基于光固化快速成型的精密鑄造工藝分析

余東滿，李曉靜

(河南工業職業技術學院，河南南陽473009)

在我國精密鑄造領域主要存在3 個難題: (1)生產效率不夠高，導致產品的成本難以控制; (2)造型無法再次利用，生產規模較小; (3)造型原材料利用率低，生產現場環境差。這也是鑄造行業被視為工藝原始、效率低下、污染嚴重的重要原因。如果將快速成型技術和精密鑄造技術結合起來，可以有效地解決這些難題，從而提高產品的競爭力［1］。

快速成型(Rapid Prototyping，RP)技術是一種直接利用CAD 數據制造產品零部件的快速制造技術。主要優勢在于快速成型技術的柔性高，速度快，不需要工裝、刀具即可完成復雜形狀產品的制造，是一種“無模制造”技術，快速成型技術可以縮短產品的設計和生產周期，降低產品的生產成本，并提高產品的制造質量。光固化快速成型技術又被稱為立體光刻成型(Stereo Lithography Apparatus，SLA)技術，這是一種利用液態光敏樹脂的光聚合原理的快速成型技術，其特點是不僅制造的速度快、精度高，并且使整個設計和制造過程能夠脫離車間而在辦公室內進行［2］。

精密鑄造技術是一種采用易熔材料制作模樣，并用耐火材料包覆后制成型殼，再放置高溫環境下將模樣熔化排出，得到無分型面的鑄型，高溫焙燒后澆注金屬，從而獲得高精度成品的精密鑄造技術，也被稱為熔模鑄造［3］。利用精密鑄造技術可以獲得精密的鑄件，不加工或少量加工就能直接使用。

快速成型技術和精密鑄造技術具有聯系性和互補性，一方面兩者都適合制造形狀復雜的零件，另一方面沒有快速成型技術，熔模的生產就是精密鑄造的瓶頸階段;而沒有精密鑄造，快速成型技術的應用就有很大的局限性［4］。基于光固化成型的快速精鑄技術具有光固化成型與精密鑄造的優勢: (1)柔性好，能夠制造形狀復雜零件;(2)能對產品進行整體制造;(3)能制造合金產品;(4)無需模具和工裝，降低成本; (5)由CAD 數據制造，產品修正方便快捷。而采用光敏樹脂材料取代蠟模，能夠提高熔模的生產效率，這對于精密鑄造行業有著重要意義。

1 工藝原理與流程

快速精密鑄造技術要先通過CAD 數據模型，采用快速成型技術制得模樣原型，如通過SLA 技術制得光敏樹脂材料模樣原型，然后采用掛漿淋砂法在光敏樹脂模樣上涂掛耐火型殼，通過高溫焙燒使光敏樹脂模樣燃燒去除，最后進行金屬澆注得到產品，從而實現高速制造和降低成本的目的。快速精密鑄造技術工藝流程見圖1。

采用光固化原型代替蠟模鑄造功能零件，這一工藝方法能為數量較少及單件復雜精密零件成型提供無模具的快捷制造方法［5］。由于是通過CAD 數據模型開始制造的，因此在得到產品后進行測量，可以直接修正CAD 數據，從而快速獲得精確的產品，這為新產品的研制開發提供了更有效率的技術途徑。

圖1 快速精密鑄造技術工藝流程

2 快速精密鑄造工藝

文中通過國營11 廠加工出的渦輪葉片說明快速精密鑄造工藝流程。首先要使用渦輪葉片的三維CAD 數據模型，通過SPS600 快速成型機獲得其樹脂模樣，然后依靠模樣形成耐火型殼中型腔的模型，采用熔模鑄造法澆注出金屬型葉片［6］。SPS600 快速成型機及其工作原理如圖2 所示。

圖2 光固化快速成型機實物照片及成型原理示意圖

2.1 快速成型

快速精密鑄造工藝的第一步就是制作模樣。模樣是金屬產品的原型，也是耐火型殼中型腔的模型，模樣的精度直接影響金屬鑄件的產品質量。因此，模樣應該具有很高的尺寸精度和表面光潔度。此外熔模本身的性能還應盡可能使隨后的制造型殼等工序簡單易行［7］。

采用光固化快速成型方法制作模樣，要先將產品的CAD 數據模樣轉化成STL (STereo Lithography)文件格式，渦輪葉片的CAD 設計模型如圖3 (a)所示。然后對STL 文件進行分層處理，得到離散的一系列的二維形狀層片。在制作過程中，光敏樹脂材料被紫外光照射產生聚合反應，由液態轉換為固態，通過掃描二維層片進行逐層固化疊加，最終得到三維的實體原型。生產的三維樹脂原型如3 (b)所示。

圖3 渦輪葉片的模型

2.2 制造型殼

2.2.1 選用材料

樹脂模樣制作完后，要在其外覆蓋耐火材料制成型殼。用來制作型殼的材料有兩種:一種是直接形成型殼的材料，如耐火材料、黏結劑等，主要有石英和剛玉;另一類是硬化劑、表面活性劑材料，如硅酸乙酯水解液、水玻璃和硅溶膠等。

2.2.2 制殼工藝

(1)除油與脫脂。為了提高制造精度和涂料潤濕模組表面的能力，在制殼前，要先將模樣表面的油污清理干凈。

(2)添加導氣孔。在樹脂模樣上安裝蠟棒，使模樣在受熱時能將模殼內的壓力導出，防止型殼脹裂，并使高溫下燃燒更加充分，灰分殘留較低。

(3)連接澆道。依照通常的方法連接澆道，使得蠟與樹脂兩種不同的材料可以粘接牢固。

(4)掛漿與淋砂。將模樣浸泡在漿料中，從而使漿料能夠充分地潤濕樹脂模樣，并在其表面覆蓋均勻，然后進行淋砂。

(5)干燥與硬化。每層型殼都要進行，通過干燥與硬化工序，使漿料中的黏結劑由溶膠轉變為凝膠，從而將耐火材料粘結牢固。

(6)疏通氣孔。脫蠟前破開氣孔蠟棒頂端的外殼，用燒紅的鐵絲刺透蠟棒，形成空氣貫通孔。

(7)脫蠟處理。待型殼硬化，需要將模組熔去。通常采用蒸汽脫蠟的方式進行:溫度165 ℃，壓力0.35 MPa，時間10 ～15 min。脫蠟后樹脂模不發生明顯形變，對外殼影響小。

(8)焙燒型殼。焙燒型殼時要先將型殼埋入箱內的砂粒之中，再裝爐焙燒。通常的入爐溫度是750℃，之后升高到900 ～1 100 ℃保持2 h。在型殼焙燒的同時，脫脂氣化同步進行。

2.3 澆鑄鑄件

2.3.1 工藝參數

選擇20CrNiMo 作為材料，要求成型零件應具有空間交錯結構，變截面氣膜孔，形狀完整，輪廓清晰。外部矩形尺寸4.5 mm×2.25 mm，內部矩形尺寸2 mm×1.8 mm。

2.3.2 澆注鑄件

采用熱型重力澆注進行澆注，具體方法是將型殼從焙燒爐中取出，在高溫環境下進行澆注。這種方法的優點在于高溫環境下澆注金屬的流動性比較好，可以很好地將鑄型填充，獲得的鑄件能夠精確地復制型腔的形狀，鑄造精度比較高。缺點是在熱型中澆注，金屬冷卻速度慢，導致金屬晶粒粗大，從而使鑄件的機械性能下降。此外，在澆注碳鋼材料時，鑄件的冷卻速度較慢還易氧化和脫碳，對鑄件的硬度、光潔度和尺寸精度造成影響。

2.3.3 清理鑄件

清理鑄件的方法:(1)去除鑄件上的型殼;(2)將鑄件從澆注系統上取下; (3)將鑄件上粘附的型殼耐火材料去除; (4)清理鑄件在熱處理之后的氧化皮、切邊和切割澆口殘余等。渦輪葉片的陶瓷鑄型和精密鑄件分別如圖4 (a)、(b)所示。

圖4 渦輪葉片的模型

3 結論

通過采用光固化快速成型技術獲取樹脂材料模樣，隨后用不同的金屬材料(不銹鋼和鋁)進行精密鑄造，分為3 組鑄件進行加工試驗，小批量試生產30 件均獲得了成功。加工試驗證實:基于快速成型技術的快速精密鑄造工藝能夠完全省去傳統易熔模鑄造工藝中的模具加工環節，解決了傳統鑄造中模具制造難度大、周期長、費用高的難題，縮短了生產時間，降低了生產成本。此外，快速精密鑄造工藝的柔性較好，可以加工形狀較為復雜的零件，為小批量精密熔模快速鑄造工藝提供了一種新的手段。

［1］劉偉軍．快速成型技術及應用［M］．北京:機械工業出版社，2006．

［2］張宇紅，曾俊華，洪軍．大型零件光固化快速成型工藝研究［J］．計算機集成制造系統，2007(3):553－557．

［3］李邦盛，任明星，傅恒志．微精密鑄造工藝研究進展［J］．鑄造，2007，56(7):673－678．

［4］彭艷鋒．激光快速成型與傳統精密鑄造技術的工藝組合應用［J］．航天制造技術，2005(5):25－28．

［5］傅蔡安．精密熔模鑄造小批量快速制造法的研究［J］．成組技術與生產現代化，2007，24(3):52－54．

［6］佚名．SLA 樹脂模精密鑄造工藝項目驗收報告［R］．陜西，2009．

［7］韓偉，于望生，孔勝國．無余量精密鑄造大型渦輪葉片模具設計［J］．特種鑄造及有色合金，2008，28(11):864－865．