基于SLS原型的石膏型熔模精密鑄造在零部件開發中的應用

王翠芳+趙輝+孫備

摘 要：快速成型技術與精密鑄造相結合的應用不僅解決了復雜零部件的制造，而且其制造周期短、成本低、應用范圍廣。文章通過一種發動機的氣門室罩蓋樣件制造，介紹了基于SLS（激光選區燒結）原型的石膏型熔模精密鑄造的工藝流程及鑄造過程中出現問題的解決方案。

關鍵詞：快速成型；熔模精密鑄造；激光選區燒結

1 概述

隨著汽車工業迅猛的發展，市場競爭愈演愈烈，對于汽車零部件的開發也提出了新的要求，特別是需要重復試驗和調整的零件，如發動機氣門室罩蓋小批量生產，因此新產品的開發對于低成本、快速樣件鑄造有著迫切的需求。快速原型制造（Rapid Prototyping，RP）因其快速和經濟的特點為零部件快速開發提供技術支撐。在多種快速成型工藝中，激光選區燒結（Selective Laser Sintering，SLS）由于燒結原材料選擇范圍廣泛，多余材料易于清理，工藝及操作集成化、簡單化和自動化，而且可燒結結構復雜的樣件，應用較為廣泛。本文通過一種發動機氣門室罩蓋的快速成型樣件的制造為例，介紹基于SLS的石膏型熔模鑄造的工藝流程以及在鑄造中出現的問題及其解決方案。

2 基于SLS的石膏型熔模鑄造工藝流程

基于SLS的石膏型熔模精密鑄造是將快速成型技術與精密鑄造相結合的一種快速、經濟制造零件樣件技術。其工藝流程如下：

2.1 SLS三維實體模型制造

激光選區燒結系統是通過Creo軟件繪制零件的三維實體造型，將三維實體造型轉換為快速成型領域最常用的STL格式，它采用大量的三角形面網來逼近三維實體表面，分辨率越高，越接近理想實體造型表面，但會影響電腦對數據的處理速度，應合理選擇分辨率，通過STL網格模型所提供的幾何信息，切片軟件對零件模型進行分層切片，得到一定厚度的封閉切片，激光選區燒結系統的激光束在計算機的控制下，根據切片中的輪廓信息，有選擇性的燒結PS（Polystyrene，聚苯乙烯）粉末材料，從而還原各封閉切片的實體輪廓，本層面燒結完成后，工作臺下降一個層面，鋪上新的粉末，按照上面方法進行下個層面的燒結，如此反復，逐步堆積成SLS三維實體模型，可通過軟件對零件分層厚度、激光功率、掃描間距、掃描速度進行設置，得到最佳的工藝參數。經過滲蠟處理，直接得到蠟模，如表面有缺陷，需進行表面修整處理。

2.2 SLS原型制殼工藝

制殼過程是快速成型鑄造中關鍵的工藝，制殼過程要很好地復制SLS原型的尺寸參數以及外觀質量，同時還要設計好合理的澆冒口，才能形成一個完整的澆注系統組件。在SLS蠟模的基礎上，用蠟料焊接組合成澆道及澆冒口，組裝并固定于灌漿用的沙箱平板上，組模過程中為防止石膏型懸空斷裂，需要在局部做龍骨以加強石膏型強度，并在易于憋氣的地方進行石膏漿預灌。

灌漿時先將蠟模與沙箱放入灌漿爐內，通過一套真空系統把灌漿爐內抽成真空，隨后通過送料口將石膏漿灌入箱內，這樣可以有效防止石膏型在灌漿過程中因為憋氣而導致鑄造缺陷，灌漿后等到石膏失水凝結到一定程度后放入脫蠟爐內進行脫蠟處理。SLS燒結模型用的PS粉熔點在200度以上，脫蠟過程中PS粉模型還存留在石膏型中，溫度繼續升高到100℃左右時，石膏型中的水份變為水蒸汽逸出，此時應控制溫升不易過快，防止石膏型開裂，為使SLS燒結的模型及滲入石膏型中的蠟料燒盡，焙燒爐內溫度需提高到700℃左右，為防止石膏型開裂，焙燒過程中溫升不易過快，特別是在相變位置。為了把蠟模排凈需要將石膏型在焙燒爐內焙燒一定時間，以保證蠟料全部排出，而不是留在石膏型內。焙燒過程中石膏型失水引起的收縮與石膏漿中的添加劑引起的膨脹相互抵消，減小石膏型因為焙燒引起的變形。

2.3 澆鑄過程

石膏型焙燒后待溫度冷卻至300℃左右時放入真空澆鑄罐內，根據鑄件大小先將鋁合金澆包放入罐內指定位置，合上真空澆鑄罐，通過真空泵使罐內產生一定的負壓，然后通過真空澆鑄機的視窗澆鑄，澆鑄完成后向真空澆鑄機內加壓，并保壓至鋁合金凝固。石膏型導熱性差，鑄件結晶粗大，鑄件冷卻也比較慢，需等到鑄件完全冷卻后才可以進行清理石膏。

多數情況下，石膏型澆鑄不另設冒口補縮，而是在壁厚較大部位加冷鐵，盡量使鑄件各部位同時凝固，澆鑄時澆道采用分散引入方式，避免過熱。

2.4 清理

等箱體完全冷卻后，就可以打開箱體，清理石膏，對于簡單的腔體件，采用清理工具及高壓水槍就可以將石膏清理干凈，對于復雜的具有內腔的零部件，清理時較為困難，設計時就需要考慮清理石膏的通道，在不影響零件強度的情況下，可預留清理石膏孔，后續可以通過機加工的方式將孔堵上，從而滿足使用性能。

2.5 熱處理

本氣門室罩蓋鑄件采用ZL101A，鑄件經T6處理達到氣門室罩蓋要求的性能，其熱處理工藝參數如下：

3 結束語

通過樣件尺寸檢測和裝機試驗，該樣件能夠滿足功能需求，驗證了快速成型技術和精密鑄造技術相結合所帶來的巨大的經濟利益，它能夠縮短新產品的開發周期，降低開發成本，而且從簡單零件到復雜零件均能使用，因此基于SLS原型的石膏型熔模精密鑄造在新產品開發過程中具有突出優勢。

參考文獻

[1]溫彤，朱軍.基于SLS的石膏型熔模鑄造成型工藝及質量控[J].鑄造，2011，60（10）：972-974.

[2]李小飛，朱東彬，董俊慧.激光選區燒結及其在精密制造業中的應用[J].光學精密工程，2013，21（5）：1222-1227.