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铸造机械/压铸设备 |
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计算机技术与熔模精密铸造 |
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作者：承德石油高度专科学校 柴增田 |
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摘要：本文概述了计算机技术在熔模精密铸造中的应用，包括铸件结构设计、工艺制定、压型、熔模、型壳及型芯制造等的最新成果，展望了计算机技术对未来精铸业带来的巨大变革。
关键词：计算机 精密铸造 压型
熔模精密铸造生产具有许多优点，但其同时具有工序多，工艺过程复杂，生产周期长，影响铸件质量的因素较多的缺点，在一定程度上制约了精密铸造的应用和发展。随着计算机技术的快速发展，计算机技术在精铸中的应用，从精铸件的结构设计、工艺制定到压型设计与制造、蜡模成型、型壳制造、型芯的制造等，给精铸件的生产带来了巨大变革。
1.计算机技术数值模拟技术在熔模精铸件结构设计及工艺制定中的应用
熔模铸件向更轻、薄及精整化方向发展，近年来提出了净形或近净形化铸造，以发挥熔模铸造的优势，满足现代工业对高质量零件的需求。这就要求熔模精铸件的结构更加合理，制定的工艺方案更加优化，对精铸技术提出了越来越高的要求。
传统的精铸件生产工艺，包括以下5个步骤：
（1）铸件用户给铸造厂下达设计蓝图；
（2）铸造厂作预算并从利于生产和降低成本的角度对设计提出改进意见；
（3）铸造厂设计铸造工艺装备；
（4）铸造厂向模具车间或造型车间下达工装图纸；
（5）浇注铸件，铸件检验。
在铸件结构设计、压型设计、注蜡工艺参数制定、浇注系统等过程，传统的生产主要依靠工程技术人员的实际工作经验，缺乏科学的理论依据。特别对于复杂件和重要件，生产中往往要反复地修改铸件结构、压型或铸造工艺方案来达到最终的技术要求，计算机具有强大的计算能力和图形处理能力，能将数值分析技术、数据库技术、可视化技术结合经典传热、流动和凝固理论，通过模拟铸件充型、凝固及冷却，分析精密铸造过程的流场、温度场和应力场，预测铸件组织和许多铸造缺陷如冷隔、缩孔、热裂和变形等。因此可以通过并行工程，利用计算机技术对铸件的结构工艺性、铸造工艺进行模拟，为技术人员设计较合理的铸件结构和确定合理的工艺方案提供了有效的依据，从而避免传统的依靠经验进行结构设计和工艺制定的盲目性，可以缩短生产准备周期，节约试制成本。数值模拟过程见示意图1。
2．快速样件制造技术在压型及熔模制造中的应用
快速样件制造技术的出现，使压型和熔模的制造周期大大缩短。所谓快速样件制造就是首先在计算机上，形成熔模铸件的三维CAD数据文件，将之沿高度方向切割成许多薄片，然后按次序制造和组合，最终形成一个立体形状的制品。
（1）用快速样件成型方法制造压型
根据成型方法，将快速样件成型方法制造压型可分为两种：一种是先用快速样件制作方法制成树脂或蜡质母模（原型），再用它来翻制环氧树脂或硅橡胶压型。此法生产压型可以满足小批量精铸件生产。如在SLA法制作的塑料母模表面喷涂约2mm厚的金属层，并在其后部充填环氧树脂制成金属-环氧树脂复合压型，可以满足数百件批量的精铸件生产。
另一种方法是根据CAD系统生产的压型型块几何模型，直接由SLA、SLS等法制成树脂压型。SLS法制造压型是将加工对象由树脂粉末换成表面带一薄层热固性树脂的钢粉，经激光烧结后，粘结成压型，然后再焙烧制品，将树脂烧掉，最后以铜液渗入，就可获得与金属性能相似的压型。
（2）快速样件成型方法制造熔模
表1列举的快速样件成型方法-SLA法、SLS法、FDM法和LOM法，均可用于快速制造熔模。使用SLS法和FDM法制作的蜡模，可以直接用于精铸件生产用的熔模；LOM法生产的纸制品，需对其外表面喷涂聚氨酯后，方可作为"熔模"进行制壳，或直接将纸制品外涂挂陶瓷型壳，而后将纸模烧掉。SLA法是用新型树脂生产树脂模样，将未固化的树脂倒出，而形成中空模样，硬化后，用蜡将树脂排出口密封，然后装上蜡质浇注系统，就可制壳了。表1 快速样件制造方法的比较
特点 | 熔融堆积法(FDM) | 立体平板印刷法(SLA) | 选择激光烧结法(SLS) | 层合物制造法(LOM) | 工艺原理 | 热塑性材料熔融,从活动口挤出,冷却固化成层堆积 | UV光固化液态光敏树脂 | 激光加热烧结铺展的热塑性材料粉末 | 激光切割片材层,粘合. | 能源 | 挤出头加热器 | 激光器或UV灯或光纤 | CO2激光器 | CO2激光器 | 原材料 | 热塑性材料 | 液态光敏树脂 | 热塑性材料粉末 | 胶粘衬底片材 | 目前常用材料 | ABS树脂、尼龙、蜡 | 专用光聚合树脂 | 树脂粉、蜡粉 | 纸 | 层 厚（um） | 最小：50
一般：127-254 | 最小：50
一般：127-254 | 最小：60
一般：127 | 最小：94
一般：188 | 制品尺寸精度（mm） | ±0.127 | ±0.1-0.2 | ±0.2 | ±0.1 |
3．DSPC法直接制造型壳
直接型壳制造又称DSPC法，与迄今所有的制壳工艺都有本质的不同，主要由型壳设计（SDV）和型壳制造（SPU）两大部分组成。
SDV法是将所制零件的CAD模型转换为型壳的数字化零件，并显示在屏幕上，当确定好每个型壳上零件的数量、型壳壁厚以及收缩率、浇注系统等铸造参数后，计算机就很快显示所制铸件型壳的几何形状，并进行铸造工艺的模拟，然后将有关数据传输给SPU。
SPU控制着一个可以精确上下移动的活塞，活塞上连接着一个料箱；与装有细陶瓷粉料斗相连的喷头，首先在料箱中均匀"喷铺"一薄层细陶瓷粉末；另外，计算机根据SPU数据控制着一个喷射印刷头，从中可以喷射出硅溶胶粘结剂，当印刷头在料箱中掠过细陶瓷粉时，根据指令"喷"出粘结剂。这样在有粘结剂的区域，将耐火材料粘在一起，形成型壳的一个截面，然后活塞向下移动，喷头再喷出一层粉料……。这样一层一层进行，最后制成整体型壳。未被粘结的耐火材料粉料可对粘结层起支撑作用，焙烧后，回收未粘结的粉末，就可以浇注金属液了。其工作原理见图2。DSPC法使熔模铸造省去了制造压型、制造蜡模及涂挂工序，工艺过程大大简化，而且由于不用考虑蜡模变形等因素，可制得近净形零件。利用此工艺的工厂，可在收到定单后的一周内交付熔模铸件。
图2 直接型壳制造法（DSPC）
4．利用计算机控制激光制作陶瓷型芯
许多精铸件需要制作陶瓷型芯特别是复杂、精细的陶瓷型芯，如涡轮发动机空心叶片等，计算机可以根据CAD数据，控制激光束在陶瓷型芯上精确地加工出各种不同结构的型芯，特别是对于用传统制芯工艺很难制出的型芯，更显出其优点。
其工艺过程如图3所示。
图3 激光加工陶瓷型芯流程图
5．并行工程和集成技术在精铸业中的应用展望
计算机技术的不断发展和普及，并行工程和集成技术在精铸业中的应用将会逐渐广泛，将成为精铸业未来的发展趋势。
（1）并行工程
并行工程就是将精铸件用户与精铸厂之间建立起紧密联系的电子数据通讯网，使用户和铸造厂之间进行并行的产品和工艺设计。用户通过此网向铸造厂下达精铸件的电子化模型图，铸造工程师可从计算机工作站中看到所生产零件的三维图象，确定几组工艺方案后在计算机上进行工艺方案的数值模拟，可以显示出不同工艺条件下可能存在的问题，如热裂、缩孔等，铸造工程师再迅速将有缺陷的电子化模型数据文件传递给用户和设计师，以便作出改进而获得高质量铸件。同样，压型、熔模、型壳制造的过程也可以实现并行，这样可以极大缩短研制、开发生产周期，降低成本，提高产品的市场竞争力。
（2）集成技术
对于一个未采用CAD系统设计的零件或要复制某一样件，可以采用CT检测技术、数值模拟和快速样件制造集成技术。
CT技术即计算机层析射线摄影法，是一种X射线检测技术，能用来获得零件断面的二维图象，将各断面二维图象组合，就可以获得被测对象的三维立体形态。利用此技术，可以精确获得铸件的CAD模型数据，结合快速样件制造和数值模拟，可以缩短生产准备时间，降低制造型壳的成本。同时，CT技术测得的零件形状，可以用来对比设计铸件和生产铸件的尺寸；检测实际铸件和设计铸件的缺陷位置和数值模拟预测结果的符合程度。
结束语
计算机在精铸业中的应用，克服了精铸生产过程的缺点，使得精铸生产技术更加灵活，适应性更强，更适应现代工业对铸件快速、优质、复杂的要求。
1.计算机技术数值模拟技术在熔模精铸件结构设计及工艺制定中的应用，为技术人员设计较合理的铸件结构和确定合理的工艺方案提供了有效的依据。
2.快速样件制造技术在压型及熔模制造中的应用，使压型和熔模制造周期大大缩短。
3.DSPC法直接制造型壳，省去了传统制壳一层一层涂挂型壳的漫长周期。
4.利用计算机控制激光制作陶瓷型芯，可以生产出复杂的陶瓷型芯。
5.计算机技术的不断发展和普及，并行工程和集成技术在精铸业中的应用将会逐渐广泛，将成为精铸业未来的发展趋势。(end)
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(12/25/2004) |
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