效率。從目前來(lái)看，機(jī)械行業(yè)通常都是利用機(jī)械加工方法來(lái)制造壓型、模樣、芯盒、模板等，甚至有時(shí)還需要技術(shù)熟練的鉗工來(lái)幫助修整，特別是汽車(chē)缸體、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、汽車(chē)缸蓋、船用螺旋槳等造型復(fù)雜的薄壁鑄件更加難以制造。快速原型與鑄造技術(shù)的集成成形制造為快速制造小批量、單件模具/零件提供了廣闊的發(fā)展前景。本文就快速原型與鑄造技術(shù)的集成成形制造進(jìn)行探討。

2 典型的快速原型技術(shù)

從目前來(lái)看，3DP、SL、SLS、FDM、LOM等技術(shù)都是全球應(yīng)用較為成熟的快速成形工藝，這些工藝可分為兩大類(lèi)，分別是基于微滴的數(shù)字噴射成形工藝和基于激光的快速成形工藝。基于微滴的數(shù)字噴射成形工藝是指利用微滴技術(shù)來(lái)將黏結(jié)劑微滴化黏結(jié)成形或者將成形材料微滴化堆積成形，而基于激光的快速成形工藝是指利用激光技術(shù)來(lái)黏結(jié)、分離、固化、熔化可成形的材料。

2.1 典型的激光快速成形工藝

（1）DLF工藝（直接光成形工藝）——DLF工藝是一種直接金屬型成形工藝，對(duì)金屬粉末進(jìn)行選擇性燒結(jié)，而后再將其逐層疊加堆積成形，燒結(jié)所用能源為高能激光；（2）SL工藝（立體光刻工藝）——SL工藝?yán)米贤夤饣蛘咦贤饧す鈦?lái)固化樹(shù)脂，并且使之堆積成形；（3）SGC工藝（實(shí)體輪廓固化工藝）——SGC工藝?yán)米贤饧す鈦?lái)固化樹(shù)脂，并且使之堆積成形，所利用的技術(shù)為掩膜版技術(shù)；（4）LENS工藝（激光近凈成形工藝）——LENS工藝對(duì)金屬粉末進(jìn)行選擇性燒結(jié)，而后再將其逐層疊加堆積成形，燒結(jié)所用能源為高能激光；（5）LOM工藝（分層實(shí)體制造工藝）——LOM工藝對(duì)金屬板材、紙材等箔材利用激光切割方法來(lái)進(jìn)行選擇性燒結(jié)，并且將其逐層疊加堆積成形；（6）SLS工藝（選擇性激光燒結(jié)工藝）——SLS工藝對(duì)樹(shù)脂砂、金屬粉末、塑料粉、蠟粉等粉末材料利用CO2激光來(lái)進(jìn)行選擇性燒結(jié)，并且將其逐層疊加堆積成形。

2.2 典型的微滴數(shù)字噴射成形工藝

（1）3DP工藝（三維印刷工藝）——3DP工藝從噴頭中噴出黏結(jié)劑來(lái)將粉末材料予以黏結(jié)，并且將其逐層疊加堆積成形；（2）EFF工藝（自由擠出制造工藝）——EFF工藝對(duì)多種不同材料的混合比例進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，并且利用連續(xù)微滴技術(shù)來(lái)使之逐步堆積為梯度材料零件；（3）SDM工藝（沉積成形制造工藝）——SDM工藝是一種將熔融金屬微滴堆積成形與切削去除成形相結(jié)合的直接金屬型成形工藝；（4）PCM工藝（無(wú)模鑄型制造工藝）——PCM工藝在砂層上不斷噴射黏結(jié)劑，黏結(jié)型砂堆積成形；（5）3DW工藝（三維焊接工藝）——3DW工藝將金屬絲線利用堆焊原理來(lái)進(jìn)行堆積成形；（6）MJS工藝（多噴頭噴射成形工藝）——MJS工藝將熔融材料利用活塞擠壓方式來(lái)使之?dāng)D出噴嘴，再通過(guò)連續(xù)微滴技術(shù)來(lái)使之形成絲材堆積成形；（7）BPM工藝（彈道粒子制造工藝）——BPM工藝對(duì)熔融材料利用噴頭噴射的方式來(lái)予以堆積成形，值得注意的是，所采用的噴頭具有五軸自由度；（8）UDS工藝（均勻微滴噴射工藝）——UDS工藝對(duì)熔融材料利用電磁場(chǎng)控制的方式來(lái)予以堆積成形；（9）FDM工藝（熔融沉積制造工藝）——FDM工藝在噴頭內(nèi)加熱尼龍、蠟、塑料等材料，并且利用細(xì)微的噴管來(lái)予以連續(xù)微滴噴出，使之形成絲材堆積成形；（10）CC工藝（輪廓成形）——CC工藝采用熔融材料澆鑄和輪廓堆積結(jié)合的方式來(lái)予以堆積成形。

3 RP與鑄造工藝集成

RP技術(shù)與鑄造工藝集成產(chǎn)生的快速零件/模具制造技術(shù)，是鑄造技術(shù)、CAD技術(shù)、RP技術(shù)、CAE技術(shù)、CAM技術(shù)等的集成，具有較高的技術(shù)集成度，能夠在短時(shí)間之內(nèi)將CAD模型轉(zhuǎn)換為物理實(shí)體模型，能夠有效地降低生產(chǎn)成本和制造周期。值得注意的是，利用這種工藝流程所制造出來(lái)的模具/零件的尺寸精度會(huì)受到較多因素的影響，其中最為主要的影響因素為金屬在鑄造過(guò)程中的收縮率。為了能夠讓成形金屬模具/零件的精度更高，需要對(duì)金屬的收縮率予以準(zhǔn)確的確定。本文通過(guò)對(duì)鑄件凝固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析，進(jìn)而優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)以滿足零件/模具尺寸精度的技術(shù)要求。

從目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)關(guān)于鑄件凝固過(guò)程的數(shù)值模擬工作主要是鑄件應(yīng)力場(chǎng)分析、鑄件溫度場(chǎng)分析以及預(yù)測(cè)鑄件在凝固過(guò)程的熱裂、縮松、縮孔等一系列缺陷，但仍然鮮有研究凝固過(guò)程中鑄件尺寸精度的數(shù)值模擬。鑄件應(yīng)力場(chǎng)和鑄件溫度場(chǎng)在鑄造凝固過(guò)程中通常都屬于相互影響的狀態(tài)，鑄造凝固過(guò)程分析屬于典型的熱力耦合范疇，過(guò)去很多的研究都對(duì)熱力耦合求解問(wèn)題予以了簡(jiǎn)化，也沒(méi)有考慮應(yīng)力變形做功所造成的溫度變化，并且對(duì)耦合分析計(jì)算時(shí)間予以了縮短，這種簡(jiǎn)化方式并不會(huì)影響到鑄件應(yīng)力場(chǎng)分析、鑄件溫度場(chǎng)分析以及計(jì)算鑄件在凝固過(guò)程的熱裂、縮松、縮孔情況，但是會(huì)對(duì)鑄件尺寸精度造成影響。

將有限元模擬技術(shù)與CAD數(shù)據(jù)予以有機(jī)地結(jié)合，能夠定性模擬模具/零件尺寸變化的凝固，也能夠?qū)δ＞?零件在凝固過(guò)程中尺寸變化規(guī)律予以有效地預(yù)測(cè)，逐步實(shí)現(xiàn)優(yōu)化CAD模型的目的。與此同時(shí)，還能夠?qū)⒕荑T造、RP原型等工藝轉(zhuǎn)換時(shí)所出現(xiàn)的尺寸誤差能夠在三維CAD建模時(shí)予以補(bǔ)償，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)誤差數(shù)據(jù)的補(bǔ)償和反饋。此外，還能夠有機(jī)地集成材料技術(shù)、激光技術(shù)、有限元模擬技術(shù)、RP技術(shù)、CAD技術(shù)等來(lái)快速制造金屬模具、金屬零件。由于是利用計(jì)算機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)原型成型過(guò)程，所以都是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)完成相關(guān)的生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)計(jì)過(guò)程，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)原型部件的快速制造。與其他制造工藝不同，快速原型與鑄造技術(shù)的集成成形制造能夠利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)時(shí)修改CAD模型來(lái)補(bǔ)償尺寸收縮、尺寸精度控制、幾何變形等尺寸誤差，以此來(lái)確保所制造出來(lái)的零件/模具均為高品質(zhì)的。

3.1 CAD模型直接驅(qū)動(dòng)鑄型成形的金屬零件/模具制造

CAD可在不需要芯盒或者模樣的情況下來(lái)直接驅(qū)動(dòng)制造鑄型，所選用的型殼造型材料都是各個(gè)制造企業(yè)鑄造車(chē)間所通用的材料，零件模型在CAD環(huán)境下能夠被直接轉(zhuǎn)換為鑄型。非零件部分在成形過(guò)程中需要黏結(jié)或者燒結(jié)，而零件部分在成形過(guò)程中依然是粉末。在完成了成形工序之后傾倒出粉末，即可開(kāi)始對(duì)砂型、砂芯進(jìn)行直接制造，這樣一來(lái)，能夠不再向過(guò)去傳統(tǒng)精密鑄造一樣需要制作大量的泡沫塑料模、蠟型，有效地節(jié)約了時(shí)間和成本費(fèi)用，尤其是對(duì)于復(fù)雜零件、小批量零件的生產(chǎn)極為有效。目前主要的工藝有直接殼型鑄造DSPC、SLS砂型燒結(jié)和PCM無(wú)木模成形工藝。這些工藝能夠?qū)崿F(xiàn)一體化制造砂芯和鑄型，也不會(huì)存在著砂芯和鑄型二者之間的裝配關(guān)系，特別適合復(fù)雜零件、小批量零件的生產(chǎn)。

CAD模型直接驅(qū)動(dòng)鑄型成形的金屬模具/零件制造包括了冒口三維數(shù)字模型、澆口三維數(shù)字模型等，首先，能夠模擬金屬凝固的收縮率；其次，能夠?qū)AD模型進(jìn)行優(yōu)化修改；再次，能夠分層模型，能夠?qū)焖僭蜋C(jī)予以驅(qū)動(dòng)，使得鑄型可被直接制造出來(lái)；最后，利用焙燒鑄型等后續(xù)工藝技術(shù)處理后，就能夠?qū)饘俸辖鹩枰詽茶T，制造出金屬模具/零件。

3.2 CAD模型間接驅(qū)動(dòng)鑄型成形的金屬零件/模具制造

首先，將金屬模具/零件的三維CAD模型設(shè)計(jì)出來(lái)，并且還需要一起設(shè)計(jì)出冒口、澆口，以便能夠更好地模擬金屬收縮率的凝固過(guò)程；其次，對(duì)金屬收縮率的凝固過(guò)程用MARC軟件來(lái)予以模擬試驗(yàn)，并且對(duì)零件與鑄型之間的工藝參數(shù)和邊界條件進(jìn)行優(yōu)化，以便能夠更好地確定出金屬的收縮率，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤關(guān)鍵尺寸，進(jìn)而有效地保障了最終設(shè)計(jì)出來(lái)的金屬模具/零件的尺寸精度；最后，對(duì)CAD模型進(jìn)行優(yōu)化，并且用來(lái)驅(qū)動(dòng)制造出所需要的鑄造用模樣和快速原型。

有機(jī)地結(jié)合鑄造技術(shù)和快速原形技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量試制金屬零件的低成本、快速制造。利用BMP工藝、FDM工藝、SGC工藝、SLS工藝能夠直接CAD驅(qū)動(dòng)制造蠟?zāi)Ｔ停⑶覍⑵鋺?yīng)用于熔模鑄造工藝中。例如：基于FDM原型快速制造金屬模具/零件，將熔模鑄造中的蠟?zāi)Ｓ肍DM原型來(lái)予以代替，并且將耐火漿料直接涂掛在FDM模上；當(dāng)固化耐火漿料之后，再將FDM原型予以培燒除去，待其只余下鑄造用型殼之后進(jìn)行鑄注，特別適合應(yīng)用于中小型、復(fù)雜程度居中的金屬零件/模具制造生產(chǎn)。

快速原型技術(shù)（RP技術(shù)）也能夠與陶瓷型鑄造、石膏型鑄造、砂型鑄造等進(jìn)行直接結(jié)合，制造出具有高機(jī)械強(qiáng)度、高硬度的金屬零件/模具，而且所制造出來(lái)的原型具有高耐用性，變形、收縮小，不會(huì)出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象，內(nèi)部應(yīng)力小。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，快速原型與鑄造技術(shù)的集成成形制造能夠最大化地發(fā)揮出鑄造技術(shù)和快速成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)θ毕萦枰灶A(yù)先消除，成本低、制造速度快，能夠?qū)?fù)雜零件予以快速制造，值得推廣應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：王恩祿（1972-），男，黑龍江佳木斯人，佳木斯大學(xué)液壓件廠高級(jí)工程師，研究方向：金屬成型。

（責(zé)任編輯：蔣建華）