余東滿，李曉靜

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽473009)

在我國精密鑄造領(lǐng)域主要存在3 個難題: (1)生產(chǎn)效率不夠高，導(dǎo)致產(chǎn)品的成本難以控制; (2)造型無法再次利用，生產(chǎn)規(guī)模較小; (3)造型原材料利用率低，生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境差。這也是鑄造行業(yè)被視為工藝原始、效率低下、污染嚴重的重要原因。如果將快速成型技術(shù)和精密鑄造技術(shù)結(jié)合起來，可以有效地解決這些難題，從而提高產(chǎn)品的競爭力［1］。

快速成型(Rapid Prototyping，RP)技術(shù)是一種直接利用CAD 數(shù)據(jù)制造產(chǎn)品零部件的快速制造技術(shù)。主要優(yōu)勢在于快速成型技術(shù)的柔性高，速度快，不需要工裝、刀具即可完成復(fù)雜形狀產(chǎn)品的制造，是一種“無模制造”技術(shù)，快速成型技術(shù)可以縮短產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，并提高產(chǎn)品的制造質(zhì)量。光固化快速成型技術(shù)又被稱為立體光刻成型(Stereo Lithography Apparatus，SLA)技術(shù)，這是一種利用液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理的快速成型技術(shù)，其特點是不僅制造的速度快、精度高，并且使整個設(shè)計和制造過程能夠脫離車間而在辦公室內(nèi)進行［2］。

精密鑄造技術(shù)是一種采用易熔材料制作模樣，并用耐火材料包覆后制成型殼，再放置高溫環(huán)境下將模樣熔化排出，得到無分型面的鑄型，高溫焙燒后澆注金屬，從而獲得高精度成品的精密鑄造技術(shù)，也被稱為熔模鑄造［3］。利用精密鑄造技術(shù)可以獲得精密的鑄件，不加工或少量加工就能直接使用。

快速成型技術(shù)和精密鑄造技術(shù)具有聯(lián)系性和互補性，一方面兩者都適合制造形狀復(fù)雜的零件，另一方面沒有快速成型技術(shù)，熔模的生產(chǎn)就是精密鑄造的瓶頸階段;而沒有精密鑄造，快速成型技術(shù)的應(yīng)用就有很大的局限性［4］。基于光固化成型的快速精鑄技術(shù)具有光固化成型與精密鑄造的優(yōu)勢: (1)柔性好，能夠制造形狀復(fù)雜零件;(2)能對產(chǎn)品進行整體制造;(3)能制造合金產(chǎn)品;(4)無需模具和工裝，降低成本; (5)由CAD 數(shù)據(jù)制造，產(chǎn)品修正方便快捷。而采用光敏樹脂材料取代蠟?zāi)＃軌蛱岣呷勰５纳a(chǎn)效率，這對于精密鑄造行業(yè)有著重要意義。

1 工藝原理與流程

快速精密鑄造技術(shù)要先通過CAD 數(shù)據(jù)模型，采用快速成型技術(shù)制得模樣原型，如通過SLA 技術(shù)制得光敏樹脂材料模樣原型，然后采用掛漿淋砂法在光敏樹脂模樣上涂掛耐火型殼，通過高溫焙燒使光敏樹脂模樣燃燒去除，最后進行金屬澆注得到產(chǎn)品，從而實現(xiàn)高速制造和降低成本的目的。快速精密鑄造技術(shù)工藝流程見圖1。

采用光固化原型代替蠟?zāi)ｈT造功能零件，這一工藝方法能為數(shù)量較少及單件復(fù)雜精密零件成型提供無模具的快捷制造方法［5］。由于是通過CAD 數(shù)據(jù)模型開始制造的，因此在得到產(chǎn)品后進行測量，可以直接修正CAD 數(shù)據(jù)，從而快速獲得精確的產(chǎn)品，這為新產(chǎn)品的研制開發(fā)提供了更有效率的技術(shù)途徑。

圖1 快速精密鑄造技術(shù)工藝流程

2 快速精密鑄造工藝

文中通過國營11 廠加工出的渦輪葉片說明快速精密鑄造工藝流程。首先要使用渦輪葉片的三維CAD 數(shù)據(jù)模型，通過SPS600 快速成型機獲得其樹脂模樣，然后依靠模樣形成耐火型殼中型腔的模型，采用熔模鑄造法澆注出金屬型葉片［6］。SPS600 快速成型機及其工作原理如圖2 所示。

圖2 光固化快速成型機實物照片及成型原理示意圖

2.1 快速成型

快速精密鑄造工藝的第一步就是制作模樣。模樣是金屬產(chǎn)品的原型，也是耐火型殼中型腔的模型，模樣的精度直接影響金屬鑄件的產(chǎn)品質(zhì)量。因此，模樣應(yīng)該具有很高的尺寸精度和表面光潔度。此外熔模本身的性能還應(yīng)盡可能使隨后的制造型殼等工序簡單易行［7］。

采用光固化快速成型方法制作模樣，要先將產(chǎn)品的CAD 數(shù)據(jù)模樣轉(zhuǎn)化成STL (STereo Lithography)文件格式，渦輪葉片的CAD 設(shè)計模型如圖3 (a)所示。然后對STL 文件進行分層處理，得到離散的一系列的二維形狀層片。在制作過程中，光敏樹脂材料被紫外光照射產(chǎn)生聚合反應(yīng)，由液態(tài)轉(zhuǎn)換為固態(tài)，通過掃描二維層片進行逐層固化疊加，最終得到三維的實體原型。生產(chǎn)的三維樹脂原型如3 (b)所示。

圖3 渦輪葉片的模型

2.2 制造型殼

2.2.1 選用材料

樹脂模樣制作完后，要在其外覆蓋耐火材料制成型殼。用來制作型殼的材料有兩種:一種是直接形成型殼的材料，如耐火材料、黏結(jié)劑等，主要有石英和剛玉;另一類是硬化劑、表面活性劑材料，如硅酸乙酯水解液、水玻璃和硅溶膠等。

2.2.2 制殼工藝

(1)除油與脫脂。為了提高制造精度和涂料潤濕模組表面的能力，在制殼前，要先將模樣表面的油污清理干凈。

(2)添加導(dǎo)氣孔。在樹脂模樣上安裝蠟棒，使模樣在受熱時能將模殼內(nèi)的壓力導(dǎo)出，防止型殼脹裂，并使高溫下燃燒更加充分，灰分殘留較低。

(3)連接澆道。依照通常的方法連接澆道，使得蠟與樹脂兩種不同的材料可以粘接牢固。

(4)掛漿與淋砂。將模樣浸泡在漿料中，從而使?jié){料能夠充分地潤濕樹脂模樣，并在其表面覆蓋均勻，然后進行淋砂。

(5)干燥與硬化。每層型殼都要進行，通過干燥與硬化工序，使?jié){料中的黏結(jié)劑由溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，從而將耐火材料粘結(jié)牢固。

(6)疏通氣孔。脫蠟前破開氣孔蠟棒頂端的外殼，用燒紅的鐵絲刺透蠟棒，形成空氣貫通孔。

(7)脫蠟處理。待型殼硬化，需要將模組熔去。通常采用蒸汽脫蠟的方式進行:溫度165 ℃，壓力0.35 MPa，時間10 ～15 min。脫蠟后樹脂模不發(fā)生明顯形變，對外殼影響小。

(8)焙燒型殼。焙燒型殼時要先將型殼埋入箱內(nèi)的砂粒之中，再裝爐焙燒。通常的入爐溫度是750℃，之后升高到900 ～1 100 ℃保持2 h。在型殼焙燒的同時，脫脂氣化同步進行。

2.3 澆鑄鑄件

2.3.1 工藝參數(shù)

選擇20CrNiMo 作為材料，要求成型零件應(yīng)具有空間交錯結(jié)構(gòu)，變截面氣膜孔，形狀完整，輪廓清晰。外部矩形尺寸4.5 mm×2.25 mm，內(nèi)部矩形尺寸2 mm×1.8 mm。

2.3.2 澆注鑄件

采用熱型重力澆注進行澆注，具體方法是將型殼從焙燒爐中取出，在高溫環(huán)境下進行澆注。這種方法的優(yōu)點在于高溫環(huán)境下澆注金屬的流動性比較好，可以很好地將鑄型填充，獲得的鑄件能夠精確地復(fù)制型腔的形狀，鑄造精度比較高。缺點是在熱型中澆注，金屬冷卻速度慢，導(dǎo)致金屬晶粒粗大，從而使鑄件的機械性能下降。此外，在澆注碳鋼材料時，鑄件的冷卻速度較慢還易氧化和脫碳，對鑄件的硬度、光潔度和尺寸精度造成影響。

2.3.3 清理鑄件

清理鑄件的方法:(1)去除鑄件上的型殼;(2)將鑄件從澆注系統(tǒng)上取下; (3)將鑄件上粘附的型殼耐火材料去除; (4)清理鑄件在熱處理之后的氧化皮、切邊和切割澆口殘余等。渦輪葉片的陶瓷鑄型和精密鑄件分別如圖4 (a)、(b)所示。

圖4 渦輪葉片的模型

3 結(jié)論

通過采用光固化快速成型技術(shù)獲取樹脂材料模樣，隨后用不同的金屬材料(不銹鋼和鋁)進行精密鑄造，分為3 組鑄件進行加工試驗，小批量試生產(chǎn)30 件均獲得了成功。加工試驗證實:基于快速成型技術(shù)的快速精密鑄造工藝能夠完全省去傳統(tǒng)易熔模鑄造工藝中的模具加工環(huán)節(jié)，解決了傳統(tǒng)鑄造中模具制造難度大、周期長、費用高的難題，縮短了生產(chǎn)時間，降低了生產(chǎn)成本。此外，快速精密鑄造工藝的柔性較好，可以加工形狀較為復(fù)雜的零件，為小批量精密熔?？焖勹T造工藝提供了一種新的手段。

［1］劉偉軍．快速成型技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2006．

［2］張宇紅，曾俊華，洪軍．大型零件光固化快速成型工藝研究［J］．計算機集成制造系統(tǒng)，2007(3):553－557．

［3］李邦盛，任明星，傅恒志．微精密鑄造工藝研究進展［J］．鑄造，2007，56(7):673－678．

［4］彭艷鋒．激光快速成型與傳統(tǒng)精密鑄造技術(shù)的工藝組合應(yīng)用［J］．航天制造技術(shù)，2005(5):25－28．

［5］傅蔡安．精密熔模鑄造小批量快速制造法的研究［J］．成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2007，24(3):52－54．

［6］佚名．SLA 樹脂模精密鑄造工藝項目驗收報告［R］．陜西，2009．

［7］韓偉，于望生，孔勝國．無余量精密鑄造大型渦輪葉片模具設(shè)計［J］．特種鑄造及有色合金，2008，28(11):864－865．