數字化無模鑄造學習教案

1、會計學1數字化無模鑄造數字化無模鑄造(zhzo)第一頁，共47頁。無模鑄造的背景(bijng)意義 無模鑄造(zhzo)技術簡介無模鑄造與傳統(tǒng)造型的對比無模鑄造的應用第1頁/共47頁第二頁，共47頁。 傳統(tǒng)的手工砂型鑄造(zhzo)是指用型砂緊實成鑄型并用重力澆注的鑄造(zhzo)方法。鋼、鐵和大多數有色合金鑄件都可用砂型鑄造(zhzo)方法獲得。圖1 傳統(tǒng)(chuntng)的手工砂型鑄造第2頁/共47頁第三頁，共47頁。 隨著汽車、機床等現今(xinjn)制造業(yè)技術的高速進步，以及核電、航空航天、國防軍工等重大裝備和重大工程的實施，鑄造產品發(fā)展的趨勢要求更好的綜合性能，更高的精度，更少的余量

2、，更好的表面質量，更復雜的結構。同時，節(jié)能降耗、減少污染也是現代制造業(yè)的迫切要求。 反觀傳統(tǒng)鑄造工藝，為了達到要求，木模、金屬模等的制作過程耗時耗力，動輒以月為單位的開發(fā)周期，拖了制造后腿。 鑄造生產中，砂型鑄造應用最廣泛，世界上大約80%的鑄件都采用木模、金屬模等進行砂型鑄造。 目前，我國有3 萬多家的鑄造企業(yè)，2011 年我國鑄件年產量超過了4000 萬噸，消耗了大量木材(mci)和金屬。 進步，從不要木模開始。第3頁/共47頁第四頁，共47頁。圖2 技術(jsh)流程圖第4頁/共47頁第五頁，共47頁。無模鑄造的背景(bijng)意義 無模鑄造技術(jsh)簡介無模鑄造與傳統(tǒng)造型的對比無

3、模鑄造的應用第5頁/共47頁第六頁，共47頁。 無模鑄型的數字化快速制造技術是近來國內外在近凈成形技術方面研究的新熱點，它是建立在新材料、機電一體化、計算機技術、自動化技術、數值分析和模擬技術等多學科高新技術成果基礎上，改造了傳統(tǒng)的毛坯成形技術，為單件小批量零件的快速制造提供解決方案。 數字化快速鑄造技術將是裝備行業(yè)快速鑄件制造技術的發(fā)展方向。目前(mqin)無模鑄型的數字化快速制造主要包括離散堆積成形技術和去除加工成形技術。去除加工成形技術離散堆積(duj)成形技術選擇性激光燒結鑄型(zh xn)制造工藝（SLS）、3D打印工藝等 數控銑削鑄造工藝等 第6頁/共47頁第七頁，共47頁。 基于

4、離散堆積原理的無模鑄型制造技術近年來取得一定進展，通過以鑄造用的陶瓷粉末或型砂為原料，在CAD 模型驅動下通過快速成形機，可以直接制成鑄造用的型殼。在CAD 環(huán)境中，直接將零件模型轉換為殼型，再配以澆冒口系統(tǒng)。型殼的厚度可取510mm，燒結或粘接過程中，非零件部分進行燒結或粘接，零件部分仍是粉末。造型完成后將粉末倒出，再經固化處理就獲得鑄造用的型殼。用此方法，省去傳統(tǒng)精密鑄造過程中蠟型、泡沫塑料模、木模的制作(zhzu)等多種工藝過程，是傳統(tǒng)鑄造過程的重大變革?；陔x散堆積原理的無模鑄型制造技術 這是將快速成形理論引進到樹脂砂造型工藝中，采用輪廓掃描噴射固化工藝，實現了無模型鑄型的快速制造。該

5、工藝由清華大學研制成功，并推出商品化機型。該工藝采用傳統(tǒng)樹脂砂工藝中的水洗砂、樹脂和固化劑，原材料的準備過程與傳統(tǒng)工藝相同，與以上工藝相比無需單獨制備原材料，且成本低廉，鑄型強度高，無需特殊的后處理，尤其適合制造大中型鑄件。但該工藝對樹脂砂的用量較大，粘結劑成份高，進而導致加工精度不高，且加工獲得的鑄型透氣性差，不適于對透氣性要求高的大型鑄件的制造。輪廓掃描噴射固化工藝第7頁/共47頁第八頁，共47頁。激光燒結技術圖3 激光選取燒結(shoji)工藝示意圖 目前，SLS直接砂型制造的方法有兩種，直接燒結工藝和間接燒結工藝。2003年新加坡國立大學對硅砂的直接燒結工藝進行研究，提出由于硅砂中少量

6、Al2O3的存在(cnzi)可降低砂粒表面的熔點，因此無需粘結劑即可燒結的觀點。此方法激光功率在140200W之間，但成形速度較慢，制造周期較長，且它對設備要求高，因此未得到廣泛地應用。目前普遍采用的是間接燒結工藝，即燒結表面覆有熱塑性粘結劑的覆膜砂，酚醛樹脂的固化溫度不高，激光功率只要求在25100W內。完成的砂型（芯）強度較低，需經過進一步的后固化處理，其固化溫度一般控制在200280。第8頁/共47頁第九頁，共47頁。激光燒結技術 使用覆膜砂材料燒結完成的砂型經過二次烘烤固化后， 應用組芯澆注工藝進行生產， 適用于大部分可應用組芯工藝生產的鑄鐵及鑄鋁件。使用聚苯乙烯粉末燒結的工件進行滲蠟

7、后可應用精鑄工藝進行生產， 適用于融模、陶瓷型等精鑄工藝的鑄件生產。激光選區(qū)燒結工藝受設備成型空間及加工效率的影響， 不適合于大型件的生產。 德國EOS 公司利用選區(qū)激光燒結工藝進行砂型、塑料等模型的制造技術、一直處于世界領先地位， 近幾年隨著國內在該項技術方面的研究及發(fā)展， 技術水平已經與國外接近， 甚至(shnzh)在成型空間及某些材料加工領域已超越國外。第9頁/共47頁第十頁，共47頁。3D打印技術 三維打印是通過粘結劑將粉末材料連接成成型(chngxng)物體的工藝?？啥S運動的機構帶動噴頭在計算機控制下， 按照零件輪廓形狀將液體材料有選擇性地噴涂在粉末材料上， 使粉末材料與液體材料進

8、行反應而完成當前層的固化。每一層完成后工作臺下降一定高度， 鋪上一層新的粉末， 重復以上噴涂的工作， 最終將整個零件制作完成， 見圖4。目前該工藝常用的原材料有鑄造砂、陶瓷粉等。根據成型(chngxng)材料及成型(chngxng)工藝不同， 所噴涂的液體材料也不同。有的直接將粘結劑噴涂在粉末材料上， 如在陶瓷粉末上噴涂硅溶膠； 也有將粘結劑噴涂在預先混制固化劑的鑄造砂粉末上完成固化； 還有將樹脂及固化劑分兩次噴涂在鑄造砂粉末上以完成固化。圖4 三維打印(d yn)工藝示意圖第10頁/共47頁第十一頁，共47頁。3D打印技術 使用陶瓷粉為原材料制作的陶瓷型經過二次焙燒固化后， 可結合陶瓷型精鑄

9、工藝進行鑄件生產。使用鑄造砂為原材料制作的砂型， 可直接用于鑄件組芯工藝鑄造。 ExOne公司的ProMetal RCT技術(jsh)是一種專門制作鑄造砂型的3DP技術(jsh)，其成形材料為樹脂砂，其型砂多為硅砂、合成砂及其他的鑄造介質。成形件（砂型）不需要特別的后處理工序，進行清掃后就可以用于鑄造生產。ProMetal RCT技術(jsh)的工作空間達到1800mm1000mm 700mm，層厚為，打印速度為59400108000cm3/h，可用于大型鑄型的制造。ProMetal RCT技術(jsh)打印的砂型見圖5。圖5 ProMetal RCT技術打印的砂型第11頁/共47頁第十二頁，

10、共47頁。直接殼型鑄造工藝(DSPC) 美國Soligen 公司根據3DP 原理開發(fā)的直接殼型鑄造工藝(DSPC)，該技術使用陶瓷粉末為造型(zoxng)材料，粘接材料選用硅溶膠。由于陶瓷粉末顆粒尺寸在75150 之間，所以DSPC 工藝造型(zoxng)的表面質量較高，但這種硅酸鹽水溶液分層粘接起來的陶瓷鑄型強度較低，必須經過焙燒之后才能用于澆注金屬，如果是大型鑄件的鑄型就需要價格高昂、體積龐大的加熱設備，所以DSPC 工藝不適合大中型鑄件的生產。圖6為采用該工藝制造的鑄型。m圖6 直接殼型制造的鑄型第12頁/共47頁第十三頁，共47頁。GS(Generis sand)工藝 德國Generi

11、s 公司開發(fā)，其工藝路線是將砂粒鋪平(p pn)之后，先用多通道噴頭向砂床均勻噴灑樹脂，然后由一個噴頭依據輪廓路徑噴射催化劑，催化劑遇樹脂后發(fā)生膠聯反應，使鑄型層層固化堆積成形。該工藝砂箱尺寸可達1500750750mm，分層厚度可達，可用于制造大中型鑄型，但其缺點是十分明顯的，由于樹脂噴灑在整個砂床表面，鑄型制作完畢后是在含有樹脂的砂包圍之中，這樣給后續(xù)取砂型時清砂帶來困難，需特殊處理工序，同時也影響了砂型的精度和表面質量。GS 工藝的設備鑄型及鑄件第13頁/共47頁第十四頁，共47頁?；谌コ庸ぴ淼臒o模鑄型制造技術 由于數控技術的快速發(fā)展，基于去除原理的快速加工制造技術在機械工業(yè)中得到

12、快速應用。目前已經廣泛應用于零件加工、模具制造中，然而工業(yè)發(fā)達國家目前將數控加工技術應用于制造鑄型，是傳統(tǒng)鑄造工業(yè)的重大變革。在CAD模型驅動下，直接采用數控機床加工砂型，獲得澆注的鑄型，不需要傳統(tǒng)的鑄造模樣(myng)，不僅制造速度快，而且精度高。由于在封閉環(huán)境中加工，成形過程中的廢棄物如粉塵、廢氣、廢渣等可以得到回收。第14頁/共47頁第十五頁，共47頁。 DMM工藝就是采用5軸數控銑直接切削出鑄造用鑄型，尤其是大型鑄件，但不適合于形狀復雜的鑄件。圖7為設備加工過程示意，圖8為加工出的鑄型。DMM(Direct Mould Milling)工藝圖7 DMM 加工鑄型示意 圖8 DMM加工油

13、過濾器鑄型與金屬件(加工數據生成: 3 小時；鑄型加工6.5 小時/個；尺寸: 600 x 500 x 340 mm；從CAD 數據到交貨時間：8 天)第15頁/共47頁第十六頁，共47頁。根據國內外文獻資料檢索(jin su)，目前德國的AcTech 公司研發(fā)了該項技術，并且該公司于1998年申請了關于“直接制造用于金屬鑄件的消失模鑄型的設備及方法”的專利，并于1999在整個歐洲范圍內申請了專利。此外，該公司還在日本、美國和加拿大申請了相關專利。目前AcTech 公司有2臺用于直接加工鑄型的設備，其可加工的最大外形尺寸達2.4米，該設備可用于加工大型的車身結構、批量生產的壓鑄模等。AcTec

14、h公司通常接到客戶提供的三維CAD 數據后，根據鑄件尺寸和復雜程度的不同，在3周時間內即可為顧客提供1-5個鑄件。如圖9為該公司的數控銑床在砂坯上直接加工鑄型的過程，圖10為直接加工出的鑄型。德國AcTech 公司無模鑄型制造技術圖9 數控銑床直接加工鑄型的過程圖10 直接加工出的鑄型第16頁/共47頁第十七頁，共47頁。第17頁/共47頁第十八頁，共47頁。對于(duy)數控銑削類無模鑄造本身，1復雜薄壁砂型加工易出現坍塌2加工表面粗糙度大3刀具高速運轉時如何給刀頭降溫4高速旋轉的刀具加工砂型易磨損或崩刃5加工的廢砂如何及時清除在澆注過程中采用負壓系統(tǒng)，真空分配器通過耐高溫橡膠軟管接通負壓砂

15、箱，使砂箱內的型砂緊實，來實現在穩(wěn)定的負壓場下完成液體的澆鑄。研制專門的長壽命刀具氣動排砂工藝第18頁/共47頁第十九頁，共47頁。 空心立銑刀的氣動排砂原理如圖11所示，空氣壓縮機將高壓氣體輸送到密封腔內部，高壓氣體先進入轉換刀柄的十字交叉(jioch)孔，然后進入轉換刀柄與立銑刀相連的一端通孔，接著進入立銑刀內部，從立銑刀的切削刃附近的小孔噴出，噴出的高壓氣體將刀具周圍的廢砂吹開或排出型腔。 在型腔內部，氣體壓力從底部到頂部逐漸減小，氣體流速從大逐漸減小，并且型腔出口風速及流場平均風速大于3.3m/s。在此壓力供給調節(jié)下，將會浪費氣體資源。當型腔出口平均風速大于等于3.3m/s時，就能保證

16、型腔內的氣體風速達到氣動排砂的要求，而不必供給過高壓力的氣體?？招牧姷兜臍鈩优派霸?圖11 空心(kng xn)立銑刀的氣動排屑原理第19頁/共47頁第二十頁，共47頁。采用普通立銑刀加工圓孔的過程如圖12所示，采用時時氣動排砂的空心(kng xn)立銑刀加工圓孔的過程，如圖13所示。在保證氣體壓力的條件下，空心(kng xn)立銑刀排屑效果非常好。隨著加工深度的增加，型腔中的砂屑并沒有不斷累積。在普通立銑刀與空心(kng xn)立銑刀完成孔加工之后，隨著加工深度的增加，砂屑在普通立銑刀加工的型腔內逐漸積累，以致100mm深的孔無法完成加工。空心立銑刀的氣動排砂效果圖12 普通立銑刀的排砂

17、效果 圖13 空心立銑刀的排砂效果第20頁/共47頁第二十一頁，共47頁。 這種技術特別適用于深孔和窄槽加工時，即采用一種高壓噴嘴吹除的方式。研究的排砂的實驗流程如圖14所示。 砂型(shxng)切削排砂通過氣泵5來提供氣源，通過氣管3與節(jié)流閥4輸送到安裝在機床刀具7附近的噴嘴1處，由于噴嘴的出口面積很小，同樣的壓強造成出口的流速急劇增大，足以將刀具附近的廢砂及時排除，使其不影響加工。四噴嘴排砂洗塵系統(tǒng)1.噴嘴 2.固定裝置 3.氣管 4.閥門 5.氣泵 6.加工主軸 7.刀頭 圖14 鑄造成形機排砂流程圖第21頁/共47頁第二十二頁，共47頁。 通過建立四噴嘴模型，利用Fluent 流體軟件

18、對其進行初步的模擬仿真，得到四噴嘴對吹機構可以產生沿刀具一股豎直向下的氣流，此氣流可以有效(yuxio)的排出正在加工砂型中的深孔或窄槽中的廢砂。通過數值模擬與實驗對比研究分析，噴嘴的偏置距離為刀具的半徑時，為噴嘴最佳的偏置距離、噴嘴的角度為60、距離在64mm80mm 之間時，氣流的能量損失最少、流速最大，對排除深孔、窄槽中的廢砂最為有利，得到最佳的噴嘴布局設計。四噴嘴排砂洗塵系統(tǒng) 兩噴嘴直吹排砂系統(tǒng)圖 圓形法蘭均布四噴嘴排砂設計第22頁/共47頁第二十三頁，共47頁。無模鑄造(zhzo)技術簡介無模鑄造與傳統(tǒng)(chuntng)造型的對比無模鑄造的應用無模鑄造的背景意義 第23頁/共47頁第

19、二十四頁，共47頁。易于易于(yy)制造含自由曲面制造含自由曲面的鑄型的鑄型05 型、芯同時型、芯同時(tngsh)成形成形 04 一體化制造一體化制造(zhzo)03 制造成本低制造成本低02 造型時間短造型時間短01 同傳統(tǒng)鑄型制造技術相比，無模鑄造具有無可比擬的優(yōu)越性，它不僅使鑄造過程高度自動化、敏捷化，降低工人勞動強度，而且在技術上突破了傳統(tǒng)工藝的許多障礙，使設計、制造的約束條件大大減少。具體表現在以下方面：第24頁/共47頁第二十五頁，共47頁。造型時間短利用傳統(tǒng)的方法制造鑄型必須先加工模樣，無論是普通加工還是(hi shi)數控加工，模樣的制造周期都比較長。對于大中型鑄件來說，鑄型

20、的制造周期一般以月為單位計算。由于采用計算機自動處理，無模鑄造工藝的信息處理過程一般只需花費幾個小時至幾十個小時。所以從制造時間上來看，該工藝具有傳統(tǒng)造型方法無法比擬的優(yōu)越性。制造成本低無模鑄造(zhzo)工藝的自動化程度高，其設備一次性投資較大，其它生產條件如原砂、樹脂等原材料的準備過程與傳統(tǒng)的自硬樹脂砂造型工藝相同。然而又由于它造型無需模樣，對于一些大型、復雜鑄件，模具的成本又較高，所以其收益是明顯的。第25頁/共47頁第二十六頁，共47頁。一體化制造由于傳統(tǒng)造型需要起模，因此一般要求沿鑄件最大截面處（分型面）將其分開，也就是采用分型造型。這樣往往(wngwng)限制了鑄件設計的自由度，某

21、些表面和內腔復雜的鑄型不得不采用多個分型面，使造型、合箱裝配過程的難度大大增加，分型造型使鑄件產生“飛邊”，導致機加工量增大。無模鑄造工藝采用離散/堆積成形原理，沒有起模過程，所以分型面的設計并不是主要障礙。分型面的設計甚至可以根據需要不設置在鑄件的最大截面處，而是設在鑄件的非關鍵部位，對于某些鑄件，完全可以采用一體化制造方法，即上下型同時成形。一體化造型最顯著的優(yōu)點是省去了合箱裝配的定位過程，減少了設計約束和機加工量，使鑄件的尺寸精度更容易控制。第26頁/共47頁第二十七頁，共47頁。型芯同時成型傳統(tǒng)工藝出于起模的考慮，型腔內部一些結構設計成芯，型、芯分開制造(zhzo)，然后再將二者裝配起

22、來，裝配過程需要準確的定位，還必須考慮芯子的穩(wěn)定性。無模鑄造工藝制造(zhzo)的鑄型，型和芯是同時堆積而成，無需裝配，位置精度更易保證。易于制造含自由曲面的鑄型傳統(tǒng)工藝中，采用普通加工方法制造模樣的精度難以保證；數控加工編程復雜，另外涉及刀具干涉等問題。所以傳統(tǒng)工藝不適合制造含自由曲面或曲線的鑄件。而基于離散/堆積成形原理的無模鑄造工藝，不存在成形的幾何約束，因而能夠很容易地實現(shxin)任意復雜形狀的造型。 第27頁/共47頁第二十八頁，共47頁。柔性化數字化綠色(l s)化精密化 數字化無模鑄造精密成型技術是一種全新的復雜金屬件快速制造方法，能夠實現復雜金屬件制造的柔性化、數字化、精

23、密化、綠色化、智能化，是鑄造技術的革命。不需要木模及模具，縮短了鑄造流程，實現了傳統(tǒng)鑄造行業(yè)的數字化制造，特別適合于復雜零部件的快速制造，在節(jié)約鑄造材料、縮短工藝流程、減少(jinsho)鑄造廢棄物、提升鑄造質量、降低鑄件能耗等方面具有顯著特色和優(yōu)勢，改變了幾千年來鑄造需要模具的狀況。 與傳統(tǒng)有模鑄件制造相比，數字化無模鑄造加工費用僅為有模方法的1/10左右，開發(fā)時間縮短50%-80%，制造成本降低30%-50%。第28頁/共47頁第二十九頁，共47頁。第29頁/共47頁第三十頁，共47頁。第30頁/共47頁第三十一頁，共47頁。第31頁/共47頁第三十二頁，共47頁。無模鑄造技術(jsh)簡

24、介無模鑄造(zhzo)與傳統(tǒng)造型的對比無模鑄造的應用無模鑄造的背景意義 第32頁/共47頁第三十三頁，共47頁。無模鑄造的應用機械裝備生產(shngchn)方面航空航天、汽車、軍工(jngng)方面陶瓷(toc)和工藝品行業(yè)第33頁/共47頁第三十四頁，共47頁。無模鑄造(zhzo)技術應用第34頁/共47頁第三十五頁，共47頁。無模鑄造技術(jsh)應用第35頁/共47頁第三十六頁，共47頁。 (a)外砂模 (b)內砂芯 (a)組合砂模 (b)鑄件 圖15 缸蓋鑄件無模鑄造 中國一拖采用CAMTC一SMM數字化無模鑄造技術及裝備(zhungbi)進行了多種復雜缸蓋的快速開發(fā)。其中采用多塊砂芯

25、與外模組合方式, 可以實現小尺寸高精度形狀結構的型芯的快速加工成形。圖15為某缸蓋的開發(fā)過程圖。第36頁/共47頁第三十七頁，共47頁。汽車汽車(qch)發(fā)動機缸體（灰鐵發(fā)動機缸體（灰鐵HT250） 汽車發(fā)動機缸體（灰鐵汽車發(fā)動機缸體（灰鐵HT250HT250） 該汽車發(fā)動機缸體是該汽車發(fā)動機缸體是2008年年8月為國內華北地區(qū)某大型汽車研發(fā)企業(yè)制作，首月為國內華北地區(qū)某大型汽車研發(fā)企業(yè)制作，首個樣件制作周期為個樣件制作周期為15天，后續(xù)天，后續(xù)20天天/2個，個，3個制作周期一共個制作周期一共35天，大大節(jié)天，大大節(jié)約了制作周期。約了制作周期。第37頁/共47頁第三十八頁，共47頁。汽車汽車

26、(qch)發(fā)動機進氣管（鋁合金發(fā)動機進氣管（鋁合金ZL101）汽車發(fā)動機進氣管（鋁合金汽車發(fā)動機進氣管（鋁合金ZL101） 該套汽車發(fā)動機進氣管是該套汽車發(fā)動機進氣管是2010年年1月為月為國內北中某大型汽車廠試制汽車發(fā)動機進氣管，制作周期國內北中某大型汽車廠試制汽車發(fā)動機進氣管，制作周期20天天/3件（含機加工）件（含機加工）。第38頁/共47頁第三十九頁，共47頁。 KPS140-150泵蓋砂芯泵蓋砂芯KPS140-150泵蓋鑄型泵蓋鑄型(zh xn)KPS140-150泵蓋鑄件泵蓋鑄件 第39頁/共47頁第四十頁，共47頁。KPS140-150泵體砂芯KPS140-150泵體鑄型(zh xn)KPS140-150泵體鑄件 KPS140-150KPS140-150泵蓋、泵體砂芯都是用無模鑄型快速制造技術整體制作的，尺寸比較準確，且鑄件減少許多披縫。而傳統(tǒng)技術要分成幾個砂芯，再組裝，鑄