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1、数字化无模铸造技术 吴智洲,目录,无模铸造的背景意义,无模铸造技术简介,无模铸造与传统造型的对比,无模铸造的应用,传统的手工砂箱造型,传统的手工砂型铸造是指用型砂紧实成铸型并用重力浇注的铸造方法。钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。,图1 传统的手工砂型铸造,随着汽车、机床等现今制造业技术的高速进步，以及核电、航空航天、国防军工等重大装备和重大工程的实施，铸造产品发展的趋势要求更好的综合性能，更高的精度，更少的余量，更好的表面质量，更复杂的结构。同时，节能降耗、减少污染也是现代制造业的迫切要求。 反观传统铸造工艺，为了达到要求，木模、金属模等的制作过程耗时耗力，动辄以月为单位的开
2、发周期，拖了制造后腿。,铸造生产中，砂型铸造应用最广泛，世界上大约80%的铸件都采用木模、金属模等进行砂型铸造。 目前，我国有3 万多家的铸造企业，2011 年我国铸件年产量超过了4000 万吨，消耗了大量木材和金属。 进步，从不要木模开始。,无模铸造技术,数字化无模铸造精密成型技术，简称无模铸造技术，是计算机、自动控制、新材料、铸造等技术的集成和原始创新：由三维CAD模型直接驱动铸型制造，不需要模具缩短了铸造流程，实现了数字化铸造、快速制造。,图2 技术流程图,目录,无模铸造的背景意义,无模铸造技术简介,无模铸造与传统造型的对比,无模铸造的应用,无模铸型的数字化快速制造技术是近来国内外在近净
3、成形技术方面研究的新热点，它是建立在新材料、机电一体化、计算机技术、自动化技术、数值分析和模拟技术等多学科高新技术成果基础上，改造了传统的毛坯成形技术，为单件小批量零件的快速制造提供解决方案。 数字化快速铸造技术将是装备行业快速铸件制造技术的发展方向。目前无模铸型的数字化快速制造主要包括离散堆积成形技术和去除加工成形技术。,离散堆积成形技术,选择性激光烧结铸型制造工艺（SLS）、3D打印工艺等,数控铣削铸造工艺等,基于离散堆积原理的无模铸型制造技术近年来取得一定进展，通过以铸造用的陶瓷粉末或型砂为原料，在CAD 模型驱动下通过快速成形机，可以直接制成铸造用的型壳。在CAD 环境中，直接将零件模
4、型转换为壳型，再配以浇冒口系统。型壳的厚度可取510mm，烧结或粘接过程中，非零件部分进行烧结或粘接，零件部分仍是粉末。造型完成后将粉末倒出，再经固化处理就获得铸造用的型壳。用此方法，省去传统精密铸造过程中蜡型、泡沫塑料模、木模的制作等多种工艺过程，是传统铸造过程的重大变革。,激光烧结技术,图3 激光选取烧结工艺示意图,目前，SLS直接砂型制造的方法有两种，直接烧结工艺和间接烧结工艺。2003年新加坡国立大学对硅砂的直接烧结工艺进行研究，提出由于硅砂中少量Al2O3的存在可降低砂粒表面的熔点，因此无需粘结剂即可烧结的观点。此方法激光功率在140200W之间，但成形速度较慢，制造周期较长，且它对
5、设备要求高，因此未得到广泛地应用。目前普遍采用的是间接烧结工艺，即烧结表面覆有热塑性粘结剂的覆膜砂，酚醛树脂的固化温度不高，激光功率只要求在25100W内。完成的砂型（芯）强度较低，需经过进一步的后固化处理，其固化温度一般控制在200280。,激光烧结技术,使用覆膜砂材料烧结完成的砂型经过二次烘烤固化后， 应用组芯浇注工艺进行生产， 适用于大部分可应用组芯工艺生产的铸铁及铸铝件。使用聚苯乙烯粉末烧结的工件进行渗蜡后可应用精铸工艺进行生产， 适用于融模、陶瓷型等精铸工艺的铸件生产。激光选区烧结工艺受设备成型空间及加工效率的影响， 不适合于大型件的生产。 德国EOS 公司利用选区激光烧结工艺进行砂
6、型、塑料等模型的制造技术、一直处于世界领先地位， 近几年随着国内在该项技术方面的研究及发展， 技术水平已经与国外接近， 甚至在成型空间及某些材料加工领域已超越国外。,3D打印技术,三维打印是通过粘结剂将粉末材料连接成成型物体的工艺。可二维运动的机构带动喷头在计算机控制下， 按照零件轮廓形状将液体材料有选择性地喷涂在粉末材料上， 使粉末材料与液体材料进行反应而完成当前层的固化。每一层完成后工作台下降一定高度， 铺上一层新的粉末， 重复以上喷涂的工作， 最终将整个零件制作完成， 见图4。目前该工艺常用的原材料有铸造砂、陶瓷粉等。根据成型材料及成型工艺不同， 所喷涂的液体材料也不同。有的直接将粘结剂
7、喷涂在粉末材料上， 如在陶瓷粉末上喷涂硅溶胶； 也有将粘结剂喷涂在预先混制固化剂的铸造砂粉末上完成固化； 还有将树脂及固化剂分两次喷涂在铸造砂粉末上以完成固化。,图4 三维打印工艺示意图,3D打印技术,使用陶瓷粉为原材料制作的陶瓷型经过二次焙烧固化后， 可结合陶瓷型精铸工艺进行铸件生产。使用铸造砂为原材料制作的砂型， 可直接用于铸件组芯工艺铸造。 ExOne公司的ProMetal RCT技术是一种专门制作铸造砂型的3DP技术，其成形材料为树脂砂，其型砂多为硅砂、合成砂及其他的铸造介质。成形件（砂型）不需要特别的后处理工序，进行清扫后就可以用于铸造生产。ProMetal RCT技术的工作空间达到
8、1800mm1000mm 700mm，层厚为0.280.50mm，打印速度为59400108000cm3/h，可用于大型铸型的制造。ProMetal RCT技术打印的砂型见图5。,图5 ProMetal RCT技术打印的砂型,直接壳型铸造工艺(DSPC),美国Soligen 公司根据3DP 原理开发的直接壳型铸造工艺(DSPC)，该技术使用陶瓷粉末为造型材料，粘接材料选用硅溶胶。由于陶瓷粉末颗粒尺寸在75150 之间，所以DSPC 工艺造型的表面质量较高，但这种硅酸盐水溶液分层粘接起来的陶瓷铸型强度较低，必须经过焙烧之后才能用于浇注金属，如果是大型铸件的铸型就需要价格高昂、体积庞大的加热设备，
9、所以DSPC 工艺不适合大中型铸件的生产。图6为采用该工艺制造的铸型。,图6 直接壳型制造的铸型,GS(Generis sand)工艺,德国Generis 公司开发，其工艺路线是将砂粒铺平之后，先用多通道喷头向砂床均匀喷洒树脂，然后由一个喷头依据轮廓路径喷射催化剂，催化剂遇树脂后发生胶联反应，使铸型层层固化堆积成形。该工艺砂箱尺寸可达1500750750mm，分层厚度可达0.3mm，可用于制造大中型铸型，但其缺点是十分明显的，由于树脂喷洒在整个砂床表面，铸型制作完毕后是在含有树脂的砂包围之中，这样给后续取砂型时清砂带来困难，需特殊处理工序，同时也影响了砂型的精度和表面质量。,由于数控技术的快速
10、发展，基于去除原理的快速加工制造技术在机械工业中得到快速应用。目前已经广泛应用于零件加工、模具制造中，然而工业发达国家目前将数控加工技术应用于制造铸型，是传统铸造工业的重大变革。在CAD模型驱动下，直接采用数控机床加工砂型，获得浇注的铸型，不需要传统的铸造模样，不仅制造速度快，而且精度高。由于在封闭环境中加工，成形过程中的废弃物如粉尘、废气、废渣等可以得到回收。,图7 DMM 加工铸型示意 图8 DMM加工油过滤器铸型与金属件 (加工数据生成: 3 小时；铸型加工6.5 小时/个；尺寸: 600 x 500 x 340 mm；从CAD 数据到交货时间：8 天),根据国内外文献资料检索，目前德国
11、的AcTech 公司研发了该项技术，并且该公司于1998年申请了关于“直接制造用于金属铸件的消失模铸型的设备及方法”的专利，并于1999在整个欧洲范围内申请了专利。此外，该公司还在日本、美国和加拿大申请了相关专利。目前AcTech 公司有2台用于直接加工铸型的设备，其可加工的最大外形尺寸达2.4米，该设备可用于加工大型的车身结构、批量生产的压铸模等。AcTech公司通常接到客户提供的三维CAD 数据后，根据铸件尺寸和复杂程度的不同，在3周时间内即可为顾客提供1-5个铸件。如图9为该公司的数控铣床在砂坯上直接加工铸型的过程，图10为直接加工出的铸型。,德国AcTech 公司无模铸型制造技术,三种
12、常用无模铸造制造工艺比较,对于数控铣削类无模铸造本身，,空心立铣刀的气动排砂原理如图11所示，空气压缩机将高压气体输送到密封腔内部，高压气体先进入转换刀柄的十字交叉孔，然后进入转换刀柄与立铣刀相连的一端通孔，接着进入立铣刀内部，从立铣刀的切削刃附近的小孔喷出，喷出的高压气体将刀具周围的废砂吹开或排出型腔。 在型腔内部，气体压力从底部到顶部逐渐减小，气体流速从大逐渐减小，并且型腔出口风速及流场平均风速大于3.3m/s。在此压力供给调节下，将会浪费气体资源。当型腔出口平均风速大于等于3.3m/s时，就能保证型腔内的气体风速达到气动排砂的要求，而不必供给过高压力的气体。,空心立铣刀的气动排砂原理,1
13、.转换刀柄 2.密封腔 3.螺母 4.空心的立铣刀 5.密封静环 6.密封动环 7.砂型工件 图11 空心立铣刀的气动排屑原理,采用普通立铣刀加工圆孔的过程如图12所示，采用时时气动排砂的空心立铣刀加工圆孔的过程，如图13所示。在保证气体压力的条件下，空心立铣刀排屑效果非常好。随着加工深度的增加，型腔中的砂屑并没有不断累积。在普通立铣刀与空心立铣刀完成孔加工之后，随着加工深度的增加，砂屑在普通立铣刀加工的型腔内逐渐积累，以致100mm深的孔无法完成加工。,空心立铣刀的气动排砂效果,图12 普通立铣刀的排砂效果 图13 空心立铣刀的排砂效果,这种技术特别适用于深孔和窄槽加工时，即采用一种高压喷嘴
14、吹除的方式。研究的排砂的实验流程如图14所示。 砂型切削排砂通过气泵5来提供气源，通过气管3与节流阀4输送到安装在机床刀具7附近的喷嘴1处，由于喷嘴的出口面积很小，同样的压强造成出口的流速急剧增大，足以将刀具附近的废砂及时排除，使其不影响加工。,四喷嘴排砂洗尘系统,1.喷嘴 2.固定装置 3.气管 4.阀门 5.气泵 6.加工主轴 7.刀头 图14 铸造成形机排砂流程图,通过建立四喷嘴模型，利用Fluent 流体软件对其进行初步的模拟仿真，得到四喷嘴对吹机构可以产生沿刀具一股竖直向下的气流，此气流可以有效的排出正在加工砂型中的深孔或窄槽中的废砂。通过数值模拟与实验对比研究分析，喷嘴的偏置距离为
15、刀具的半径时，为喷嘴最佳的偏置距离、喷嘴的角度为60、距离在64mm80mm 之间时，气流的能量损失最少、流速最大，对排除深孔、窄槽中的废砂最为有利，得到最佳的喷嘴布局设计。,四喷嘴排砂洗尘系统,两喷嘴直吹排砂系统图,圆形法兰均布四喷嘴排砂设计,目录,无模铸造技术简介,无模铸造与传统造型的对比,无模铸造的应用,无模铸造的背景意义,易于制造含自由曲面的铸型,05,型、芯同时成形,04,一体化制造,03,制造成本低,02,造型时间短,01,无模铸造技术的特点,同传统铸型制造技术相比，无模铸造具有无可比拟的优越性，它不仅使铸造过程高度自动化、敏捷化，降低工人劳动强度，而且在技术上突破了传统工艺的许多
16、障碍，使设计、制造的约束条件大大减少。具体表现在以下方面：,造型时间短,利用传统的方法制造铸型必须先加工模样，无论是普通加工还是数控加工，模样的制造周期都比较长。对于大中型铸件来说，铸型的制造周期一般以月为单位计算。由于采用计算机自动处理，无模铸造工艺的信息处理过程一般只需花费几个小时至几十个小时。所以从制造时间上来看，该工艺具有传统造型方法无法比拟的优越性。,制造成本低,无模铸造工艺的自动化程度高，其设备一次性投资较大，其它生产条件如原砂、树脂等原材料的准备过程与传统的自硬树脂砂造型工艺相同。然而又由于它造型无需模样，对于一些大型、复杂铸件，模具的成本又较高，所以其收益是明显的。,一体化制造,由于传统造型需要起模，因此一般要求沿铸件最大截面处（分型面）将其分开，也就是采用分型造型。这样往往限制了铸件设计的自由度，某些表面和内腔复杂的铸型不得不采用多个分型面，使造型、合箱装配过程的难度大大增加，分型造型使铸件产生
