本文探討了激光快速成型和傳統(tǒng)精密鑄造技術(shù)的組合應用。

　　介紹了激光快速成型技術(shù)的起源和發(fā)展，通過精密鑄件生產(chǎn)過程質(zhì)量問題分析和解決方案論述，系統(tǒng)闡述了快速成型蠟模尺寸控制、蠟模變形控制、表面質(zhì)量控制的要點，對激光快速成型與精鑄結(jié)合技術(shù)在復雜、薄壁、大型精密型號產(chǎn)品領(lǐng)域的應用做出了探索性的研究。

　　1 引言

　　快速自動成型(Rapid Prototyping)技術(shù)是近年來發(fā)展起來的直接根據(jù)CAD模型快速生產(chǎn)樣件或零件的成組技術(shù)總稱。該技術(shù)解決了計算機輔助設計(CAD)中三維造型的“看得見，摸不著”的問題，能將屏幕上的幾何圖形快速自動實體化。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體，將計算機中儲存的任意三維型體信息傳遞給成型機，通過材料逐層添加法直接制造出來，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉。

　　2 國內(nèi)外動態(tài)和發(fā)展趨向

　　美國在發(fā)展快速自動成型技術(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院、得克薩斯大學和一批研究機構(gòu)從政府和工業(yè)界取得了大筆開發(fā)、研究經(jīng)費，用于這項技術(shù)的進一步研究。各大公司紛紛購入成型機，以滿足爭分奪秒的市場需求。日本、德國、英國等都在研究新的成型技術(shù)，開發(fā)新產(chǎn)品。現(xiàn)已有2500 多套快速成型機分布在世界各地的不同領(lǐng)域。

　　自從快速自動成型問世后，國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用可以分為三種：一是消失成型件(模)過程，用于小量件生產(chǎn);二是直接型殼法，也用于小量件生產(chǎn);三是快速蠟模模具制造，用于大批量生產(chǎn)。這三種方法與傳統(tǒng)精密鑄造相比，解決了傳統(tǒng)方法的蠟模制造瓶頸問題，其流程示意如圖1。

　　傳統(tǒng)過程 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

　　國內(nèi)目前主要有北京隆源、華北工學院、華中理工大學等在進行快速成型設備生產(chǎn)與工藝研究。使用快速自動成型技術(shù)生產(chǎn)精鑄用蠟模的廠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)動機廠等，取得了良好的經(jīng)濟效益。目前，該項技術(shù)已經(jīng)應用于航空、航天、機械、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設備。該設備采用固態(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)用于熔模鑄造的蠟模。

　　3 蠟模的激光快速成型

　　我公司在引進快速成型技術(shù)前，采用圖1 所示的傳統(tǒng)精鑄工藝生產(chǎn)。對于新產(chǎn)品的研制，生產(chǎn)周期相當長，其中壓型的設計及生產(chǎn)又占據(jù)了較長的時間。如圖2 所示的支架類零件，其形狀并不復雜，如果采用設計壓型進行生產(chǎn)，其模具的設計、生產(chǎn)周期約需2～3 個月，模具投入生產(chǎn)到得到鑄件還需半個月的時間。而快速成型設備恰好具備這方面的優(yōu)勢，利用其特點，3 天內(nèi)可以得到零件蠟模樣件，再花半個月即可得到鑄件。

圖2 支架類零件圖

　　使用激光快速成型設備制作蠟模，最關(guān)鍵是要控制蠟模的尺寸和變形，同時盡可能地提高蠟模的表面質(zhì)量。

　　3.1 蠟模尺寸控制

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

　　要控制蠟模尺寸，先需根據(jù)合金收縮率、模殼膨脹系數(shù)、工藝方案給出蠟模X、Y、Z 方向上的線收縮率。該收縮率確定后，可以在Magics RP 軟件對零件處理時首先進行放縮，這樣即可得到理想尺寸的蠟模，繼而獲得鑄件。通過對鑄件尺寸的測定反過來可再次對蠟模尺寸進行協(xié)調(diào)，最終獲得合格的蠟模和鑄件。例如某鑄鋼件，按最初的工藝方案生產(chǎn)，設定其綜合收縮率為2%，經(jīng)過對鑄件的實際測量，其綜合收縮率變?yōu)?.7%，只需在Magics RP 軟件下，對模型的放縮進行調(diào)整即可校正蠟模尺寸。如果采用壓型生產(chǎn)，該收縮率的調(diào)整將可能導致其報廢，除造成成本大幅提高，其生產(chǎn)周期至少耽誤半年以上。

　　對于鑄件生產(chǎn)過程中存在阻礙收縮等非自由收縮情況，導致鑄件非線性收縮嚴重，繼而影響到鑄件尺寸精度時，我們可以在使用Pro/Engineer 進行三維造型時考慮，直接根據(jù)其收縮關(guān)系繪出實際使用的蠟模尺寸，最終獲得合格的鑄件。

　　3.2 蠟模變形控制

　　如何有效地控制蠟模的變形，需要先了解激光選區(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活塞筒，一個用于供粉，另一個用于成型。加工開始時，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，激光束在計算機的控制下，透過激光窗口以一定的速度和能量密度掃描，激光束掃過之處，粉末燒結(jié)成一定厚度的片層，未掃過的地方仍然是松散的粉末，這樣零件的第一層就制造出來了。這時，成型活塞下移一定距離，這個距離與設計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，激光束開始依照設計零件第二層的信息掃描。激光掃過之后，所形成的第二個片層同時也燒結(jié)在第一層上。如此反復，一個三維實體就制造出來了。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。對這些松散的粉末進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，其對零件的支撐作用就越顯著，可以更好地防止零件(蠟模)變形;但加熱溫度越高，未燒結(jié)粉末越板結(jié)，蠟模清理就越困難;因此，我們需要采取多種措施來防止蠟模的變形。以下是幾個典型零件的示例。

　　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)制造的蠟模薄壁和厚壁交接處沿圓周方向有一圈縮陷，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，我們對蠟模的三維原型進行了鏤空處理，同時在懸空凸臺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)對該模型進行切片、激光選區(qū)燒結(jié)，獲得的蠟模無縮陷，強度能滿足后續(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模的截面積，使激光選區(qū)燒結(jié)的時間從原來的8.5h 減少到現(xiàn)在的4.5h，縮短了約一半的激光燒結(jié)時間;同時，由于蠟模內(nèi)部PSB 粉料未曾燒結(jié)，鉆孔倒出后可節(jié)約大量粉料，而且蠟模鏤空后還能縮短浸蠟時間。綜上所述，該零件蠟模鏤空處理后可極大地降低原材料成本、生產(chǎn)成本，同時由于蠟模重量的減輕可降低后續(xù)工作的勞動強度。

　　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題，采用了加筋工藝，同時零件尺寸超出了設備成型缸的尺寸，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模尺寸精度，采用了以下方案。

圖6 盒子示意圖

　　如圖7 所示，切除該零件四個耳片，保證其主要結(jié)構(gòu)尺寸，切除后零件尺寸滿足設備生產(chǎn)要求。然后設定切層厚度0.15mm，激光功率25W，粉末表面加熱溫度95℃。從激光燒結(jié)的角度來說，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掃描器后燒結(jié)的長度變短，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。該零件兩個發(fā)蘭角度要求很高，通過加筋不能防止變形，最后采用反變形法，將兩發(fā)蘭的角度人為增加，蠟模加工完后，測量角度剛好在公差范圍內(nèi)，同時在懸空的發(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 蠟模表面質(zhì)量控制

　　快速成型機制出蠟模原型后，首先要把附在原型上未燒結(jié)的粉末清理干凈，然后浸蠟，把蠟模原型放入65～70℃的蠟液中，浸透，待無氣泡溢出后，再把蠟模取出，靜置，使多余蠟析出。待蠟模冷卻至室溫，再進行精整處理后就能得到表面光滑的蠟模。

　　4 快速成型蠟模與精鑄工藝結(jié)合

　　對精鑄工藝而言，蠟模用于后續(xù)工序的有蠟模組合、涂料、脫蠟。激光快速成型蠟模要滿足精鑄工藝生產(chǎn)，就必須在以上三方面達到其使用要求。

　　4.1 模組組合

　　激光成型蠟模制好后，需要按工藝要求進行澆冒口組合。根據(jù)我們的試驗，使用車間現(xiàn)有的中溫蠟料即可對激光成型蠟模進行修補、組合、粘接，兩者的粘合強度足以滿足制殼的強度需求。因此，根據(jù)成本、機加、生產(chǎn)周期考慮，澆冒口一般選用車間現(xiàn)有澆注系統(tǒng)。由于澆冒口形狀簡單，即使車間澆注系統(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)過試驗，快速成型蠟模的涂掛性很好，完全可以利用原有工藝進行涂料配制，模組涂掛制殼，面層硅溶膠+鋯英粉涂料，加強層硅酸乙酯+煤矸石涂料。

　　4.3 脫蠟

　　由于快速成型蠟模的熔化溫度高，不能使用蒸氣脫蠟工藝，為此設計了專用工藝，首先利用車間現(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易工裝，放入井式電阻爐，在開放的環(huán)境中對其進行烘烤，脫掉快速成型蠟模。通過脫蠟后的目視檢查，同時參考澆注后的鑄件表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)脫模(烘烤)后快速成型蠟模基本能夠揮發(fā)干凈，其殘留物對最終鑄件沒有影響。

　　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

　　通過開展激光快速成型技術(shù)研究，對一些任務緊、時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。目前已成功運用于多種型號航天產(chǎn)品中。

　　快速自動成型技術(shù)與鑄造車間現(xiàn)有的精密鑄造工藝相結(jié)合，使鑄造車間自己有能力快速生產(chǎn)各類大尺寸、結(jié)構(gòu)復雜熔模精密鑄件所用蠟模，減少大量外協(xié)費用，同時對于單件、小批量熔模精密鑄件的生產(chǎn)可以不用模具，從而節(jié)省大量模具加工費用，大大縮短生產(chǎn)周期，為新產(chǎn)品研制和開發(fā)獲得了大量寶貴時間，降低了生產(chǎn)成本，而且也使鑄造車間精密鑄造水平有所提高，為確保后續(xù)型號產(chǎn)品中精密鑄件生產(chǎn)任務的順利完成打下良好的基礎。

　　參考文獻

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

　　作者簡介

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