一種經(jīng)濟(jì)的快速制造精鑄件方法探討

1、一種經(jīng)濟(jì)的快速制造精鑄件方法探討    摘要 探討根據(jù)產(chǎn)品三維數(shù)字模型經(jīng)濟(jì)快速地批量制造精密鑄件的方法。介紹了利用快速成型設(shè)備燒結(jié)樹脂實(shí)型后翻制硅橡膠模，利用硅橡膠模快速、批量生產(chǎn)精鑄件蠟?zāi)?；比較了幾種快速制造方法的經(jīng)濟(jì)性，表明快速原型技術(shù)結(jié)合硅橡膠模技術(shù)是精密鑄造領(lǐng)域快速提交樣件、綜合成本較低的一種新方法。 關(guān)鍵詞硅橡膠模；快速成型；熔模精密鑄造；快速制造 前言 為快速響應(yīng)市場新產(chǎn)品開放要求，快速原型制造技術(shù)（RPM）在國內(nèi)精鑄行業(yè)已被諸如東風(fēng)精密鑄造有限公司等少數(shù)大型精鑄企業(yè)掌握并應(yīng)用。利用快速原型技術(shù)，能在接到客戶圖紙后5天以內(nèi)提交產(chǎn)品樣件，這在一

2、定程度上提高了企業(yè)市場應(yīng)變能力和市場競爭實(shí)力。 對于一般精密鑄件，根據(jù)東風(fēng)精密鑄造有限公司統(tǒng)計(jì)分析，快速原型技術(shù)適于客戶首次需求樣件在10件以下，這時在制造成本、生產(chǎn)周期上都能發(fā)揮優(yōu)勢；但經(jīng)常有客戶首次需求樣件或裝車急件數(shù)量在30100件，如果再利用快速原型技術(shù)生產(chǎn)，其生產(chǎn)周期、制造成本上都不劃算。 硅橡膠模技術(shù)結(jié)合快速成型技術(shù)應(yīng)用于一般蠟料取模，能很好的解決以上所述問題。 1快速成型技術(shù)與硅橡膠模技術(shù) 1.1快速原型技術(shù)及其制造成本優(yōu)勢 圖1為選擇性激光燒結(jié)（SLS）快速成型機(jī)，圖2為該快速原型機(jī)燒結(jié)PSB粉后形成的產(chǎn)品模型。 為快速提交客戶樣件，無需制作合金模具，而利用快速原型設(shè)備燒結(jié)而成

3、的PSB模型直接涂料、撒砂，按常規(guī)工藝制殼后經(jīng)焙燒，PSB模型會被燃燒，然后往模殼內(nèi)澆注鋼水，成型鑄件。 快速原型設(shè)備自帶的工作軟件能直接把各種常用的CAD造型，如PRO/E、UG、CATIA等軟件設(shè)計(jì)的三位造型直接轉(zhuǎn)化成設(shè)備可以識別的格式（*.stl），并按用戶設(shè)定的質(zhì)量要求進(jìn)行PSB粉末燒結(jié)，燒結(jié)速度越快，表面質(zhì)量越低。 圖3所示某汽車牽引座，東風(fēng)精密鑄造有限公司利用SLS快速原型機(jī)燒結(jié)時，模型STL文件弦高百分比為0.15，切片厚度選擇0.1mm，一次燒結(jié)兩件，整個模型燒結(jié)完成用時為9小時，按東風(fēng)精密鑄造有限公司快速成型設(shè)備近三年運(yùn)行費(fèi)用統(tǒng)計(jì)分析，模型燒結(jié)成本平均為108元/小時，那么圖

4、3所示2件汽車牽引座PSB模型的制作成本在1000元附近。上述產(chǎn)品如果制作合金模具，費(fèi)用在5000元以上，同時獲得蠟?zāi)５闹芷诖笥?天，與快速原型技術(shù)相比之下，其劣勢捉襟見肘。 1.2快速原型技術(shù)與硅橡膠模技術(shù)的合力優(yōu)勢 快速原型技術(shù)在提供少數(shù)量樣件時優(yōu)勢明顯，然而一旦樣件要求數(shù)量過多時就得不償失。以上面牽引座為例，假如客戶首次需10件樣件，則PSB模型燒結(jié)成本為5000元左右，設(shè)備不停機(jī)也需耗時90個小時，即4天時間，這在優(yōu)勢體現(xiàn)上與制作合金模具已體現(xiàn)無多，客戶需求更多（20件左右）樣件或急件時，幾乎沒有優(yōu)勢。 硅橡膠模是理論上能成型所有復(fù)雜外型結(jié)構(gòu)的陰模，同時硅橡膠模復(fù)印性好（人手指紋都能被

5、清晰復(fù)?。?、制作周期短（24h12h）、使用壽命相對較長（500件以上），同時硅橡膠模使用溫度可達(dá)100，對于灌注熔模鑄造蠟?zāi)６?，高于蠟料的熔點(diǎn)，使用中也不會出現(xiàn)變形和老化的問題，所以利用硅橡膠模技術(shù)配合快速原型技術(shù)，能較好地解決以上提到的多樣件或中批量急件需求的問題。總體思路如下： 對于圖3所示產(chǎn)品，如果客戶首次需求（或急需）樣件20件，可按如下流程快速低成本達(dá)成客戶要求： （1）通過快速原型設(shè)備燒結(jié)樣件PSB模型一個，7小時； （2）利用真空注型機(jī)制造硅橡膠模具（20分鐘）及硬化（90）12h； （3）灌注蠟液至硅橡膠模，冷卻成型時間35min/個，20件蠟?zāi)Ｐ钑r11.5h?？傆?jì)蠟?zāi)Ｖ圃?/p>

6、時間2021小時。 以圖3產(chǎn)品之20件樣件之蠟?zāi)Ｖ圃鞛槔N制造工藝成本與生產(chǎn)周期對比：表120件蠟?zāi)Ｖ谱鞒杀緦Ρ?成本（元）周期（天） 模具蠟?zāi)?（模型）總計(jì)模具蠟?zāi)?（模型）總計(jì) 合金模具+蠟?zāi)?000忽略50005忽略5 快速成型（RP）0 （三維造型）1000010000088 RP+硅橡膠模 +蠟?zāi)?00+700 （RP+硅模）忽略110001.51.5 可見，硅橡膠模技術(shù)結(jié)合快速原型技術(shù)，具有非常明顯的成本優(yōu)勢與效率優(yōu)勢。 2硅橡膠模制作工藝 下面介紹常見的兩種硅橡膠模材料（如表2、表3）以及利用SLS激光快速原型機(jī)、ZK500真空注型機(jī)、MP6000型電子稱等裝備制作硅橡膠模陰

7、模。 2.1原材料主要技術(shù)參數(shù) 表2ESSIL291樹脂/ESSIL293LPL固化性能指標(biāo) 物理特性 ESSIL291樹脂ESSIL293LPL固化劑混合后 重量混合比100*10* 顏色半透明半透明透明 粘度于23 （mPa.s）50，00050040，000 密度（在25下）1.081.081.08 可操作時間在40下-30min 在23下-120min 脫模時間在40-8h 在23下-24h 表3聚氨脂樹脂5073A+5075A/6414B固化性能指標(biāo) 品名 項(xiàng)目 5075A+5073A混合系 主劑1 主劑2 固化劑 5075A 5073A 6414B 重量混合比 100* 100*

8、50* 可操作時間（25） 1520min 脫模時間（25） 1416h 外觀顏色 干邑色 對于ESSIL291樹脂+ESSIL293LPL固化劑而言，能且僅能通過10：1的配比固化成型：樹脂過多，則會固化不充分有多余粘液；固化劑過多，則攪拌操作時間短，固化速度快且硬度高，不利后續(xù)分型。圖5為ESSIL291樹脂/ESSIL293LPL成型樣件。 對于聚氨脂樹脂5073A+5075A/6414B固化劑而言，兩種主劑5073A、5075A能分別與固化劑6414B固化成型，但成型性差異很大：5075A/6414B（4：1）成型后硬度高、韌性差、易撕裂；5073A/6414B（4：1）成型后韌性高，

9、強(qiáng)度低，易變形；經(jīng)實(shí)驗(yàn)，兩種主劑各施一半，再與一定比例固化劑混合成型，不僅強(qiáng)度、韌性適當(dāng)，且攪拌操作時間相對較長，利于抽真空、澆注以及后續(xù)分模、取模。三種配比實(shí)驗(yàn)照片如圖6。 2.2.1制作準(zhǔn)備 （1）鑄件實(shí)物或激光快速成型機(jī)燒結(jié)的PSB模型； （2）透明（可用玻璃片焊接）模筐，用以盛納硅橡膠粘液并成型硅模外 為方便取模，?？鹂稍O(shè)置一定斜度。 ?？鹪谑褂们耙逑锤蓛舨⒘栏桑灰趦?nèi)壁擦拭有機(jī)潤滑油，有機(jī)潤 油能破壞硅橡膠模的正常硬化凝固。 2.2.2稱量、配料 根據(jù)硅橡膠模體積大小及密度估算配料總重量，再根據(jù)表2或表3中硅橡膠ESSIL291/ESSIL293LPL或聚氨脂樹脂5073A+50

10、75A/6414B重量混合比例計(jì)算得各試劑加入量。 用MP6000型電子稱分別稱取所需試劑，倒置一個料杯內(nèi)，左右攪拌30s左右，然后將料杯移至ZK500真空注型機(jī)，裝上攪排，卡緊料杯。 2.2.3抽真空、灌注 把透明?？鹬糜诹媳路剑ㄈ鐖D7），關(guān)閉真空注型機(jī)倉門，打開主機(jī)電源，打開攪拌器，立即打開真空泵抽真空。達(dá)到最大真空度后點(diǎn)擊計(jì)時器開始計(jì)時，56min后料杯內(nèi)混合液基本無明顯氣泡溢出，關(guān)閉攪拌器，關(guān)閉真空泵。轉(zhuǎn)動真空注型機(jī)側(cè)位控制把手，將料杯內(nèi)混合液徐徐倒入透明?？鹬?，覆蓋PSB模型并至一定厚度（視鑄件大小而定）。 2.2.4固化、割模 硅橡膠混合液澆鑄完后即可停機(jī)破真空，常溫下硅橡膠混

11、合液固化時間較長，如表2、表3所示，為提高硅橡膠模固化速度，可將盛滿混合液的透明?？鸱胖梁嫦?，在7090之間保溫68h，即可固化脫模。 本文所述硅橡膠色澤光亮、透明，對于其分型提供了非常大的便利。硅橡膠模具分型一般通過手術(shù)刀將其隔開，但再割開前，應(yīng)先使用合適直徑的空心鋼管在硅橡膠上開一指向PSB模型的通孔，再開一倒錐形槽，用作后面的注蠟道在切割硅橡膠模具時最好能用鉛筆設(shè)計(jì)好分模線，再行切割，切割時注意成鋸齒型，便于上下模具合模時不會錯模。 隔開硅橡膠，取出里面的PSB模型或鑄件，一套硅橡膠模具（上模、下模）就做好了。 3蠟?zāi)Ｖ谱?按鋸齒合上硅橡膠模具，并用訂書針縫合上下模。把準(zhǔn)備好的蠟液倒入注

12、射針筒（針筒外裹一層隔熱棉，既防止蠟液散熱過快，又防止?fàn)C手），手工給注射針筒一定壓力，快速將蠟液壓入硅橡膠模。因?yàn)楣柘鹉z模透明，可以目測整個蠟液充型過程，在充滿型腔后，適當(dāng)控制注射壓力，穩(wěn)壓510s。 為防治注射蠟液時壓力過大，硅橡膠模錯模、脫模，注射前還可以將硅橡膠模用輔具固定。 硅膠膠模具導(dǎo)熱性差，為加速蠟液在模具里的凝固，可將其放入循環(huán)冷卻水池；在設(shè)計(jì)硅橡膠模具之初，應(yīng)考慮減小模具周身厚度，減小蠟?zāi)Ｅc冷卻水中間的熱傳導(dǎo)距離。 一般23min后蠟?zāi)；竟袒尚停蜷_硅橡膠模具，保留蠟?zāi)Ｔ谝粋?cè)模具里繼續(xù)水冷1min后取出蠟?zāi)！＃ㄈ鐖D8） 4待探討的問題 硅橡膠模是具有很好韌性的軟模，在高壓注蠟時局部會發(fā)生鼓脹變形。手工給壓或重力灌注能減少鼓脹變形產(chǎn)生，但： （1）低壓力下的蠟?zāi)Ｊ湛s率及收縮的穩(wěn)定性值得探究。 （2）蠟?zāi)Ｖ旅芏炔蝗缟湎灆C(jī)合金模具制作出的蠟?zāi)Ｖ旅芏雀撸災(zāi)?qiáng)度略低，在制作體積較大蠟?zāi)：螅瑵撛谂c蠟棒焊接組樹掉件的風(fēng)險。 5結(jié)論 （1）快速原型技術(shù)是快速提供客戶樣件、快速響應(yīng)市場的有力措施，與普通生產(chǎn)方式比，具有明顯的成本優(yōu)勢； （2）利用快速原型技術(shù)結(jié)合硅橡膠模技術(shù)可以較好的解決客戶樣件需求過多、市場加急訂單的制造成本問題； （3）快速原型技術(shù)結(jié)合硅橡膠模技術(shù)針對某些特