1 概述

從快速鑄造技術(shù)的特點(diǎn)看，快速鑄造主要涉及快速成形、數(shù)控加工和鑄造三個(gè)領(lǐng)域?？焖俪尚危≧apid Prototyping，RP）技術(shù)，采用增材制造（Material Increase Manufacture，MIM）原理，可以直接利用三維CAD數(shù)據(jù)，無(wú)需模具直接制造出空間形狀任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)，是近20年來(lái)制造技術(shù)領(lǐng)域的重大突破，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分[1-4]。將快速成形技術(shù)與鑄造技術(shù)相結(jié)合，可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，使設(shè)計(jì)-修改-再設(shè)計(jì)-制模-造型-澆注這一冗長(zhǎng)的傳統(tǒng)鑄造過(guò)程得到大大簡(jiǎn)化，顯著縮短鑄件的生產(chǎn)周期，是一種通過(guò)縮短制模周期來(lái)實(shí)現(xiàn)快速鑄造的方法。

數(shù)控銑削砂型（芯）技術(shù)是將現(xiàn)有成熟的數(shù)控加工技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)制造理念，滿足了鑄件制造速度快、表面質(zhì)量好、加工成本低這一現(xiàn)實(shí)需求。其制備的鑄件尺寸精度及表面質(zhì)量均有較大的提高，已成為一種新型的特種鑄造方法[5-6]。另外，數(shù)控銑削技術(shù)同樣可與消失模鑄造技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)消失模白模的快速精密成形，該成形工藝?yán)肅AD模型驅(qū)動(dòng)在數(shù)控機(jī)床上加工出用于澆注的消失模原型[7-8]，特別適合單件小批量大型鑄件的快速精密鑄造。

快速鑄造技術(shù)（Rapid Casting，RC）是將快速成形技術(shù)與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)相結(jié)合形成的鑄造技術(shù)[9]，近年來(lái)，數(shù)控銑削技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)快速鑄造的定義進(jìn)行了擴(kuò)充。過(guò)去，快速鑄造所涉及的三個(gè)領(lǐng)域，沒(méi)能形成一個(gè)完整的體系，各自的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)不明顯，因此將三者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，拓展鑄造的支撐技術(shù)，需要進(jìn)行更多共性技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用。

目前，我國(guó)的鑄造企業(yè)在生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備、管理水平及精密鑄件質(zhì)量等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大差距。如何通過(guò)鑄造生產(chǎn)流程的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多種類鑄件的高效、敏捷制造，滿足日益多樣化的鑄件產(chǎn)品定制需求，已成為我國(guó)鑄造學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同面臨的課題。西安交通大學(xué)自1993年起就在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展SLA快速成形系統(tǒng)的研究，并將其應(yīng)用于快速鑄造；華中科技大學(xué)快速制造中心將SLS與鑄造工藝相結(jié)合，形成了以SLS為基礎(chǔ)的鑄造熔模、砂型、陶瓷芯快速制造方案。北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司以快速鑄造為應(yīng)用對(duì)象開(kāi)展了SLS裝備與工藝開(kāi)發(fā)[10]。此外，機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心在解決砂塵防護(hù)及廢砂回收利用問(wèn)題，佛山市峰華自動(dòng)成形裝備有限公司在大型砂坯制備，西北農(nóng)林科技大學(xué)在精加工刀具方面都各自取得了較大進(jìn)展[6]。

在發(fā)展快速成形技術(shù)方面，美國(guó)一直處于領(lǐng)先地位，美國(guó)Sandia國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于1996年前后研究了基于聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）粉末的SLS技術(shù)，成功將其應(yīng)用于熔模鑄造。德國(guó)EOS公司和美國(guó)DTM公司分別于1998和1999年推出了以聚苯乙烯（Polystyrene，PS）為基體的SLS材料，適合熔模鑄造工藝[10-13]。日本、德國(guó)、英國(guó)等競(jìng)相研究開(kāi)發(fā)新型快速成形技術(shù)，通過(guò)在精密鑄造中應(yīng)用快速成形技術(shù)，解決了傳統(tǒng)精密鑄造中蠟?zāi)Ｖ圃熘芷谶^(guò)長(zhǎng)的瓶頸問(wèn)題[14-15]。

在砂型（芯）的快速成形方面，德國(guó)EOS公司早在1996年就在寶馬公司安裝了其研發(fā)的EOSINT S 700砂質(zhì)激光燒結(jié)系統(tǒng)[10]；Voxijet公司開(kāi)發(fā)了4 m行程大型砂型打印機(jī)和連續(xù)式打印機(jī)；ExOne公司開(kāi)發(fā)了噴膠法砂型打印技術(shù)。

在砂型的數(shù)控銑削方面，德國(guó)Actech公司最先研發(fā)砂型數(shù)控直接銑削加工工藝設(shè)備，顯著縮短了鑄造的生產(chǎn)周期[7]。德國(guó)Metrom公司研制的P2000M型高速五軸數(shù)控并聯(lián)機(jī)床銑削砂型設(shè)備首次采用5桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)和5環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)主軸部件[16]。MASTER系列的CNC還可以通過(guò)BACCI獨(dú)特開(kāi)發(fā)的數(shù)值模擬軟件PITAGORA進(jìn)行編程檢查、優(yōu)化及模擬實(shí)際加工，可實(shí)現(xiàn)加工砂型（芯）產(chǎn)品出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)降至為零。

隨著研究的不斷開(kāi)展，與快速鑄造工藝相適應(yīng)的鑄型材料不斷出現(xiàn)，如殘留低于0.3%的光敏樹(shù)脂和PS材料，發(fā)氣量低的快速成形砂型材料；鑄型表面質(zhì)量和精度快速提高，首飾和義齒經(jīng)快速鑄造成形后已不必進(jìn)行人工處理；早前的快速鑄造技術(shù)是快速原型制造去適應(yīng)鑄造工藝，而隨著兩者的不斷融合，適合快速鑄造流程的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也被提上了日程。

綜上所述，復(fù)雜零件快速鑄造技術(shù)的研究，有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。它可以解決復(fù)雜件制造的時(shí)間—成本制約瓶頸，大大縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，支撐新產(chǎn)品快速制造開(kāi)發(fā)，能有效提升企業(yè)集團(tuán)、國(guó)家關(guān)鍵行業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)制造業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。

我國(guó)快速鑄造技術(shù)研究水平總體處于國(guó)際第一陣營(yíng)，在鑄造原型的SLA成形、鑄型的SLS成形、高速數(shù)控銑削無(wú)模成形鑄型及消失模等方面積累了大量自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在部分設(shè)備成形尺寸、造型材料和后期工藝方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在應(yīng)用層面，快速鑄造已成功用于航空航天關(guān)鍵零部件、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋等產(chǎn)品的生產(chǎn)和試制，成為我國(guó)汽車(chē)動(dòng)力總成試制的標(biāo)準(zhǔn)方法，有效加速了小批量鑄件試制及生產(chǎn)的流程。

在新工藝融入傳統(tǒng)工藝的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生很多技術(shù)難點(diǎn)，主要可以概括為以下幾個(gè)方面：

1）新工藝的融入引入了新的工藝環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的材料體系可能不能滿足新的工藝要求，新的材料體系開(kāi)發(fā)是一大難點(diǎn)。

2）新的工藝融入了粘合、燒結(jié)、切削等新工藝，會(huì)產(chǎn)生新的工藝標(biāo)準(zhǔn)。例如熔模鑄造蠟?zāi)５闹圃?，SLS技術(shù)的引入使得蠟?zāi)１砻尜|(zhì)量、尺寸受到限制，需要制定新的工藝標(biāo)準(zhǔn)。

3）在復(fù)雜小型、中型、大型鑄件的快速試制、和小批量生產(chǎn)方面，設(shè)備大型化、精密化和高效化對(duì)相關(guān)設(shè)備的研發(fā)提出了更高的要求。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 適用于快速鑄造技術(shù)的制模及造型材料體系開(kāi)發(fā)

2.1.1 現(xiàn)狀

在快速鑄造技術(shù)中，快速成形技術(shù)在鑄造中的應(yīng)用主要包括兩個(gè)方面：鑄件的快速鑄造和鑄造模具的快速制造，目前主要涉及到復(fù)雜熔模、砂型（芯）、陶瓷芯的SLS粉末材料制備及其成形工藝等關(guān)鍵技術(shù)[14]。用于快速鑄造的粉末材料，不僅要考慮其在快速成形過(guò)程中的成形性能，還要考慮其用于后續(xù)鑄造環(huán)節(jié)的諸多性能，例如熔模鑄造過(guò)程中蠟?zāi)５膹?qiáng)度、流動(dòng)性、殘留灰分等。

在復(fù)雜熔模工藝方面，SLS熔?？捎镁郾揭蚁┗≒S）和高沖擊聚苯乙烯基（HIPS）高分子粉末材料的制備方法，該方法采用深冷粉碎的工藝制備粉末材料，其分解殘留灰分均為0.3%，SLS成形件彎曲強(qiáng)度分別達(dá)6.89 MPa和20.48 MPa，相對(duì)傳統(tǒng)PC粉末，預(yù)熱溫度較低，翹曲變形小，成形性能優(yōu)良，熔點(diǎn)更低，流動(dòng)性更好，基本可滿足不同尺寸和強(qiáng)度要求的復(fù)雜熔模成形[17]。在砂型（芯）制備方面，華中科技大學(xué)研制的復(fù)合粘接劑覆膜砂粉末，其SLS初始形坯拉伸強(qiáng)度為0.45MPa，后固化強(qiáng)度為3.8MPa，發(fā)氣量為16.7 mL/g，可滿足砂型鑄造工藝要求[18]。在陶瓷芯制備方面，Al2O3-聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）- 非晶態(tài)高聚物環(huán)氧樹(shù)脂 E06（Epoxy Resin E06，ER6）復(fù)合粉末，其SLS陶瓷芯的相對(duì)密度和彎曲強(qiáng)度分別為92%和175 MPa，可滿足高溫合金復(fù)雜零件的鑄造要求。

2.1.2 挑戰(zhàn)

在SLS熔模制備方面，作為鑄造熔模的SLS粉末材料不僅要考慮其成形件的強(qiáng)度和精度，更要考慮后續(xù)的脫除工藝。雖然新型HIPS粉末較傳統(tǒng)PS粉末在成形性能和殘留灰分的問(wèn)題上有所改善，但仍然存在著翹曲變形、流動(dòng)性以及殘余灰分的問(wèn)題。且二者的孔隙率均超過(guò)50%，表面粗糙度較高，需要經(jīng)過(guò)表面除粉、滲蠟等后處理，增加了工藝環(huán)節(jié)和工藝成本。SLS覆膜砂型（芯）的初始強(qiáng)度較低，拉伸強(qiáng)度約為0.45 MPa，不能滿足澆注鑄件的要求，因此需要再次加溫后固化以提高其強(qiáng)度[19]。此外，研究結(jié)果表明，SLS覆膜砂型（芯）的精度不高，表面粗糙，需要浸泡涂料才能達(dá)到滿意的效果，并且不能成形具有精細(xì)以及具有懸臂結(jié)構(gòu)的砂型（芯）。以上兩種粉末以及陶瓷粉末的成形質(zhì)量均受到粉末材料成分及粉末粒度及粒形的影響，粉末材料的制備工藝也就成為了制約制模及造型的重要因素。因此，大力發(fā)展適用于快速鑄造技術(shù)的制模及造型材料體系開(kāi)發(fā)，滿足快速鑄造對(duì)于制模及造型材料體系要求，是當(dāng)前面臨的一大挑戰(zhàn)。

2.1.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

完善用于快速鑄造技術(shù)的制模及造型的材料制備方法及對(duì)應(yīng)的系列粉末材料，研究用于鑄造熔模、砂型（芯）、陶瓷芯的SLS成形材料制備方法及其對(duì)應(yīng)的系列粉末材料，獲得SLS材料的力學(xué)、熱特性以及理化性能等鑄造模擬和鑄造工藝設(shè)計(jì)所需的材料參數(shù)。提高快速成形鑄造原型及模具的各項(xiàng)性能，縮短生產(chǎn)周期30%，不良品率降低30%，材料成本降低30%.

2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

形成集鑄造用熔模、砂型（芯）、陶瓷芯SLS材料及其成形工藝的成套技術(shù)。試點(diǎn)示范項(xiàng)目材料成本降低50%，產(chǎn)品生產(chǎn)周期縮短50%，不良品率降低50%.

2.2 基于激光燒結(jié)工藝的快速鑄造技術(shù)

2.2.1 現(xiàn)狀

激光選區(qū)燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）是一種較早應(yīng)用于鑄造的3D打印技術(shù)[20-24]。將激光燒結(jié)3D打印技術(shù)應(yīng)用于精密鑄造，主要采用兩種工藝途徑：一是采用激光燒結(jié)高分子粉末，制造精密鑄造熔模，代替原來(lái)的蠟?zāi)褐七^(guò)程；二是采用激光燒結(jié)覆膜樹(shù)脂砂或陶瓷粉末等，直接制造精密鑄造砂型（芯）或者陶瓷芯，再經(jīng)過(guò)后處理后，用于澆注金屬零件。

在利用SLS技術(shù)制作精密鑄造熔模方面，1993年美國(guó)DTM公司（現(xiàn)3D Systems公司）認(rèn)為PC粉末在快速制造薄壁和精密零件、復(fù)雜零件、需要耐高溫和低溫的零件方面比蠟更具有優(yōu)勢(shì)。此后，德國(guó)EOS公司和美國(guó)DTM公司分別于1998年、1999年推出了以聚苯乙烯（PS）為基體的SLS材料。目前，PS已取代了PC，在熔模鑄造領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。砂型SLS快速制造的研究從20世紀(jì)90年代開(kāi)始。美國(guó)DTM公司開(kāi)發(fā)的Solid Form Si或Zr樹(shù)脂覆膜砂材料，經(jīng)SLS成形后，可以用于汽車(chē)制造業(yè)及航空工業(yè)等合金零件的生產(chǎn)[5]。

國(guó)內(nèi)在將激光燒結(jié)快速成形用于快速鑄造技術(shù)方面也取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。華中科技大學(xué)快速制造中心將SLS與鑄造工藝相結(jié)合，形成了以SLS為基礎(chǔ)的快速鑄造方案，該中心研發(fā)的系列SLS制造系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)最早商品化的SLS裝備之一，可燒結(jié)塑料、石蠟、陶瓷、金屬、覆膜砂等多種粉末材料以滿足不同鑄型的制造需求。

2.2.2 挑戰(zhàn)

目前，熔模和砂型（芯）3D打印已占增材制造技術(shù)總應(yīng)用量的9%，同時(shí)還具備巨大發(fā)展空間。但是，目前基于SLS技術(shù)的快速鑄造獲得的熔模鑄件精度為CT7～8，表面粗糙度為Ra3.2～6.3 μm；生產(chǎn)出的砂型鑄件的尺寸精度可達(dá)CT8～10，表面粗糙度在Ra12.6 μm左右，鑄件的精度有待進(jìn)一步提高。目前，SLS成形件的最大尺寸為1 400 mm×1 400 mm×500 mm，仍無(wú)法滿足大部分大、中型鑄件的尺寸要求。

2.2.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

SLS技術(shù)成形砂型尺寸提升30%，砂型及陶瓷芯的成形速度提升30%，成形精度及表面質(zhì)量提升1～2個(gè)等級(jí)，重點(diǎn)研究高精度的高分子熔模SLS技術(shù)，高精度砂型（芯）SLS技術(shù)，高精度陶瓷芯SLS技術(shù)，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)快速熔模和快速砂型（芯）的高質(zhì)高效工程化生產(chǎn)裝備。

2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

以復(fù)雜大、中型鑄件小批量生產(chǎn)為應(yīng)用對(duì)象，建立大型熔模和砂型（芯）快速鑄造集生產(chǎn)與檢測(cè)一體的生產(chǎn)線。砂型成形尺寸提升50%，砂型及陶瓷芯的成形速度提升50%，成形精度及表面質(zhì)量提升2個(gè)等級(jí)。

2.3 基于三維印刷技術(shù)的快速鑄造技術(shù)

2.3.1 現(xiàn)狀

三維印刷（3D Printing，3DP）技術(shù)利用打印噴頭噴射液體的方式將固體粉末逐層粘結(jié)成形。與SLS成形比較，3DP技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：成形速度較快；幾乎不存熱應(yīng)力，可以整體成形較大尺寸零件；設(shè)備成本及運(yùn)行成本相對(duì)較低。因此，3DP成形鑄造砂型（芯）、石膏型等有著更廣闊的應(yīng)用前景。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)3DP工藝和設(shè)備做了一系列研究。工藝方面與材料方面，美國(guó)Z Corp是最早研究基于3DP工藝砂型快速成形的公司，其提出了一種最高澆注溫度達(dá)1 100℃的Z Cast工藝。德國(guó)Generis公司推出的GS工藝，其采用多通道噴頭向粉床均勻噴射樹(shù)脂，后由一個(gè)噴頭依據(jù)輪廓路徑噴射催化劑，催化劑遇樹(shù)脂后發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)[5]。清華大學(xué)顏永年等人提出無(wú)模鑄型制造技術(shù)（PCM）.設(shè)備方面，國(guó)外在大臺(tái)面3DP設(shè)備方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，德國(guó)Voxeljet公司生產(chǎn)的VX4000機(jī)型，最大成形尺寸為4 000 mm×2 000 mm×1 000 mm，噴頭寬幅達(dá)到1 120 mm，據(jù)報(bào)道它可以持續(xù)24 h×7天的不間斷工作，且可以批量打印。

由于3DP工藝使用的液體粘結(jié)劑多采用樹(shù)脂或其固化劑，常由于粘結(jié)劑粘度等液體特性不穩(wěn)定導(dǎo)致部分噴嘴堵塞，經(jīng)常更換噴頭會(huì)使成本顯著增加，成為制約3DP快速成形鑄造砂型（芯）整體性能又一主要因素。

2.3.2 挑戰(zhàn)

我國(guó)在對(duì)于3DP技術(shù)的研究尚處于起步階段，尚未出現(xiàn)商品化的工業(yè)級(jí)3DP設(shè)備，現(xiàn)有的3DP技術(shù)目前仍滿足不了我國(guó)高端鑄件產(chǎn)品，特別是航空航天復(fù)雜機(jī)匣、葉片等精鑄件的精度要求，面臨的挑戰(zhàn)包括：大尺寸、高效率、高穩(wěn)定性的3DP技術(shù)及裝備研發(fā)；大型工業(yè)級(jí)抗堵塞噴頭的設(shè)計(jì)和研發(fā)；高強(qiáng)度、低發(fā)氣量的材料體系設(shè)計(jì)和打印工藝研究。

2.3.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

開(kāi)發(fā)出大尺寸、高效率、高穩(wěn)定性的3DP制造裝備，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、低發(fā)氣量的材料體系設(shè)計(jì)和打印工藝，實(shí)現(xiàn)3DP技術(shù)與快速鑄造的深度融合。

2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

提高3DP制造裝備的尺寸、效率以及穩(wěn)定性，使其成形尺寸、效率、精度、強(qiáng)度達(dá)到同類產(chǎn)品國(guó)際先進(jìn)水平。

2.4 快速砂型與消失模的高效數(shù)控銑削成形技術(shù)

2.4.1 現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著數(shù)字化加工技術(shù)在砂型制造中的發(fā)展，特別是數(shù)控銑削砂型（芯）技術(shù)的應(yīng)用，滿足了鑄件制造速度快、表面質(zhì)量好、加工成本低的這一現(xiàn)實(shí)需求。其制備的尺寸精度及表面質(zhì)量均有較大的提高，已成為一種新型的特種鑄造方法。該技術(shù)應(yīng)用于砂型制造為傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)提供了一種綠色的快速制造方法，給鑄造尤其是砂型制造技術(shù)帶來(lái)了根本性的變化，是傳統(tǒng)鑄造工業(yè)的重大改革[5-6]。

對(duì)于消失模鑄造而言，采用數(shù)控切削技術(shù)對(duì)消失模進(jìn)行直接加工的方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于消失模生產(chǎn)領(lǐng)域[14，25-26]。德國(guó)Actech公司于1999年申請(qǐng)了關(guān)于“直接制造用于金屬鑄件的消失模鑄型的設(shè)備及方法”的專利。對(duì)于砂型（芯）制備而言，德國(guó)奧迪汽車(chē)股份有限公司與芬蘭技術(shù)開(kāi)發(fā)研究所共同開(kāi)發(fā)出了機(jī)器人手臂直接銑削砂型加工單元，并且該技術(shù)已經(jīng)成功地在奧迪公司鑄造車(chē)間進(jìn)行加工砂型實(shí)驗(yàn)，試制出了大型車(chē)身砂型，其加工的砂型尺寸達(dá)到3 000 mm×2 200 mm×600 mm.另外，由歐洲共同體提供研究基金和其他方面資助、歐洲14個(gè)單位共同參與，英國(guó)謝菲爾德的鑄造開(kāi)發(fā)中心開(kāi)發(fā)出了大型五軸數(shù)控裝置。此外，意大利寶利諾·巴吉工廠生產(chǎn)裝備的MASTER系列加工中心，可加工出任意復(fù)雜的空間曲面銑削砂型（芯）。

國(guó)內(nèi)機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心從2006年開(kāi)始研究鑄型數(shù)字化技術(shù)，成功研制出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)CAMTC-SMM1000型無(wú)模砂型數(shù)控加工設(shè)備，其氣動(dòng)輔助排砂系統(tǒng)初步解決了砂粒在銑削過(guò)程中砂塵防護(hù)及廢砂回收利用問(wèn)題。佛山市峰華自動(dòng)成形裝備有限公司也開(kāi)發(fā)了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)?；焖僦圃鞌?shù)字化裝備，PCM無(wú)模鑄型快速制造技術(shù)是將CAD計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)、快速成形技術(shù)與樹(shù)脂砂造型工藝有機(jī)結(jié)合而開(kāi)發(fā)出的一種數(shù)字化制造的綜合技術(shù)，進(jìn)行了工藝和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新而開(kāi)發(fā)出的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種先進(jìn)的數(shù)控制造技術(shù)與裝備。

2.4.2 挑戰(zhàn)

近年來(lái)，砂型/芯的銑削加工技術(shù)在專用設(shè)備開(kāi)發(fā)、銑削刀具、數(shù)控銑削加工工藝及清砂等方面已取得了很大的進(jìn)展，在鑄造中得到了一些實(shí)際應(yīng)用，但仍存在一些問(wèn)題急需解決和進(jìn)一步完善。

1）針對(duì)刀具磨損和砂型銑削所需刀具較長(zhǎng)等問(wèn)題，目前對(duì)砂型或其他類似磨粒型、易使刀具磨損的材料進(jìn)行銑削加工時(shí)還沒(méi)有專門(mén)的刀具，因此，研制選擇合適的加工刀具是砂型數(shù)字化加工亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2）針對(duì)目前采用傳統(tǒng)的水玻璃砂、樹(shù)脂自硬砂銑削加工中存在的崩角、坍塌、裂紋和斷裂等問(wèn)題，需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)適合于數(shù)控銑削加工專用的砂坯制備技術(shù)，解決含有精細(xì)結(jié)構(gòu)的砂型銑削難題。

3）目前缺少砂型銑削加工相關(guān)理論依據(jù)和機(jī)理的研究；同時(shí)，銑削加工的砂型鑄造特性也缺少相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，這些均有待于進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)理論分析及試驗(yàn)研究等建立數(shù)據(jù)庫(kù)及相關(guān)統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4）當(dāng)加工砂型尺寸過(guò)大時(shí)，受設(shè)備加工空間的限制無(wú)法滿足需求。目前，該方面的研究?jī)?nèi)容盡管已經(jīng)獲得了較好的成果，但仍需深入探討研究砂型分塊嵌合式組裝加工來(lái)突破銑削設(shè)備尺寸的局限性來(lái)提高砂型裝配精度。

5）在砂型銑削加工過(guò)程中產(chǎn)生的大量廢砂處理方面，目前專用設(shè)備已有排砂系統(tǒng)都不理想，仍需進(jìn)一步完善砂型加工過(guò)程中氣動(dòng)輔助排砂系統(tǒng)研究。

在消失模無(wú)模直接成形方面，當(dāng)采用數(shù)控機(jī)床對(duì)消失模模具進(jìn)行切削加工時(shí)，消失模的表面總顆粒凹陷面積同切削面積的百分比是衡量消失模表面切削質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。發(fā)泡融合度、板材珠粒大小、板材水分以及以上指標(biāo)的檢測(cè)方法均會(huì)對(duì)消失模的加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。此外，加工刀具的選擇以及加工參數(shù)的控制都會(huì)影響消失模的質(zhì)量。

2.4.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

實(shí)現(xiàn)大型件尺寸增加30%～50%，精密件尺寸精度及表面精度提升1～2個(gè)等級(jí)，部分關(guān)鍵復(fù)雜零件一次成形或減少二次加工。設(shè)計(jì)針對(duì)砂型以及消失?？焖巽娤鞯膶Ｓ玫毒?；開(kāi)發(fā)適合于砂型及消失模數(shù)控銑削加工專用的砂坯制備技術(shù)；研究快速銑削鑄造用鑄型及模具的相關(guān)機(jī)理；深入研究砂型分塊嵌合式組裝加工；完善砂型加工過(guò)程中氣動(dòng)輔助排砂系統(tǒng)研究；發(fā)展和完善消失模無(wú)模直接成形技術(shù)。

2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

實(shí)現(xiàn)大型件尺寸增加50%，精密件尺寸精度及表面精度提高2個(gè)級(jí)別，關(guān)鍵復(fù)雜零件一次成形。針對(duì)空天、汽車(chē)、船舶等領(lǐng)域的關(guān)鍵零件，實(shí)現(xiàn)大型化、復(fù)雜化和精密化的提高。

2.5 高可靠性快速鑄造工程化生產(chǎn)裝備的開(kāi)發(fā)和研制

2.5.1 現(xiàn)狀

“十三五”期間，快速鑄造技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是系統(tǒng)研發(fā)適用于不同類型快速鑄造工藝的鑄型材料，提高快速鑄型的強(qiáng)度和精度，發(fā)展適用于多材料和高效率的鑄型快速制造裝備，降低快速鑄造成本，提高快速鑄造技術(shù)效率及工藝可靠性，形成涵蓋材料、工藝與裝備的成套技術(shù)。

在3D打印高端裝備方面，部分指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。例如華中科技大學(xué)最早研制了400 mm×400 mm工作面的SLS裝備，2002年將工作臺(tái)面升至500 mm×500 mm，已超過(guò)當(dāng)時(shí)國(guó)外SLS裝備的最大成形范圍。2005年，該單位陸續(xù)推出了1 000 mm×1 000 mm、1 200 mm×1 200 mm、1 400 mm×700 mm等系列大臺(tái)面SLS裝備，在成形尺寸方面遠(yuǎn)超國(guó)外同類技術(shù)，在成形大尺寸零件方面具有世界領(lǐng)先水平，形成了一定的產(chǎn)品特色。北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)的激光近成形（LENS）裝備，其成形效率超過(guò)了國(guó)外同類水平，在制造飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等重大工業(yè)裝備大型金屬構(gòu)件方面具有世界領(lǐng)先水平[27]。機(jī)械科學(xué)研究總院將數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用于鑄型成形，開(kāi)發(fā)出可用于多種砂型制造的快速砂型銑削技術(shù)及裝備，可加工鑄型最大尺寸達(dá)5000 mm×3000mm×1000mm，在中國(guó)一汽、廣西玉柴等企業(yè)得到推廣應(yīng)用[28]。

德國(guó)EOS公司于2003年推出了具有雙激光頭的EOSINT S 750燒結(jié)系統(tǒng)[29]。美國(guó)ExOne公司開(kāi)發(fā)的噴膠法砂型打印技術(shù)，打印尺寸可達(dá)1 800 mm×1 000 mm×700 mm.

總體而言，在面對(duì)典型復(fù)雜航空器艙體結(jié)構(gòu)件、高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)、典型大型船用發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件等特定需求方面，設(shè)備在大型化、復(fù)雜化、精密化和高效化等方面有一定發(fā)展空間。

2.5.2 挑戰(zhàn)

我國(guó)在相關(guān)設(shè)備大型化上雖然有一定優(yōu)勢(shì)，但由于缺乏核心加工技術(shù)，我國(guó)高可靠性快速鑄造工程化生產(chǎn)裝備的開(kāi)發(fā)和研制在技術(shù)上仍面臨著諸多挑戰(zhàn)：

在復(fù)雜小型、中型、大型鑄件的快速試制和小批量生產(chǎn)方面，針對(duì)快速原型、快速鑄型的3D打印工程化生產(chǎn)設(shè)備方面，我國(guó)相對(duì)世界先進(jìn)水平仍然處于劣勢(shì)。在復(fù)雜鑄型快速鑄造的合金澆注及鑄造裝備方面，相關(guān)研究和開(kāi)發(fā)仍然處于起步階段。在長(zhǎng)流程、多物料的生產(chǎn)過(guò)程的工藝跟蹤與數(shù)據(jù)采集存在難度；復(fù)雜形狀的適用化裝備開(kāi)發(fā)仍然存在挑戰(zhàn)；快速成形工藝與快速鑄造的深入結(jié)合存在挑戰(zhàn)；快速成形技術(shù)在大批量制造鑄型等的效率方面還落后于傳統(tǒng)工藝方法。綜合來(lái)看，在設(shè)備的自動(dòng)化、機(jī)械化、信息化、智能化，以及零件制造的大型化、復(fù)雜化、精密化和快速化方面，仍然有很大提升空間。

2.5.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

在加工對(duì)象上，實(shí)現(xiàn)大型化、復(fù)雜化、精密化和快速化；在生產(chǎn)設(shè)備上，緊密?chē)@快速鑄造領(lǐng)域關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開(kāi)展新一代信息技術(shù)與制造裝備融合集成創(chuàng)新和工程應(yīng)用。支持產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)，開(kāi)發(fā)智能產(chǎn)品和自主可控智能裝置并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。依托優(yōu)勢(shì)企業(yè)，緊扣關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機(jī)器人替代、生產(chǎn)過(guò)程智能優(yōu)化控制、供應(yīng)鏈優(yōu)化，建設(shè)重點(diǎn)領(lǐng)域智能工廠/數(shù)字化車(chē)間。

2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

企業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)和組織，適應(yīng)多品種小批量的快速工藝設(shè)定，優(yōu)化工藝路徑，快速實(shí)現(xiàn)鑄件供應(yīng)；建立完整的工藝和鑄件標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，在設(shè)備及工藝研究的基礎(chǔ)上，建設(shè)快速鑄造創(chuàng)新示范中心。

3 技術(shù)路線圖

快速鑄造技術(shù)路線圖如圖1所示。

圖1 快速鑄造技術(shù)路線圖

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編寫(xiě)組

組 長(zhǎng)：周建新

成 員：計(jì)效園，閆春澤，沈 旭，李 文，宋 波，段 偉，郭 釗，殷亞軍，魏青松