1、數(shù)字無模鑄造技術(shù)吳，內(nèi)容，無模鑄造的背景意義，無模鑄造技術(shù)簡介，無模鑄造與傳統(tǒng)鑄造的比較，無模鑄造的應(yīng)用，傳統(tǒng)手工砂型鑄造，傳統(tǒng)手工砂型鑄造是指用型砂緊實模具，重力澆注的鑄造方法。鋼、鐵和大多數(shù)有色合金鑄件可以通過砂型鑄造獲得。圖1傳統(tǒng)手工砂型鑄造，隨著汽車、機(jī)床等制造技術(shù)的快速進(jìn)步，以及核電、航天、國防、軍工等重大裝備和重大項目的實施，鑄件產(chǎn)品的發(fā)展趨勢要求綜合性能更好、精度更高、余量更少、表面質(zhì)量更好、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。同時，節(jié)能減排也是現(xiàn)代制造業(yè)的迫切要求。與傳統(tǒng)的鑄造工藝相比，為了滿足要求，木制模具和金屬模具的制造工藝費(fèi)時費(fèi)力，開發(fā)周期為每月一次，這就延誤了制造。砂型鑄造是鑄造生產(chǎn)中應(yīng)用最廣

2、泛的一種，世界上約80%的鑄件是用木模和金屬模進(jìn)行砂型鑄造的。目前，中國有3萬多家鑄造企業(yè)。2011年，中國鑄件年產(chǎn)量超過4000萬噸，消耗大量木材和金屬。進(jìn)步始于沒有木制模型。無模鑄造技術(shù)，數(shù)字無模鑄造精密成型技術(shù)，簡稱無模鑄造技術(shù)，是計算機(jī)、自動控制、新材料、鑄造技術(shù)等的集成和創(chuàng)新。三維CAD模型直接驅(qū)動模具制造，縮短了無模具鑄造過程，實現(xiàn)了數(shù)字化鑄造和快速制造。圖2無模鑄造的技術(shù)流程圖、目錄、背景意義、無模鑄造技術(shù)簡介、無模鑄造與傳統(tǒng)造型的比較、無模鑄造的應(yīng)用、無模造型的數(shù)字化快速制造技術(shù)是近年來國內(nèi)外近凈成形技術(shù)的一個新的研究熱點(diǎn)，它以新材料、機(jī)電一體化、計算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)、數(shù)值分

3、析和仿真技術(shù)等多學(xué)科高科技成果為基礎(chǔ)，改造傳統(tǒng)的毛坯成形技術(shù)數(shù)字化快速鑄造技術(shù)將是裝備行業(yè)快速鑄造制造技術(shù)的發(fā)展方向。目前，無模模具的數(shù)字化快速制造主要包括離散堆積成形技術(shù)和去除加工成形技術(shù)。離散堆積成型技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)模具制造技術(shù)、3D打印技術(shù)、數(shù)控銑削鑄造技術(shù)等。近年來，基于離散堆積原理的無模制造技術(shù)取得了一些進(jìn)展。以鑄造用陶瓷粉末或型砂為原料，通過計算機(jī)輔助設(shè)計模型驅(qū)動，可直接用快速成型機(jī)制造鑄造用型殼。在計算機(jī)輔助設(shè)計環(huán)境中，零件模型直接轉(zhuǎn)換成殼型，然后使用澆注和冒口系統(tǒng)。外殼的厚度可以是5 10毫米。在燒結(jié)或粘結(jié)過程中，非零件被燒結(jié)或粘結(jié)，零件仍然是粉末。成型后，將粉末倒出，然后

4、固化，得到鑄造用模殼。該方法省去了傳統(tǒng)精密鑄造工藝中的蠟?zāi)?、泡沫模和木模等許多工藝過程，是對傳統(tǒng)鑄造工藝的一大變革。激光燒結(jié)技術(shù)，圖3激光選擇性燒結(jié)工藝示意圖。目前，SLS直接砂型制造有兩種方法，直接燒結(jié)法和間接燒結(jié)法。2003年，新加坡國立大學(xué)研究了硅砂的直接燒結(jié)工藝，提出硅砂中少量Al2O3的存在可以降低砂表面的熔點(diǎn)，因此可以在沒有粘結(jié)劑的情況下燒結(jié)。這種方法的激光功率在140 200 W之間，但成形速度慢，制造周期長，設(shè)備要求高，所以還沒有得到廣泛應(yīng)用。目前，間接燒結(jié)法被廣泛使用，即燒結(jié)涂有熱塑性粘結(jié)劑的覆膜砂。酚醛樹脂固化溫度不高，激光功率只需在25 100瓦之間。成品砂型用聚苯乙烯粉

5、末燒結(jié)的工件，滲蠟后可采用精密鑄造工藝生產(chǎn)，適用于熔模、陶瓷模等熔模鑄造工藝的鑄造生產(chǎn)。由于設(shè)備成型空間和加工效率的影響，激光選擇性燒結(jié)工藝不適合生產(chǎn)大型零件。德國EOS公司利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制造砂型和塑料等模型，一直處于世界領(lǐng)先地位。近年來，隨著這項技術(shù)在中國的研究和發(fā)展，其技術(shù)水平已經(jīng)接近國外，甚至在成型空間和一些材料加工領(lǐng)域超過了國外。3 D打印技術(shù)，3D打印是通過粘合劑將粉末材料連接成成型物體的過程?？啥S移動的機(jī)構(gòu)在計算機(jī)的控制下，根據(jù)零件的輪廓形狀，驅(qū)動噴嘴選擇性地將液體材料噴涂在粉末材料上，使粉末材料與液體材料反應(yīng)，完成當(dāng)前層的固化。每層完成后，工作臺下降到一定高度，鋪上一層

6、新的粉末，重復(fù)上述噴涂工作，最后制成整個零件，如圖4所示。目前，該工藝常用的原料有鑄造用砂、陶瓷粉等。根據(jù)不同的成型材料和成型工藝，噴涂的液體材料也不同。有些直接在粉末材料上噴涂粘合劑，如在陶瓷粉末上噴涂硅溶膠；同時，用預(yù)混合固化劑將粘結(jié)劑噴涂在鑄造砂粉上，完成固化；此外，將樹脂和固化劑噴涂在鑄造砂粉上兩次，以完成固化。圖4 3D打印工藝、3D打印技術(shù)示意圖，陶瓷模具以陶瓷粉末為原料，經(jīng)二次烘烤固化后，可與陶瓷模具精密鑄造工藝結(jié)合進(jìn)行鑄造生產(chǎn)。由鑄造砂制成的砂型可直接用于鑄造型芯組裝過程。ExOne公司的ProMetal RCT技術(shù)是一項專門制造鑄造砂型的3DP技術(shù)。其造型材料是樹脂砂，造型砂

7、主要是硅砂、合成砂和其他鑄造介質(zhì)。成型件(砂型)清洗后可用于鑄件生產(chǎn)，無需特殊的后處理工藝。ProMetal RCT技術(shù)的工作空間為1800毫米、1000毫米和700毫米，層厚為0.28-0.50毫米，印刷速度為59400-108000立方厘米/小時，可用于制造大型模具。普萊姆塔爾RCT技術(shù)公司生產(chǎn)的砂型見圖5。圖5美國索利根公司根據(jù)3DP原理開發(fā)的由普羅姆塔爾RCT技術(shù)公司印刷的砂型、直接型殼鑄造工藝(DSPC)和直接型殼鑄造工藝(DSPC)。該技術(shù)采用陶瓷粉末作為成型材料，硅溶膠作為粘結(jié)材料。由于陶瓷粉末的粒徑在75 150之間，DSPC工藝造型的表面質(zhì)量較高，但硅酸鹽水溶液粘結(jié)的陶瓷模具

8、強(qiáng)度較低，只能用于烘烤后澆注金屬。如果是大型鑄件的模具，就需要昂貴而笨重的加熱設(shè)備，所以DSPC工藝不適合生產(chǎn)大中型鑄件。圖6是通過該工藝制造的模具。圖6由德國Generis公司開發(fā)的直接殼模GS(Generis砂)工藝制成的鑄型，其工藝路線是在砂粒鋪好后，用多道噴嘴將樹脂均勻地噴在砂床上，然后用噴嘴按輪廓軌跡噴上催化劑，催化劑與樹脂反應(yīng)，使鑄型一層一層地凝固堆積。該工藝中砂箱尺寸可達(dá)1500750750毫米，分層厚度可達(dá)0.3毫米，可用于制造大中型模具，但缺點(diǎn)明顯。由于樹脂噴涂在整個砂床表面，模具制造后被含樹脂的砂包圍，給后續(xù)取砂時的清砂帶來困難，需要特殊的處理程序，也影響砂型的精度和表面質(zhì)

9、量。由于數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，基于去除原理的快速加工制造技術(shù)在機(jī)械行業(yè)得到了迅速的應(yīng)用。目前，它已廣泛應(yīng)用于零件加工和模具制造。然而，數(shù)控加工技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中應(yīng)用于模具制造由于在封閉環(huán)境中加工，可以回收成型過程中的廢物，例如灰塵、廢氣和廢渣。圖7數(shù)字多用表加工模具示意圖圖8數(shù)字多用表加工機(jī)油濾清器模具和金屬零件(加工數(shù)據(jù)生成：持續(xù)3小時；模具加工時間為6.5小時/件；尺寸： 600 x 500 x 340毫米。從CAD數(shù)據(jù)到交貨時間：8天)，根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)檢索，目前，德國AcTech公司已經(jīng)開發(fā)了這項技術(shù)，該公司于1998年申請了“金屬鑄件消失模鑄造直接制造設(shè)備及方法”專利，并于1999年在全歐

10、洲申請了專利。此外，該公司還在日本、美國和加拿大申請了相關(guān)專利。目前，AcTech公司有兩臺直接加工鑄模的機(jī)器，最大尺寸為2.4米。該機(jī)可用于加工大型車身結(jié)構(gòu)、批量生產(chǎn)的壓鑄模具等。在收到客戶提供的三維CAD數(shù)據(jù)后，AcTech可以根據(jù)鑄件的不同尺寸和復(fù)雜程度，在3周內(nèi)為客戶提供1-5個鑄件。圖9示出了通過公司的CNC銑床在砂坯上直接加工模具的過程，圖10示出了直接加工的模具。德國AcTech公司的無模制造技術(shù)和三種常見無模鑄造制造工藝的比較，對于數(shù)控銑削無模鑄造本身，空心端銑刀的氣動排沙原理如圖11所示，空氣壓縮機(jī)將高壓氣體輸送到密封腔內(nèi)，高壓氣體首先進(jìn)入轉(zhuǎn)換刀柄的十字孔，然后進(jìn)入與端銑刀連

11、接的轉(zhuǎn)換刀柄一端的通孔， 然后進(jìn)入端銑刀，從端銑刀切削刃附近的小孔中彈出。 空腔內(nèi)氣體壓力自下而上逐漸降低，氣體流量由大到小逐漸降低，空腔出口風(fēng)速和流場平均風(fēng)速大于3.3m/s，在這種壓力供應(yīng)規(guī)律下，氣體資源將被浪費(fèi)。當(dāng)空腔出口的平均風(fēng)速大于或等于3.3m/s時，可以保證空腔內(nèi)的風(fēng)速滿足氣力出砂的要求，而不需要供給壓力過大的氣體。1、空心端銑刀氣動排沙原理。更換刀柄2。密封空腔3。螺母4?？招亩算姷?。密封靜環(huán)6。密封活動環(huán)7。砂型工件圖11空心端銑刀氣動排屑原理，用普通端銑刀加工圓孔的過程如圖12所示，而用空心端銑刀加工圓孔時不時氣動排屑的過程如圖13所示。在保證氣壓的情況下，空心端銑刀的排

12、屑效果非常好。隨著加工深度的增加，型腔中的砂屑不會不斷積累。普通端銑刀和空心端銑刀完成孔加工后，隨著加工深度的增加，普通端銑刀加工出的型腔內(nèi)會逐漸積累砂屑，使100毫米深度的孔無法加工。圖12普通立銑刀的排沙效果圖13空心立銑刀的排沙效果。該技術(shù)特別適用于深孔和窄槽加工，即采用高壓噴嘴噴吹法。所研究的排沙實驗流程如圖14所示。砂型切割排出的砂由氣泵5提供氣源，并通過氣管3和節(jié)流閥4輸送到安裝在機(jī)床工具7附近的噴嘴1。由于噴嘴的出口面積小，出口處的流量因壓力相同而急劇增加，足以及時將工具附近的廢砂排出，因此不會影響加工。四噴嘴出砂和除塵系統(tǒng)，1。噴嘴2。固定裝置3?？諝夤?。閥門5。氣泵6。加工

13、主軸7。圖14鑄造成型機(jī)出砂流程圖。通過建立四噴嘴模型，利用Fluent流體軟件進(jìn)行初步模擬，得出四噴嘴反吹機(jī)構(gòu)可以沿刀具產(chǎn)生垂直向下的氣流，可以有效排出被加工砂型深孔或窄槽中的廢砂四噴嘴出砂和除塵系統(tǒng)，雙噴嘴直吹出砂系統(tǒng)圖，圓形法蘭均勻分布四噴嘴出砂設(shè)計，目錄，無模鑄造技術(shù)簡介，無模鑄造與傳統(tǒng)造型的比較，無模鑄造的應(yīng)用，無模鑄造的背景意義，易于制造的自由曲面模具，模具和型芯同時成型，集成制造，04。與傳統(tǒng)模具制造技術(shù)相比，無模鑄造具有無可比擬的優(yōu)勢，不僅使鑄造過程高度自動化和敏捷化，降低了工人的勞動強(qiáng)度，而且在技術(shù)上突破了傳統(tǒng)技術(shù)的諸多障礙，大大降低了設(shè)計和制造的約束。具體體現(xiàn)在以下幾個方面

14、：(1)成型時間短，模具必須先用傳統(tǒng)方法加工。無論是普通加工還是數(shù)控加工，模具的制造周期都比較長。對于大中型鑄件，模具的制造周期一般按月計算。由于計算機(jī)的自動處理，無模鑄造過程的信息處理過程通常只需要幾個小時到幾十個小時。因此，就制造時間而言，這一過程具有傳統(tǒng)建模方法無法比擬的優(yōu)勢。制造成本低，無模鑄造工藝自動化程度高，設(shè)備一次性投資大。其他生產(chǎn)條件如原砂、樹脂等原料的制備工藝與傳統(tǒng)自硬樹脂砂成型工藝相同。但是，因為它不需要成型，而且對于一些大型復(fù)雜的鑄件來說，模具的成本較高，所以它的好處是顯而易見的。集成制造，由于傳統(tǒng)的造型需要脫模，一般要求鑄件沿最大截面(分型面)分離，即采用分型造型。這通

15、常會限制鑄造設(shè)計的自由度。一些表面和型腔復(fù)雜的模具必須采用多個分型面，這大大增加了成型和裝配的難度。分型成型導(dǎo)致鑄件“飛邊”，導(dǎo)致加工能力增加。無模鑄造工藝采用離散/堆疊成形原理，沒有脫模過程，因此分型面的設(shè)計不是主要障礙。分型面的設(shè)計甚至可以設(shè)置在鑄件的非關(guān)鍵部分，而不是要求的鑄件的最大橫截面。對于一些鑄件，可以采用集成制造方法，即可以同時形成上模和下模。集成建模最明顯的優(yōu)點(diǎn)是省略了箱體裝配的定位過程，減少了設(shè)計約束和加工量，使鑄件的尺寸精度更容易控制。型芯同時成型。在傳統(tǒng)工藝中，模腔中的一些結(jié)構(gòu)被設(shè)計為型芯，以用于模具提升。型芯和型芯分別制造，然后組裝。裝配過程需要精確定位，還必須考慮鐵芯

16、的穩(wěn)定性。通過無模鑄造工藝制造的模具、模具和型芯同時堆疊，因此不需要組裝，位置精度更容易保證。制造具有自由曲面的模具很容易。在傳統(tǒng)工藝中，用普通加工方法制作的模具精度難以保證；數(shù)控加工編程復(fù)雜，還涉及到刀具干涉等問題。因此，傳統(tǒng)工藝不適合制造具有自由曲面或曲線的鑄件。然而，基于離散/堆疊成形原理的無模鑄造工藝沒有幾何約束，因此可以容易地實現(xiàn)任何復(fù)雜形狀的建模。與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)相比，數(shù)字無模鑄造精密成形技術(shù)是一種全新的復(fù)雜金屬零件快速制造方法，可以實現(xiàn)復(fù)雜金屬零件制造的柔性化、數(shù)字化、精密化、綠色化和智能化，是鑄造技術(shù)的一次革命。它不需要木制模具，縮短了鑄造工藝，實現(xiàn)了傳統(tǒng)鑄造行業(yè)的數(shù)字化制造，尤其適用于復(fù)雜零件的快速制造。它在節(jié)約鑄造材料、縮短工藝流程、減少鑄造廢料、提高鑄