無模精密砂型快速鑄造技術(shù)的研究

無模精密砂型快速鑄造技術(shù)的研究

作為一種傳統(tǒng)的鑄造工藝，砂造具有豐富的原材料、簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工藝和廣泛的應(yīng)用類型?，F(xiàn)在，世界上約70%的鑄造正在采用這一方法。但其尺寸精度及表面質(zhì)量已很難滿足航空、航天、國防及汽車等重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵鑄件的要求。近年來,隨著精密砂型鑄造的出現(xiàn)及發(fā)展,其制備的鑄件尺寸精度及表面質(zhì)量均有較大提高,已發(fā)展成為一種新型的特種鑄造方法。其中,無模精密砂型快速鑄造技術(shù)(RapidCasting,RC)是新近發(fā)展起來的無?？焖勹T造技術(shù)[2~4]。相對(duì)于傳統(tǒng)砂型鑄造,其無需制作木模、模樣等,具有制造周期短、成本低、砂型/砂芯一體化制造及可制造出任意復(fù)雜形狀鑄件等優(yōu)點(diǎn),尤其是采用該方法制備的砂型(芯)尺寸精度提高到了CT6~7級(jí),表面粗糙度達(dá)到3.2~6.3μm,可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鑄件的整體近凈成形。尤其在單件、小批量復(fù)雜鑄件的制造和新產(chǎn)品的試制方面具有更好的發(fā)展前景,目前已在葉輪、葉片、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體、缸蓋等鑄件上得到應(yīng)用。無模精密砂型快速鑄造技術(shù)是快速成形技術(shù)與精密砂型鑄造工藝的結(jié)合產(chǎn)物,將配備澆注系統(tǒng)的CAD模型進(jìn)行反求并作切片處理,在快速成形機(jī)上直接完成可供澆注的砂型。相比于傳統(tǒng)精密砂型鑄造,避免了木模、模樣等的設(shè)計(jì)與制造,開發(fā)時(shí)間可縮短50%~80%。同時(shí),對(duì)于復(fù)雜鑄件的設(shè)計(jì)和制造有較高的自由度。目前,主要的無模精密砂型制備方法有基于激光燒結(jié)原理的無模精密砂型RC技術(shù)、基于三維打印原理的無模精密砂型RC技術(shù)、基于數(shù)控加工原理的無模精密砂型RC技術(shù)。1覆膜砂的研制和改性覆膜砂SLS(選擇性激光燒結(jié))技術(shù)相對(duì)于其他的快速鑄造技術(shù),最大的特點(diǎn)是制造中無需任何機(jī)械輔助設(shè)備,靈活性高,穩(wěn)定性好,適合制造復(fù)雜形狀的砂型(芯),是當(dāng)前較成熟的快速成形技術(shù)之一。SLS工作原理見圖1。在CAD切片模型的驅(qū)動(dòng)下,鋪粉裝置逐層鋪粉,激光束選擇性地固化粉末,形成各截面輪廓,直到疊加成實(shí)體。目前,SLS直接砂型制造的方法有兩種,直接燒結(jié)工藝和間接燒結(jié)工藝。2003年新加坡國立大學(xué)對(duì)硅砂的直接燒結(jié)工藝進(jìn)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點(diǎn),因此無需粘結(jié)劑即可燒結(jié)的觀點(diǎn)。此方法激光功率在140~200W之間,但成形速度較慢,制造周期較長,且它對(duì)設(shè)備要求高,因此未得到廣泛地應(yīng)用。目前普遍采用的是間接燒結(jié)工藝,即燒結(jié)表面覆有熱塑性粘結(jié)劑的覆膜砂,酚醛樹脂的固化溫度不高,激光功率只要求在25~100W內(nèi)。完成的砂型(芯)強(qiáng)度較低,需經(jīng)過進(jìn)一步的后固化處理,其固化溫度一般控制在200~280℃。無模砂型SLS鑄造,一般采用的是傳統(tǒng)鑄造用覆膜砂,但由于激光燒結(jié)的瞬時(shí)傳熱及固化反應(yīng)等一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程,傳統(tǒng)覆膜砂的激光成形性能并不理想,存在酚醛樹脂含量過多、激光燒結(jié)初強(qiáng)度偏低,且砂型表面的浮砂導(dǎo)致尺寸精度較差、清砂困難,特別是一些精細(xì)結(jié)構(gòu)成形困難等問題。針對(duì)以上問題,Casalino等、Qin等通過優(yōu)化工藝參數(shù)和覆膜砂粉體特性等措施提高了砂型的性能。但發(fā)氣量大仍是有待進(jìn)一步解決的關(guān)鍵難題。另外,在開發(fā)適用于SLS技術(shù)的新材料,降低發(fā)氣量的同時(shí),砂型(芯)的初強(qiáng)度要能滿足要求。美國DTM公司開發(fā)出的SolidFormZr,燒制成的砂型在100℃的烘箱中保溫2h硬化后,可以直接用作砂型鑄造,其抗拉強(qiáng)度達(dá)3.3MPa。值得一提的是,目前SLS用覆膜砂粉體材料正朝著小顆粒方向發(fā)展,以德國EOS公司為代表,采用的是粒度100/200目甚至更細(xì)的覆膜砂。國內(nèi)這方面的研究有一定的差距。徐培等對(duì)覆膜砂的粉體特性進(jìn)行了研究,以角形系數(shù)小、極似球形的寶珠砂作為原砂,酚醛樹脂含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))僅為1.5%~2.5%的寶珠砂進(jìn)行覆膜工藝優(yōu)化,獲得試件的常溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到了6.2MPa。但目前專門開發(fā)的SLS覆膜砂價(jià)格普遍偏高,擴(kuò)大應(yīng)用受到限制。因此,目前SLS研究的重點(diǎn)是激光燒結(jié)粉末材料的研制。覆膜砂SLS砂型鑄造采用SLS工藝,用覆膜砂直接制造整體砂型或型芯(見圖2),最終的砂型可用于有色金屬、鑄鐵、鑄鋼件等的澆注。但受設(shè)備成形空間的限制,該方法主要適用于中小型復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)。尤其是單件、小批量鑄件的制造或新產(chǎn)品試制。在航空航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體、缸蓋生產(chǎn)等得到實(shí)際應(yīng)用。圖2b為SLS覆膜砂砂芯,其中砂芯流道形狀復(fù)雜,沿空間任意方向彎扭,有的流道細(xì)長且最小直徑僅為6mm。采用基于激光燒結(jié)原理的無模精密砂型快速鑄造技術(shù)制備出的鑄件見圖3,該鋁鑄件具有尺寸精度高、表面粗糙度可與金屬型鑄造相媲美的特點(diǎn)。2其他鑄造砂型基于三維打印原理的無模砂型RC技術(shù)同SLS技術(shù)相似,都是基于粉末材料分層疊加思想,區(qū)別在于前者是微滴噴射粘結(jié)成型,原理見圖4。三維打印原理制造的砂型經(jīng)低溫烘焙干燥處理工藝便可直接進(jìn)行澆注。但在低溫烘焙過程中,由于加熱爐對(duì)砂型加熱不均勻,部分粘結(jié)劑受熱揮發(fā),使其局部的粘結(jié)強(qiáng)度下降。另外,留存在砂型中的粘結(jié)劑填充了型砂之間的孔隙,使砂型的透氣性降低、發(fā)氣量增大,鑄件容易產(chǎn)生粘砂和氣孔等缺陷。針對(duì)這些問題,研究者開發(fā)出低發(fā)氣量的粘結(jié)劑材料,并通過優(yōu)化噴射掃描路徑降低粘結(jié)劑用量等措施提高砂型性能,使得鑄件的缺陷明顯減少。三維打印工藝無需激光器等高成本設(shè)備,成本相對(duì)較低,且可以采用傳統(tǒng)工藝中的水洗砂、粘結(jié)劑等,無需特殊的處理,因此應(yīng)用較為廣泛。但仍存在一些問題需要進(jìn)一步完善,如:噴頭易堵塞、生產(chǎn)速度受粘結(jié)劑噴射量的限制等。目前,基于三維打印原理的無模精密砂型快速鑄造技術(shù)有:我國的無模鑄型制造技術(shù)(PCM)、德國GenerisGmbH的GS(GenerisRPSystems)工藝、美國的直接殼型制造技術(shù)(DSPC)、ZCorp公司的ZCastDirectMetalCasting工藝、ExOne公司的ProMetalRCT技術(shù)等。無模鑄型制造技術(shù)(PatternlessCastingManufacturing,簡(jiǎn)稱PCM)在三維打印技術(shù)噴射粘結(jié)劑的基礎(chǔ)上,第二個(gè)噴頭沿相同的路徑噴射催化劑,或者雙噴頭一次復(fù)合噴射技術(shù)按照截面輪廓信息同時(shí)噴射粘結(jié)劑和催化劑。兩者進(jìn)行交聯(lián)固化,最終得到具有一定強(qiáng)度的砂型,在型腔上涂上涂料之后就能用于澆注鑄件。PCM技術(shù)的原砂、粘結(jié)劑等基本沿襲了傳統(tǒng)樹脂砂的要求,采用傳統(tǒng)鑄造中的70/140樹脂砂。結(jié)合PCM工藝特點(diǎn),對(duì)粘結(jié)劑和催化劑的物理化學(xué)性能也有特殊要求。目前,效果最好的是采用呋喃樹脂作為粘結(jié)劑,甲苯磺酸作為催化劑。采用PCM技術(shù)制造砂型,成本低廉、砂型強(qiáng)度較高,無需特殊的后處理,但其表面質(zhì)量有待進(jìn)一步提高。該技術(shù)尤其適用于大中型鑄型的制造。圖5為采用PCM工藝制造的葉輪。美國Soligen公司根據(jù)美國麻省理工學(xué)院(MIT)的三維打印專利開發(fā)形成了直接殼型鑄造(DirectShellProductionCasting,簡(jiǎn)稱DSPC)技術(shù)。該工藝采用陶瓷粉末作為造型材料,顆粒尺寸在75~150μm之間,因此鑄型的表面質(zhì)量較高。但由于采用硅酸鹽水溶液作為粘結(jié)劑,獲得的陶瓷鑄型強(qiáng)度較低,必須經(jīng)過焙燒之后才能用于澆注,因此一般適用于中小型鑄型的制造。ZCorp公司將(三維打印)工藝與鑄造工藝相結(jié)合,推出了ZCastDirectMetalCasting工藝。ZCast工藝能達(dá)到的最高澆注溫度為1100℃,可制造出壁厚為12mm的型殼,主要適用于有色金屬砂型制造。ZCast一般采用鑄造砂、塑料和其他添加物的混合物501粉末作為材料。BudzikG的研究發(fā)現(xiàn),標(biāo)準(zhǔn)的ZP14粉末也可作為打印材料,且成本相對(duì)較低。該粉末的使用有利于降低打印成本,為三維打印砂型鑄造提供支持。ExOne公司的ProMetalRCT技術(shù)是一種專門制作鑄造砂型的3DP技術(shù),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(zhì)。成形件(砂型)不需要特別的后處理工序,進(jìn)行清掃后就可以用于鑄造生產(chǎn)。ProMetalRCT技術(shù)的工作空間達(dá)到1800mm×1000mm×700mm,層厚為0.28~0.50mm,打印速度為59400~108000cm3/h,可用于大型鑄型的制造。ProMetalRCT技術(shù)打印的砂型見圖6。德國Generis公司是采用三維打印原理進(jìn)行鑄型制造的專業(yè)公司,取得MIT的3DP專利許可推出了GS工藝。GS工藝采用多通道噴頭向砂床均勻噴射樹脂,然后由一個(gè)噴頭依據(jù)輪廓路徑噴射催化劑,催化劑遇樹脂后發(fā)生膠聯(lián)反應(yīng),使鑄型層固化堆積形成砂型。由于該工藝采用了多噴頭成型,效率較高,可用于大中型砂型鑄造。但在成型過程中,整個(gè)型砂表面均噴射粘結(jié)劑,造成型砂和粘結(jié)劑的大量浪費(fèi),同時(shí)砂型表面浮砂清除困難,需要特殊的后處理工序。實(shí)際上,由于三維打印工藝的砂型低溫烘焙時(shí)間長且難以掌握,導(dǎo)致制造周期延長且烘焙后強(qiáng)度不均勻,使得砂型的3DP工藝及其設(shè)備在我國鑄造領(lǐng)域并未得到大范圍應(yīng)用和推廣。目前,采用微波加熱的方式對(duì)3DP砂型進(jìn)行后處理,既解決了微波加熱的模具材料問題,又大大縮短了鑄型的烘焙時(shí)間,具有很好的應(yīng)用前景。基于三維打印原理的無模精密砂型快速鑄造技術(shù)相比于SLS工藝,它用噴頭代替了激光器,設(shè)備投資小、運(yùn)行成本低、壽命長、維護(hù)簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)性好。一旦很好解決噴頭堵塞問題,使設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定工作,在鑄造領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛地應(yīng)用。3鑄型數(shù)控加工砂型的生產(chǎn)基于數(shù)控加工原理的無模精密砂型RC技術(shù)不同于前述的離散/堆積原理快速成形技術(shù),它是基于去除原理的制造方法獲得砂型的工藝。適用于該項(xiàng)技術(shù)的有水玻璃砂型、樹脂砂型、覆膜砂型等鑄造用砂型,且采用的是粒度70/140目的傳統(tǒng)水洗砂。數(shù)控加工砂型快速鑄造技術(shù)具有數(shù)控加工的優(yōu)點(diǎn),即成形精度高,表面質(zhì)量比較好;也繼承了它的缺點(diǎn),受工裝夾具的限制,柔性比較差。一般適合于形狀復(fù)雜的大中型砂型的生產(chǎn),多用于汽車零部件、機(jī)械設(shè)備砂型的制造。直接模具銑削工藝(DirectMoldMilling,DMM)是德國ACTech公司提出的專利,它是數(shù)控加工與砂型鑄造的結(jié)合,可在短期內(nèi)制造出數(shù)量更多的鑄型。DMM工藝見圖7。將準(zhǔn)備好的型砂置于數(shù)控銑削中心,用銑削工具對(duì)其進(jìn)行加工,最終獲得完整的砂型或型芯。獲得的單個(gè)鑄型最大尺寸可達(dá)到2.5m。DMM工藝對(duì)砂型進(jìn)行分割,可用于制造出接近無限大的模具及快速原型,因此一般用于大型鑄件的生產(chǎn)。但受銑削工具活動(dòng)范圍限制,不適合于形狀十分復(fù)雜,尤其是內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件生產(chǎn)。該工藝對(duì)型砂直接加工,大型鑄件的生產(chǎn)周期從原來的2~3周縮短到1周左右,且鑄件的精度較高,也適用于新產(chǎn)品的研究試制及單件或小批量的大型鑄件的近凈成形。國內(nèi),機(jī)械科學(xué)研究總院首先開展了鑄型數(shù)控加工制造技術(shù)的研究工作,進(jìn)行了刀具材料、加工工藝、系統(tǒng)軟件等研究工作,研發(fā)的鑄型數(shù)控加工成形機(jī)已經(jīng)商業(yè)化。目前能夠使用的砂型有水玻璃砂型、樹脂砂型、覆膜砂型等。制造鑄型尺寸為930mm×430mm×240mm的汽車罩殼件,耗時(shí)30h左右,誤差最大值僅為0.1mm,開發(fā)周期由傳統(tǒng)的2~4個(gè)月縮至5天,模具毛坯加工余量大幅度減少,由15~20mm減至3~5mm。圖8是采用無模鑄型數(shù)控加工工藝獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體砂芯。基于數(shù)控加工原理的無模精密砂型RC技術(shù),利用三維造型軟件進(jìn)行造型后,在計(jì)算機(jī)的控制下直接對(duì)鑄造砂型進(jìn)行銑削加工,既縮短了制造時(shí)間,節(jié)約了成本,又提高了砂型的加工精度,使鑄件的加工余量降低。成形區(qū)域范圍較大,可用于汽車產(chǎn)業(yè)、模具等產(chǎn)品的快速試制,也可用于大型核電、水電等重要裝備中關(guān)鍵的大型零件的砂型制造,具有很好的應(yīng)用前景。但該工藝對(duì)型砂直接切削加工,存在著復(fù)雜薄壁型砂加工易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象,因此不適合薄壁件的生產(chǎn)。并且表面粗糙高速旋轉(zhuǎn)的刀具加工砂型易磨損或崩刃,要求砂的粒徑比較小,一般用于大型、型殼較厚的精密砂型的制造。4研究方向展望近年來,無模精密砂型RC技術(shù)在設(shè)備開發(fā)、工藝條件等方面已