快速成型技術在熔模精密鑄造中的應用

馮慶輝 錢文勇

摘 要：快速成型技術是高柔性的現代化制造工藝，在無專門工具的情況下直接完成零部件的成型制備。快速成型技術在熔模精密鑄造中的有效應用，可滿足新產品的試制與小批量的生產要求。本文即從快速成型技術出發，從組合工藝、蠟模組焊、制殼工藝以及產品實例等方面，深入分析了快速成型技術在熔模精密鑄造中的具體應用，以促進二者的緊密融合。

關鍵詞：快速成型技術；精密鑄造；應用；蠟模

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.040

近年來，隨著我國市場經濟制度的逐步完善與國家綜合實力的迅速提升，航空航天以及國防科技開始成為國家重點發展的行業。航天探測、國防建設、汽車生產等均離不開金屬零件，這些金屬零件不僅是上述產業的必要物質基礎，更具有著結構復雜、精細化程度高等特點。部分金屬零件的結構并不對稱，甚至存在著多種類型的不規則曲面，這顯著增加了金屬零件的鑄造難度。傳統的金屬部件鑄造技術需要通過設計母模或過渡模來完成復制，耗時長、成本高且制造困難，快速成型技術的形成則解決了這一難題。快速成型技術可在短時間內快捷的制備出蠟模或可消失熔模，增強了精密鑄造的效率與柔性。本文即分析了快速成型技術在熔模精密鑄造中的應用。

1 快速成型技術及制作流程

快速成型技術，英文表達為Rapid Prototyping Manufacturing，可簡稱為RPM，它主要包含三種成型制造方法，分別是SLS、SLA以及SLM。與傳統的制造工藝相比，快速成型技術同時融合了計算機輔助設計技術、數控技術、材料技術等諸多新型科技手段，具有高柔性、低成本、方便快捷等優勢。通常情況下，快速成型技術的工藝流程主要包含三項步驟：第一，利用計算機設計軟件形成待生產產品的三維實體模型，并將該三維模型轉換為RP文件標準的STL格式，若模型轉換過程中發生了錯誤，設計人員應及時查驗并予以修補。第二，整理上述環節中形成的每一片層的資料，并發送至快速自動成型機中。第三，在產品的快速制造過程中，技術人員以激光作為產品快速成型加工的加熱源，采取材料添加法，將每一層燒結或熔結，逐步將各層連結在一起，直至制備出完整的零件產品。

2 快速成型技術在熔模精密鑄造中的應用

2.1 快速成型與熔模精密鑄造的組合工藝

熔模精密鑄造是當前我國零件制造方法中的核心組成，具有著廣泛的應用，其精確度高、可重復性好且工作量少。與其他鑄造方法不同的是，精密鑄造以蠟模或其它可消失模用的模具為基礎，其鑄造效率取決于鑄件的結構和尺寸，通常情況下，精密鑄造的鑄件需要耗時幾周到幾個月不等。待模具設計與加工完成后，并不能立刻投入使用，而需要進一步制備蠟模和型殼。在生產量較小的情況下，模具設計與制造往往需要分攤高昂的成本。

快速成型技術可在較大程度上解決傳統鑄造工藝的問題，其不需制造模具，即可直接成型精鑄蠟模。運用激光快速成型法制作的蠟模所采用的材料主要是石蠟粉末，通過激光束層層燒結而成。此種成型技術可廣泛應用于不同材料，包含石蠟粉末、陶瓷粉末、金屬粉末等，利用陶瓷粉末制備陶瓷型殼，利用金屬粉末則可制備出金屬模具。快速成型技術與熔模精密鑄造的緊密融合重點包含三種情況：其一，成型蠟模或消失模，適用于小批量鑄造結構復雜的零件；其二，直接型殼法，其特點是批量小；其三，快速成型蠟模模具，該方法主要應用于大批量的零件鑄造。

2.2 蠟模的尺寸與組焊

蠟模是快速成型技術得以廣泛應用的基礎，其在具體的零件成型鑄造中至關重要。一般狀態下，鑄造人員應尤其注意蠟模的尺寸與組焊。首先，蠟模的尺寸設計。蠟模的尺寸大小會受到多種因素的共同影響，如蠟模收縮率、合金收縮率、模殼膨脹系數以及可采用的工藝技術等，因此，鑄造人員必須綜合考量。通常，蠟模的收縮率需要經過實驗方可確定。若鑄造人員選用Pro/E制備產品零件的三維造型，隨后進行格式的轉換，待技術人員明確收縮率之后，可通過Magies RP軟件對零件進行適當的放縮處理，這可在較大程度上保障蠟模尺寸符合需求。除此之外，合金或模殼的種類也是影響線收縮性的重要因素，為排除這二者的影響，鑄造人員需首先確定鑄件的實際尺寸，再針對性的調整蠟模尺寸，從而優化蠟模與鑄件的質量。其次，蠟模的組焊。通過快速成型技術制備的蠟模原型具有較高的質量要求，不僅不能產生任何形變，且尺寸精準無誤差。蠟模原型經過相應的整潔處理即可進行阻焊、粘粘等。蠟模澆注需采取性能一致或近似的中溫蠟，以增強蠟模粘粘的穩定性。蠟模的組焊需注意內澆口長度和間距，以便于冒口補縮。

2.3 型殼制備的工藝要求

與傳統的制造工藝不同，快速成型技術制備生成的蠟模不僅具有較強的涂掛性能，且能夠使用原工藝進行涂料的配置、粘漿以及撒砂等。一般情況下，我國目前多通用的粘結劑主要是硅溶膠或硅酸乙酯，錯英粉則是應用最廣泛的耐火材料。快速成型技術在熔模精確鑄造的應用中，采用的燒結粉料一經融化即可產生較高的溫度，四周環境中的氣體也無法流動，這使得型殼無法采用蒸汽脫蠟技術，然而，利用純氧環境，技術人員可選擇高溫焙燒法，從而達到去除蠟模的目的。

3 結論

綜上所述，快速成型技術作為現階段我國零件產品制造的主要方法，其在熔模精密鑄造中具有著良好的應用，如結構復雜的四缸發動機缸體、鋁合金接管以及進氣歧管等。與傳統的制造方法相比，快速成型技術不僅具備較強的柔性，且能夠在較大程度上突破以往金屬鑄件在形狀、結構等方面的限制，有效縮短制造周期、降低制造成本，真正實現零部件鑄造產業的低投資、高回報。快速成型技術與熔模精密鑄造是緊密融合、相互補充的，二者缺一不可，共同推動著我國零件鑄造水平的提升，并為航天航空與國防事業做出貢獻。

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