本文探討了激光快速成型和傳統(tǒng)精密鑄造技術(shù)的組合應(yīng)用。

　　介紹了激光快速成型技術(shù)的起源和發(fā)展，通過(guò)精密鑄件生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量問(wèn)題分析和解決方案論述，系統(tǒng)闡述了快速成型蠟?zāi)３叽缈刂啤⑾災(zāi)Ｗ冃慰刂啤⒈砻尜|(zhì)量控制的要點(diǎn)，對(duì)激光快速成型與精鑄結(jié)合技術(shù)在復(fù)雜、薄壁、大型精密型號(hào)產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用做出了探索性的研究。

　　1 引言

　　快速自動(dòng)成型(Rapid Prototyping)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的直接根據(jù)CAD模型快速生產(chǎn)樣件或零件的成組技術(shù)總稱(chēng)。該技術(shù)解決了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)中三維造型的“看得見(jiàn)，摸不著”的問(wèn)題，能將屏幕上的幾何圖形快速自動(dòng)實(shí)體化。它集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代化科技成果，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。其本質(zhì)是用積分法制造三維實(shí)體，將計(jì)算機(jī)中儲(chǔ)存的任意三維型體信息傳遞給成型機(jī)，通過(guò)材料逐層添加法直接制造出來(lái)，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉。

　　2 國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨向

　　美國(guó)在發(fā)展快速自動(dòng)成型技術(shù)方面，一直處于領(lǐng)先地位，一些著名的高校如麻省理工學(xué)院、得克薩斯大學(xué)和一批研究機(jī)構(gòu)從政府和工業(yè)界取得了大筆開(kāi)發(fā)、研究經(jīng)費(fèi)，用于這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步研究。各大公司紛紛購(gòu)入成型機(jī)，以滿足爭(zhēng)分奪秒的市場(chǎng)需求。日本、德國(guó)、英國(guó)等都在研究新的成型技術(shù)，開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。現(xiàn)已有2500 多套快速成型機(jī)分布在世界各地的不同領(lǐng)域。

　　自從快速自動(dòng)成型問(wèn)世后，國(guó)外就很重視其與傳統(tǒng)精密鑄造技術(shù)相結(jié)合，繼而產(chǎn)生了快速鑄造。快速成型技術(shù)在熔模精密鑄造中的應(yīng)用可以分為三種：一是消失成型件(模)過(guò)程，用于小量件生產(chǎn);二是直接型殼法，也用于小量件生產(chǎn);三是快速蠟?zāi)Ｄ＞咧圃欤糜诖笈可a(chǎn)。這三種方法與傳統(tǒng)精密鑄造相比，解決了傳統(tǒng)方法的蠟?zāi)Ｖ圃炱款i問(wèn)題，其流程示意如圖1。

　　傳統(tǒng)過(guò)程 快速成型消失模 快速成型陶瓷模

圖1 快速鑄造流程示意圖

　　國(guó)內(nèi)目前主要有北京隆源、華北工學(xué)院、華中理工大學(xué)等在進(jìn)行快速成型設(shè)備生產(chǎn)與工藝研究。使用快速自動(dòng)成型技術(shù)生產(chǎn)精鑄用蠟?zāi)５膹S家主要有航空部材料研究所、北京鋼鐵研究總院、西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠等，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。目前，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、化工、醫(yī)藥等行業(yè)。

　　我公司選用的是北京隆源快速成型公司生產(chǎn)的AFS-320MZ設(shè)備。該設(shè)備采用固態(tài)粉末材料逐層選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)，目前主要是與公司現(xiàn)有的精密鑄造工藝相結(jié)合，生產(chǎn)用于熔模鑄造的蠟?zāi)！?/P>

　　3 蠟?zāi)５募す饪焖俪尚?/P>

　　我公司在引進(jìn)快速成型技術(shù)前，采用圖1 所示的傳統(tǒng)精鑄工藝生產(chǎn)。對(duì)于新產(chǎn)品的研制，生產(chǎn)周期相當(dāng)長(zhǎng)，其中壓型的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)又占據(jù)了較長(zhǎng)的時(shí)間。如圖2 所示的支架類(lèi)零件，其形狀并不復(fù)雜，如果采用設(shè)計(jì)壓型進(jìn)行生產(chǎn)，其模具的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期約需2～3 個(gè)月，模具投入生產(chǎn)到得到鑄件還需半個(gè)月的時(shí)間。而快速成型設(shè)備恰好具備這方面的優(yōu)勢(shì)，利用其特點(diǎn)，3 天內(nèi)可以得到零件蠟?zāi)蛹倩ò雮€(gè)月即可得到鑄件。

圖2 支架類(lèi)零件圖

　　使用激光快速成型設(shè)備制作蠟?zāi)＃铌P(guān)鍵是要控制蠟?zāi)５某叽绾妥冃危瑫r(shí)盡可能地提高蠟?zāi)５谋砻尜|(zhì)量。

　　3.1 蠟?zāi)３叽缈刂?/P>

　　我公司現(xiàn)使用Pro_Engineer 進(jìn)行三維造型，并將其轉(zhuǎn)換成STL 文件格式;再使用Magics RP 軟件導(dǎo)入該STL 文件，合理放置后進(jìn)行切片處理，導(dǎo)出CLI格式文件;然后使用隆源公司的ARPS 軟件將其轉(zhuǎn)換為設(shè)備使用的AFI 文件;最后導(dǎo)入快速成型設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。

　　要控制蠟?zāi)３叽纾刃韪鶕?jù)合金收縮率、模殼膨脹系數(shù)、工藝方案給出蠟?zāi)、Y、Z 方向上的線收縮率。該收縮率確定后，可以在Magics RP 軟件對(duì)零件處理時(shí)首先進(jìn)行放縮，這樣即可得到理想尺寸的蠟?zāi)＃^而獲得鑄件。通過(guò)對(duì)鑄件尺寸的測(cè)定反過(guò)來(lái)可再次對(duì)蠟?zāi)３叽邕M(jìn)行協(xié)調(diào)，最終獲得合格的蠟?zāi)：丸T件。例如某鑄鋼件，按最初的工藝方案生產(chǎn)，設(shè)定其綜合收縮率為2%，經(jīng)過(guò)對(duì)鑄件的實(shí)際測(cè)量，其綜合收縮率變?yōu)?.7%，只需在Magics RP 軟件下，對(duì)模型的放縮進(jìn)行調(diào)整即可校正蠟?zāi)３叽纭Ｈ绻捎脡盒蜕a(chǎn)，該收縮率的調(diào)整將可能導(dǎo)致其報(bào)廢，除造成成本大幅提高，其生產(chǎn)周期至少耽誤半年以上。

　　對(duì)于鑄件生產(chǎn)過(guò)程中存在阻礙收縮等非自由收縮情況，導(dǎo)致鑄件非線性收縮嚴(yán)重，繼而影響到鑄件尺寸精度時(shí)，我們可以在使用Pro/Engineer 進(jìn)行三維造型時(shí)考慮，直接根據(jù)其收縮關(guān)系繪出實(shí)際使用的蠟?zāi)３叽纾罱K獲得合格的鑄件。

　　3.2 蠟?zāi)Ｗ冃慰刂?/P>

　　如何有效地控制蠟?zāi)５淖冃危枰攘私饧す膺x區(qū)的燒結(jié)原理。北京隆源選區(qū)激光燒結(jié)成型系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)是：在一封閉成型室中裝有兩個(gè)活塞筒，一個(gè)用于供粉，另一個(gè)用于成型。加工開(kāi)始時(shí)，供粉活塞上移一定量，鋪粉滾筒將粉均勻地鋪在加工平面上，激光束在計(jì)算機(jī)的控制下，透過(guò)激光窗口以一定的速度和能量密度掃描，激光束掃過(guò)之處，粉末燒結(jié)成一定厚度的片層，未掃過(guò)的地方仍然是松散的粉末，這樣零件的第一層就制造出來(lái)了。這時(shí)，成型活塞下移一定距離，這個(gè)距離與設(shè)計(jì)零件的切片厚度一致，而供粉活塞上移一定量。鋪粉滾筒再次將粉末鋪平后，激光束開(kāi)始依照設(shè)計(jì)零件第二層的信息掃描。激光掃過(guò)之后，所形成的第二個(gè)片層同時(shí)也燒結(jié)在第一層上。如此反復(fù)，一個(gè)三維實(shí)體就制造出來(lái)了。如圖3所示。

圖3 激光選區(qū)燒結(jié)原理

　　選區(qū)激光燒結(jié)成型與其它許多快速成型方法不同，不需要先搭支架。在激光燒結(jié)前未燒結(jié)的松散的粉末作了自然支架。這對(duì)含懸臂結(jié)構(gòu)(Overhangs)、中

　　空結(jié)構(gòu)(hollowed areas)、和槽中套槽(nothces withinnotches)結(jié)構(gòu)的零件制造很有效。對(duì)這些松散的粉末進(jìn)行加熱處理可以使之粘結(jié)，加熱溫度越高其板結(jié)程度越高，其對(duì)零件的支撐作用就越顯著，可以更好地防止零件(蠟?zāi)?變形;但加熱溫度越高，未燒結(jié)粉末越板結(jié)，蠟?zāi)Ｇ謇砭驮嚼щy;因此，我們需要采取多種措施來(lái)防止蠟?zāi)５淖冃巍Ｒ韵率菐讉€(gè)典型零件的示例。

　　3.2.1 支座

　　支座示意圖如圖4。從剖視圖上可以看出，該零件壁厚差別大，按0.2mm 一層切片，激光功率22.5W。燒結(jié)制造的蠟?zāi)１”诤秃癖诮唤犹幯貓A周方向有一圈縮陷，沿零件軸線方向約10mm，中間縮陷最深處約1.2mm。其產(chǎn)生原因是由于該處壁厚差別大，有熱節(jié)，粉末燒結(jié)收縮不勻造成。因此，我們對(duì)蠟?zāi)５娜S原型進(jìn)行了鏤空處理，同時(shí)在懸空凸臺(tái)部位加上一些支撐薄片，防止變形，如圖5 所示。

　　從圖5 可以看出，鏤空后的三維原型壁厚4mm均勻。然后使用原參數(shù)對(duì)該模型進(jìn)行切片、激光選區(qū)燒結(jié)，獲得的蠟?zāi)o(wú)縮陷，強(qiáng)度能滿足后續(xù)工作要求。并且該鏤空及壁厚均勻化處理極大地縮小了蠟?zāi)５慕孛娣e，使激光選區(qū)燒結(jié)的時(shí)間從原來(lái)的8.5h 減少到現(xiàn)在的4.5h，縮短了約一半的激光燒結(jié)時(shí)間;同時(shí)，由于蠟?zāi)?nèi)部PSB 粉料未曾燒結(jié)，鉆孔倒出后可節(jié)約大量粉料，而且蠟?zāi)ｇU空后還能縮短浸蠟時(shí)間。綜上所述，該零件蠟?zāi)ｇU空處理后可極大地降低原材料成本、生產(chǎn)成本，同時(shí)由于蠟?zāi)Ｖ亓康臏p輕可降低后續(xù)工作的勞動(dòng)強(qiáng)度。

　　3.2.2 盒子

　　盒子示意圖如圖6。該零件最小壁厚2mm，最大輪廓尺寸大于400mm。考慮到薄壁大平面易變形問(wèn)題，采用了加筋工藝，同時(shí)零件尺寸超出了設(shè)備成型缸的尺寸，只有采取分塊燒結(jié)最后組合的工藝方案。為了最大可能地保證蠟?zāi)３叽缇龋捎昧艘韵路桨浮?/P>

圖6 盒子示意圖

　　如圖7 所示，切除該零件四個(gè)耳片，保證其主要結(jié)構(gòu)尺寸，切除后零件尺寸滿足設(shè)備生產(chǎn)要求。然后設(shè)定切層厚度0.15mm，激光功率25W，粉末表面加熱溫度95℃。從激光燒結(jié)的角度來(lái)說(shuō)，選區(qū)燒結(jié)激光束按X、Y 方向交替掃描，旋轉(zhuǎn)45°后同樣能量的激光通過(guò)掃描器后燒結(jié)的長(zhǎng)度變短，作用于單位面積上能量提高，有利于提高燒結(jié)原型強(qiáng)度。

圖7 工藝圖

　　3.2.3 多通零件

　　多通零件示意圖如圖8。該零件兩個(gè)發(fā)蘭角度要求很高，通過(guò)加筋不能防止變形，最后采用反變形法，將兩發(fā)蘭的角度人為增加，蠟?zāi)＜庸ね旰螅瑴y(cè)量角度剛好在公差范圍內(nèi)，同時(shí)在懸空的發(fā)蘭和彎管處加支撐薄片，防止變形。

圖8 多通零件示意圖

　　以上是幾種典型的變形現(xiàn)象，加以歸納總結(jié)，我們可以將其運(yùn)用于其它零件，減少失誤，增大模型燒結(jié)的一次成功率。

　　3.3 蠟?zāi)１砻尜|(zhì)量控制

　　快速成型機(jī)制出蠟?zāi)Ｔ秃螅紫纫迅皆谠蜕衔礋Y(jié)的粉末清理干凈，然后浸蠟，把蠟?zāi)Ｔ头湃?5～70℃的蠟液中，浸透，待無(wú)氣泡溢出后，再把蠟?zāi)Ｈ〕觯o置，使多余蠟析出。待蠟?zāi)＠鋮s至室溫，再進(jìn)行精整處理后就能得到表面光滑的蠟?zāi)！?/P>

　　4 快速成型蠟?zāi)Ｅc精鑄工藝結(jié)合

　　對(duì)精鑄工藝而言，蠟?zāi)Ｓ糜诤罄m(xù)工序的有蠟?zāi)＝M合、涂料、脫蠟。激光快速成型蠟?zāi)Ｒ獫M足精鑄工藝生產(chǎn)，就必須在以上三方面達(dá)到其使用要求。

　　4.1 模組組合

　　激光成型蠟?zāi)Ｖ坪煤螅枰垂に囈筮M(jìn)行澆冒口組合。根據(jù)我們的試驗(yàn)，使用車(chē)間現(xiàn)有的中溫蠟料即可對(duì)激光成型蠟?zāi)＿M(jìn)行修補(bǔ)、組合、粘接，兩者的粘合強(qiáng)度足以滿足制殼的強(qiáng)度需求。因此，根據(jù)成本、機(jī)加、生產(chǎn)周期考慮，澆冒口一般選用車(chē)間現(xiàn)有澆注系統(tǒng)。由于澆冒口形狀簡(jiǎn)單，即使車(chē)間澆注系統(tǒng)不合適，加工其壓型也很方便、快捷。

　　4.2 模組涂料制殼

　　經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，快速成型蠟?zāi)５耐繏煨院芎茫耆梢岳迷泄に囘M(jìn)行涂料配制，模組涂掛制殼，面層硅溶膠+鋯英粉涂料，加強(qiáng)層硅酸乙酯+煤矸石涂料。

　　4.3 脫蠟

　　由于快速成型蠟?zāi)５娜刍瘻囟雀撸荒苁褂谜魵饷撓灩に嚕瑸榇嗽O(shè)計(jì)了專(zhuān)用工藝，首先利用車(chē)間現(xiàn)有的坭芯烘烤爐脫去模組中的中溫蠟料制作的澆冒口，然后將模殼裝入一自制的簡(jiǎn)易工裝，放入井式電阻爐，在開(kāi)放的環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行烘烤，脫掉快速成型蠟?zāi)！Ｍㄟ^(guò)脫蠟后的目視檢查，同時(shí)參考澆注后的鑄件表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)脫模(烘烤)后快速成型蠟?zāi)；灸軌驌]發(fā)干凈，其殘留物對(duì)最終鑄件沒(méi)有影響。

　　4.4 模殼焙燒、澆注、鑄件清理

　　模殼焙燒、澆注、鑄件清理和原精鑄工序相同。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)開(kāi)展激光快速成型技術(shù)研究，對(duì)一些任務(wù)緊、時(shí)間急的單件小批量熔模精密鑄件的生產(chǎn)，能比傳統(tǒng)的精密鑄件生產(chǎn)周期減少60%，大大節(jié)省成本。目前已成功運(yùn)用于多種型號(hào)航天產(chǎn)品中。

　　快速自動(dòng)成型技術(shù)與鑄造車(chē)間現(xiàn)有的精密鑄造工藝相結(jié)合，使鑄造車(chē)間自己有能力快速生產(chǎn)各類(lèi)大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜熔模精密鑄件所用蠟?zāi)＃瑴p少大量外協(xié)費(fèi)用，同時(shí)對(duì)于單件、小批量熔模精密鑄件的生產(chǎn)可以不用模具，從而節(jié)省大量模具加工費(fèi)用，大大縮短生產(chǎn)周期，為新產(chǎn)品研制和開(kāi)發(fā)獲得了大量寶貴時(shí)間，降低了生產(chǎn)成本，而且也使鑄造車(chē)間精密鑄造水平有所提高，為確保后續(xù)型號(hào)產(chǎn)品中精密鑄件生產(chǎn)任務(wù)的順利完成打下良好的基礎(chǔ)。

　　參考文獻(xiàn)

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　　3 張建華等. 模具型腔的一種快速制造方法. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2001.5：419～420

　　作者簡(jiǎn)介

　　彭艷鋒(1977-)，女(土家族)，湖北人，碩士，工程師，材料學(xué)專(zhuān)業(yè);研究方向：快速成型、精密鑄造。