快速鑄造技術(shù)在零件生產(chǎn)中的應(yīng)用

呂樂華，馮志明，張杰瓊，許海鐸，王世杰，郭亞輝，范隨長

（中國一拖集團有限公司制造工程中心，河南洛陽 471003）

隨著現(xiàn)代工業(yè)不斷進步以及機械行業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)鑄造已經(jīng)不能滿足零件低成本、短周期以及綠色高效的需求。快速成形技術(shù)是20 世紀80 年代發(fā)展起來的先進制造技術(shù)的重要組成部分，可以在一定程度上提高零件的生產(chǎn)效率，但在產(chǎn)品精度與強度等方面還存在一定的問題[1]。

1 快速鑄造技術(shù)

傳統(tǒng)鑄造首先需要根據(jù)鑄件特點設(shè)計鑄造工藝，制作模具、芯盒等，然后利用模具、芯盒等造型、組型、澆注獲得需要的鑄件，由于模具或芯盒的制作周期較長，成本較高，所以鑄件從工藝設(shè)計、開模到生產(chǎn)需要很長一段時間。快速鑄造技術(shù)是將快速成型與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)有效結(jié)合，利用快速成形技術(shù)直接或間接制造鑄造用的模型、模板、鑄型、型芯等，然后結(jié)合傳統(tǒng)的鑄造工藝手段，快速制造金屬零件的技術(shù)[2，3]。快速鑄造技術(shù)不需要制作模具，只需要將復雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加，極大的提高了生產(chǎn)效率。特別是在新工藝驗證、新產(chǎn)品開發(fā)、試制、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進或升級等單件小批量生產(chǎn)中，快速鑄造技術(shù)能夠發(fā)揮其快速高效的特點，大大縮短零件的生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。

圖1 傳統(tǒng)鑄造與快速鑄造的對比

在日常的試驗、試制或小批量生產(chǎn)中，我們會根據(jù)產(chǎn)品的特點、交貨周期、成本以及不同快速成形技術(shù)的優(yōu)缺點適當選擇合適的成形技術(shù)（增材、減材或增減材結(jié)合），保證產(chǎn)品能夠及時交付。

2 增材制造在零件生產(chǎn)中的應(yīng)用

增材制造俗稱3D 打印，融合了計算機輔助設(shè)計、材料加工與成型技術(shù)、以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫(yī)用生物材料、按照一定的方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術(shù)。常見的增材制造方式有3DP（三維印刷）、SLS（選擇性激光燒結(jié)）、FDM（熔融沉積）、SLA（光固化成形）、LOM（分層實體成形）等。本文主要介紹3DP 技術(shù)和SLS技術(shù)在零件生產(chǎn)中的應(yīng)用。

2.1 SLS 技術(shù)在傳動箱殼體上的應(yīng)用

SLS 技術(shù)是利用CO2激光發(fā)射器對粉末層進行掃描燒結(jié)，被照射的粉末融化并凝固在一起，鋪粉輥根據(jù)設(shè)定的單層厚度鋪粉，激光發(fā)射器繼續(xù)進行掃描，反復實施這個過程，使燒結(jié)成形的固化層層層疊加，生成所需要的零件或砂芯[4]。

某型號后橋殼體在產(chǎn)品設(shè)計階段需要試制3件，進行驗證和試加工。其結(jié)構(gòu)比較復雜，采用傳統(tǒng)鑄造方式，制作模具時間至少需要一個月，周期比較長，不能滿足新產(chǎn)品設(shè)計和試制階段快速響應(yīng)的需求。而且后期產(chǎn)品可能會有改動，如果制作模具，費用比較高，且修改模具比較麻煩，甚至可能造成模具修改難度大或無法修改，所以考慮采用快速鑄造的方式來完成試制。考慮到生產(chǎn)成本和砂型裝配精度的問題，上下砂型較為簡單，采用減材加工，砂芯比較大且復雜，為了便于裝配，故將砂芯分為三部分，采用激光燒結(jié)的方式來成形。該零件從工藝設(shè)計到生產(chǎn)出3 件合格的鑄件，僅僅用時十天時間，比傳統(tǒng)鑄造節(jié)省了近3/4 的時間。

2.2 3DP 技術(shù)在油底殼上的應(yīng)用

3DP 是一種利用噴頭的運動，將液滴選擇性噴射在粉床表面，通過粘結(jié)劑與混入固化劑的砂子的綜合作用將選定的區(qū)域固化成型的快速成型技術(shù)。與SLS 技術(shù)比較，具有成型速度快、可以整體成型較大零件、無熱應(yīng)力殘余以及設(shè)備成本和運行成本低等突出優(yōu)點[5]。

圖2 后橋殼體砂型與鑄件

圖3 油底殼砂型與鑄件

某油底殼產(chǎn)品屬于新產(chǎn)品小批量生產(chǎn)，傳統(tǒng)鑄造需要制作模具，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，需要制作多個芯盒，工序繁瑣。由于客戶需要在10 天之內(nèi)交付8 件產(chǎn)品，故采用打印效率較高的3DP 技術(shù)，不需要考慮零件的分型、拔模斜度等一系列傳統(tǒng)鑄造的問題。將砂型分為上下兩型，傳統(tǒng)鑄造的上下型和砂芯一體化，省去了組型、下芯等工序，避免了砂芯相互組合帶來的尺寸精度誤差，對于提高鑄件尺寸精度起到很好的保障作用。

3 減材制造在零件小批量生產(chǎn)中的應(yīng)用

減材制造技術(shù)類似于加工中心對金屬件的加工原理，不同的是在數(shù)字化成形材料、刀具、軟件、工藝和設(shè)備等方面有所創(chuàng)新[6]。

調(diào)整螺母的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，尺寸較小，重量較輕，需要100 件產(chǎn)品，屬于小批量生產(chǎn)，但是由于其四周有較多的齒，傳統(tǒng)鑄造的方式采用從中間分型，上下兩開箱的造型方式，造型效率比較低，操作麻煩，不容易起模，齒容易錯位造成廢品，同時由于其市場價值不高，故采用減材制造的方式，將整個模型加工在下型，上型制作為蓋板，一型八件，既保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，又提高了生產(chǎn)效率。該零件在3 天之內(nèi)全部交付客戶，且沒有廢品。

圖4 調(diào)整螺母砂型與鑄件

4 結(jié)束語

（1）充分發(fā)揮快速鑄造的優(yōu)勢和特點，根據(jù)不同零件的個性化需要，采用不同的快速鑄造技術(shù)，大大縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本。

（2）快速鑄造技術(shù)很適合單件和小批量的生產(chǎn)，能夠針對市場需求做出快速反應(yīng)，在未來鑄造行業(yè)有廣闊的應(yīng)用前景。