1、数字化无模铸造技术数字化无模铸造技术 吴智洲吴智洲1目录无模铸造的背景意义 无模铸造技术简介无模铸造及传统造型的对比无模铸造的应用2传统的手工砂箱造型 传统的手工砂型铸造是指用型砂紧实成铸型并用重力浇注的铸造方法。钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。图1 传统的手工砂型铸造3 随着汽车、机床等现今制造业技术的高速进步，以及核电、航空航天、国防军工等重大装备和重大工程的实施，铸造产品发展的趋势要求更好的综合性能，更高的精度，更少的余量，更好的表面质量，更复杂的结构。同时，节能降耗、减少污染也是现代制造业的迫切要求。 反观传统铸造工艺，为了达到要求，木模、金属模等的制作过程耗时耗力，
2、动辄以月为单位的开发周期，拖了制造后腿。 铸造生产中，砂型铸造应用最广泛，世界上大约80%的铸件都采用木模、金属模等进行砂型铸造。 目前，我国有3 万多家的铸造企业，2011 年我国铸件年产量超过了4000 万吨，消耗了大量木材和金属。 进步，从不要木模开始。4无模铸造技术数字化无模铸造精密成型技术，简称无模铸造技术，是计算机、自动控制、新材料、铸造等技术的集成和原始创新：由三维CAD模型直接驱动铸型制造，不需要模具缩短了铸造流程，实现了数字化铸造、快速制造。图2 技术流程图5目录无模铸造的背景意义 无模铸造技术简介无模铸造及传统造型的对比无模铸造的应用6 无模铸型的数字化快速制造技术是近来国
3、内外在近净成形技术方面研究的新热点，它是建立在新材料、机电一体化、计算机技术、自动化技术、数值分析和模拟技术等多学科高新技术成果基础上，改造了传统的毛坯成形技术，为单件小批量零件的快速制造提供解决方案。 数字化快速铸造技术将是装备行业快速铸件制造技术的发展方向。目前无模铸型的数字化快速制造主要包括离散堆积成形技术和去除加工成形技术。去除加工成形技术离散堆积成形技术选择性激光烧结铸型制造工艺（SLS）、3D打印工艺等 数控铣削铸造工艺等 7 基于离散堆积原理的无模铸型制造技术近年来取得一定进展，通过以铸造用的陶瓷粉末或型砂为原料，在CAD 模型驱动下通过快速成形机，可以直接制成铸造用的型壳。在C
4、AD 环境中，直接将零件模型转换为壳型，再配以浇冒口系统。型壳的厚度可取510mm，烧结或粘接过程中，非零件部分进行烧结或粘接，零件部分仍是粉末。造型完成后将粉末倒出，再经固化处理就获得铸造用的型壳。用此方法，省去传统精密铸造过程中蜡型、泡沫塑料模、木模的制作等多种工艺过程，是传统铸造过程的重大变革。基于离散堆积原理的无模铸型制造技术 这是将快速成形理论引进到树脂砂造型工艺中，采用轮廓扫描喷射固化工艺，实现了无模型铸型的快速制造。该工艺由清华大学研制成功，并推出商品化机型。该工艺采用传统树脂砂工艺中的水洗砂、树脂和固化剂，原材料的准备过程与传统工艺相同，与以上工艺相比无需单独制备原材料，且成本
5、低廉，铸型强度高，无需特殊的后处理，尤其适合制造大中型铸件。但该工艺对树脂砂的用量较大，粘结剂成份高，进而导致加工精度不高，且加工获得的铸型透气性差，不适于对透气性要求高的大型铸件的制造。轮廓扫描喷射固化工艺8激光烧结技术图3 激光选取烧结工艺示意图 目前，SLS直接砂型制造的方法有两种，直接烧结工艺和间接烧结工艺。2003年新加坡国立大学对硅砂的直接烧结工艺进行研究，提出由于硅砂中少量Al2O3的存在可降低砂粒表面的熔点，因此无需粘结剂即可烧结的观点。此方法激光功率在140200W之间，但成形速度较慢，制造周期较长，且它对设备要求高，因此未得到广泛地应用。目前普遍采用的是间接烧结工艺，即烧结
6、表面覆有热塑性粘结剂的覆膜砂，酚醛树脂的固化温度不高，激光功率只要求在25100W内。完成的砂型（芯）强度较低，需经过进一步的后固化处理，其固化温度一般控制在200280。9激光烧结技术 使用覆膜砂材料烧结完成的砂型经过二次烘烤固化后， 应用组芯浇注工艺进行生产， 适用于大部分可应用组芯工艺生产的铸铁及铸铝件。使用聚苯乙烯粉末烧结的工件进行渗蜡后可应用精铸工艺进行生产， 适用于融模、陶瓷型等精铸工艺的铸件生产。激光选区烧结工艺受设备成型空间及加工效率的影响， 不适合于大型件的生产。 德国EOS 公司利用选区激光烧结工艺进行砂型、塑料等模型的制造技术、一直处于世界领先地位， 近几年随着国内在该项
7、技术方面的研究及发展， 技术水平已经及国外接近， 甚至在成型空间及某些材料加工领域已超越国外。103D打印技术 三维打印是通过粘结剂将粉末材料连接成成型物体的工艺。可二维运动的机构带动喷头在计算机控制下， 按照零件轮廓形状将液体材料有选择性地喷涂在粉末材料上， 使粉末材料及液体材料进行反应而完成当前层的固化。每一层完成后工作台下降一定高度， 铺上一层新的粉末， 重复以上喷涂的工作， 最终将整个零件制作完成， 见图4。目前该工艺常用的原材料有铸造砂、陶瓷粉等。根据成型材料及成型工艺不同， 所喷涂的液体材料也不同。有的直接将粘结剂喷涂在粉末材料上， 如在陶瓷粉末上喷涂硅溶胶； 也有将粘结剂喷涂在预
8、先混制固化剂的铸造砂粉末上完成固化； 还有将树脂及固化剂分两次喷涂在铸造砂粉末上以完成固化。图4 三维打印工艺示意图113D打印技术 使用陶瓷粉为原材料制作的陶瓷型经过二次焙烧固化后， 可结合陶瓷型精铸工艺进行铸件生产。使用铸造砂为原材料制作的砂型， 可直接用于铸件组芯工艺铸造。 ExOne公司的ProMetal RCT技术是一种专门制作铸造砂型的3DP技术，其成形材料为树脂砂，其型砂多为硅砂、合成砂及其他的铸造介质。成形件（砂型）不需要特别的后处理工序，进行清扫后就可以用于铸造生产。ProMetal RCT技术的工作空间达到1800mm1000mm 700mm，层厚为0.280.50mm，打
9、印速度为59400108000cm3/h，可用于大型铸型的制造。ProMetal RCT技术打印的砂型见图5。图5 ProMetal RCT技术打印的砂型12直接壳型铸造工艺(DSPC) 美国Soligen 公司根据3DP 原理开发的直接壳型铸造工艺(DSPC)，该技术使用陶瓷粉末为造型材料，粘接材料选用硅溶胶。由于陶瓷粉末颗粒尺寸在75150 之间，所以DSPC 工艺造型的表面质量较高，但这种硅酸盐水溶液分层粘接起来的陶瓷铸型强度较低，必须经过焙烧之后才能用于浇注金属，如果是大型铸件的铸型就需要价格高昂、体积庞大的加热设备，所以DSPC 工艺不适合大中型铸件的生产。图6为采用该工艺制造的铸型
10、。m图6 直接壳型制造的铸型13GS(Generis sand)工艺 德国Generis 公司开发，其工艺路线是将砂粒铺平之后，先用多通道喷头向砂床均匀喷洒树脂，然后由一个喷头依据轮廓路径喷射催化剂，催化剂遇树脂后发生胶联反应，使铸型层层固化堆积成形。该工艺砂箱尺寸可达1500750750mm，分层厚度可达0.3mm，可用于制造大中型铸型，但其缺点是十分明显的，由于树脂喷洒在整个砂床表面，铸型制作完毕后是在含有树脂的砂包围之中，这样给后续取砂型时清砂带来困难，需特殊处理工序，同时也影响了砂型的精度和表面质量。GS 工艺的设备铸型及铸件14基于去除加工原理的无模铸型制造技术 由于数控技术的快速发
11、展，基于去除原理的快速加工制造技术在机械工业中得到快速应用。目前已经广泛应用于零件加工、模具制造中，然而工业发达国家目前将数控加工技术应用于制造铸型，是传统铸造工业的重大变革。在CAD模型驱动下，直接采用数控机床加工砂型，获得浇注的铸型，不需要传统的铸造模样，不仅制造速度快，而且精度高。由于在封闭环境中加工，成形过程中的废弃物如粉尘、废气、废渣等可以得到回收。15 DMM工艺就是采用5轴数控铣直接切削出铸造用铸型，尤其是大型铸件，但不适合于形状复杂的铸件。图7为设备加工过程示意，图8为加工出的铸型。DMM(Direct Mould Milling)工艺图7 DMM 加工铸型示意 图8 DMM加
12、工油过滤器铸型与金属件(加工数据生成: 3 小时；铸型加工6.5 小时/个；尺寸: 600 x 500 x 340 mm；从CAD 数据到交货时间：8 天)16根据国内外文献资料检索，目前德国的AcTech 公司研发了该项技术，并且该公司于1998年申请了关于“直接制造用于金属铸件的消失模铸型的设备及方法”的专利，并于1999在整个欧洲范围内申请了专利。此外，该公司还在日本、美国和加拿大申请了相关专利。目前AcTech 公司有2台用于直接加工铸型的设备，其可加工的最大外形尺寸达2.4米，该设备可用于加工大型的车身结构、批量生产的压铸模等。AcTech公司通常接到客户提供的三维CAD 数据后，根
13、据铸件尺寸和复杂程度的不同，在3周时间内即可为顾客提供1-5个铸件。如图9为该公司的数控铣床在砂坯上直接加工铸型的过程，图10为直接加工出的铸型。德国AcTech 公司无模铸型制造技术图9 数控铣床直接加工铸型的过程图10 直接加工出的铸型17三种常用无模铸造制造工艺比较18对于数控铣削类无模铸造本身，1复杂薄壁砂型加工易出现坍塌2加工表面粗糙度大3刀具高速运转时如何给刀头降温4高速旋转的刀具加工砂型易磨损或崩刃5加工的废砂如何及时清除在浇注过程中采用负压系统，真空分配器通过耐高温橡胶软管接通负压砂箱，使砂箱内的型砂紧实，来实现在稳定的负压场下完成液体的浇铸。研制专门的长寿命刀具气动排砂工艺1
14、9 空心立铣刀的气动排砂原理如图11所示，空气压缩机将高压气体输送到密封腔内部，高压气体先进入转换刀柄的十字交叉孔，然后进入转换刀柄及立铣刀相连的一端通孔，接着进入立铣刀内部，从立铣刀的切削刃附近的小孔喷出，喷出的高压气体将刀具周围的废砂吹开或排出型腔。 在型腔内部，气体压力从底部到顶部逐渐减小，气体流速从大逐渐减小，并且型腔出口风速及流场平均风速大于3.3m/s。在此压力供给调节下，将会浪费气体资源。当型腔出口平均风速大于等于3.3m/s时，就能保证型腔内的气体风速达到气动排砂的要求，而不必供给过高压力的气体。空心立铣刀的气动排砂原理1.转换刀柄 2.密封腔 3.螺母 4.空心的立铣刀 5.
15、密封静环 6.密封动环 7.砂型工件 图11 空心立铣刀的气动排屑原理20采用普通立铣刀加工圆孔的过程如图12所示，采用时时气动排砂的空心立铣刀加工圆孔的过程，如图13所示。在保证气体压力的条件下，空心立铣刀排屑效果非常好。随着加工深度的增加，型腔中的砂屑并没有不断累积。在普通立铣刀及空心立铣刀完成孔加工之后，随着加工深度的增加，砂屑在普通立铣刀加工的型腔内逐渐积累，以致100mm深的孔无法完成加工。空心立铣刀的气动排砂效果图12 普通立铣刀的排砂效果 图13 空心立铣刀的排砂效果21 这种技术特别适用于深孔和窄槽加工时，即采用一种高压喷嘴吹除的方式。研究的排砂的实验流程如图14所示。 砂型切
16、削排砂通过气泵5来提供气源，通过气管3及节流阀4输送到安装在机床刀具7附近的喷嘴1处，由于喷嘴的出口面积很小，同样的压强造成出口的流速急剧增大，足以将刀具附近的废砂及时排除，使其不影响加工。四喷嘴排砂洗尘系统1.喷嘴 2.固定装置 3.气管 4.阀门 5.气泵 6.加工主轴 7.刀头 图14 铸造成形机排砂流程图22 通过建立四喷嘴模型，利用Fluent 流体软件对其进行初步的模拟仿真，得到四喷嘴对吹机构可以产生沿刀具一股竖直向下的气流，此气流可以有效的排出正在加工砂型中的深孔或窄槽中的废砂。通过数值模拟及实验对比研究分析，喷嘴的偏置距离为刀具的半径时，为喷嘴最佳的偏置距离、喷嘴的角度为60、
17、距离在64mm80mm 之间时，气流的能量损失最少、流速最大，对排除深孔、窄槽中的废砂最为有利，得到最佳的喷嘴布局设计。四喷嘴排砂洗尘系统 两喷嘴直吹排砂系统图 圆形法兰均布四喷嘴排砂设计23目录无模铸造技术简介无模铸造及传统造型的对比无模铸造的应用无模铸造的背景意义 24易于制造含自由曲面的铸型易于制造含自由曲面的铸型05 型、芯同时成形型、芯同时成形 04 一体化制造一体化制造03 制造成本低制造成本低02 造型时间短造型时间短01无模铸造技术的特点 同传统铸型制造技术相比，无模铸造具有无可比拟的优越性，它不仅使铸造过程高度自动化、敏捷化，降低工人劳动强度，而且在技术上突破了传统工艺的许多
18、障碍，使设计、制造的约束条件大大减少。具体表现在以下方面：25造型时间短利用传统的方法制造铸型必须先加工模样，无论是普通加工还是数控加工，模样的制造周期都比较长。对于大中型铸件来说，铸型的制造周期一般以月为单位计算。由于采用计算机自动处理，无模铸造工艺的信息处理过程一般只需花费几个小时至几十个小时。所以从制造时间上来看，该工艺具有传统造型方法无法比拟的优越性。制造成本低无模铸造工艺的自动化程度高，其设备一次性投资较大，其它生产条件如原砂、树脂等原材料的准备过程及传统的自硬树脂砂造型工艺相同。然而又由于它造型无需模样，对于一些大型、复杂铸件，模具的成本又较高，所以其收益是明显的。26一体化制造由
19、于传统造型需要起模，因此一般要求沿铸件最大截面处（分型面）将其分开，也就是采用分型造型。这样往往限制了铸件设计的自由度，某些表面和内腔复杂的铸型不得不采用多个分型面，使造型、合箱装配过程的难度大大增加，分型造型使铸件产生“飞边”，导致机加工量增大。无模铸造工艺采用离散/堆积成形原理，没有起模过程，所以分型面的设计并不是主要障碍。分型面的设计甚至可以根据需要不设置在铸件的最大截面处，而是设在铸件的非关键部位，对于某些铸件，完全可以采用一体化制造方法，即上下型同时成形。一体化造型最显著的优点是省去了合箱装配的定位过程，减少了设计约束和机加工量，使铸件的尺寸精度更容易控制。27型芯同时成型传统工艺出
20、于起模的考虑，型腔内部一些结构设计成芯，型、芯分开制造，然后再将二者装配起来，装配过程需要准确的定位，还必须考虑芯子的稳定性。无模铸造工艺制造的铸型，型和芯是同时堆积而成，无需装配，位置精度更易保证。易于制造含自由曲面的铸型传统工艺中，采用普通加工方法制造模样的精度难以保证；数控加工编程复杂，另外涉及刀具干涉等问题。所以传统工艺不适合制造含自由曲面或曲线的铸件。而基于离散/堆积成形原理的无模铸造工艺，不存在成形的几何约束，因而能够很容易地实现任意复杂形状的造型。 28柔性化数字化绿色化精密化无模铸造及传统铸造技术的对比 数字化无模铸造精密成型技术是一种全新的复杂金属件快速制造方法，能够实现复杂
21、金属件制造的柔性化、数字化、精密化、绿色化、智能化，是铸造技术的革命。不需要木模及模具，缩短了铸造流程，实现了传统铸造行业的数字化制造，特别适合于复杂零部件的快速制造，在节约铸造材料、缩短工艺流程、减少铸造废弃物、提升铸造质量、降低铸件能耗等方面具有显著特色和优势，改变了几千年来铸造需要模具的状况。 及传统有模铸件制造相比，数字化无模铸造加工费用仅为有模方法的1/10左右，开发时间缩短50%-80%，制造成本降低30%-50%。293031汽车缸体无模铸造工艺及传统铸造工艺技术应用效果的对比汽车缸体无模铸造工艺及传统铸造工艺技术应用效果的对比项目项目无模铸造工艺无模铸造工艺传统铸造工艺传统铸造
22、工艺制作制作过程过程无需模具，铸型一次成型无需模具，铸型一次成型先制作模具，先制作模具，34次修模后才能做出铸型次修模后才能做出铸型制作制作时间时间约约1015天天 约约120天天 人工原人工原材料费材料费低低 约叁拾万元左右约叁拾万元左右 工人技工人技能要求能要求专业技能要求普通，培训一周即可进行操作专业技能要求普通，培训一周即可进行操作 专业技能要求高，一般有一定工作经验才能独立工作专业技能要求高，一般有一定工作经验才能独立工作 工艺工艺和和制造制造特性特性1、无需模具，铸型一次成形。、无需模具，铸型一次成形。2、可实现一体化造型，减少设计约束和机加工量，、可实现一体化造型，减少设计约束和
23、机加工量，铸件尺寸精度易控制。铸件尺寸精度易控制。3、型、芯同时成型，提高定位精度。、型、芯同时成型，提高定位精度。4、无需拔模斜度，减轻铸件重量。、无需拔模斜度，减轻铸件重量。5、可以制作任意形状的铸件，尤其是制作复杂以、可以制作任意形状的铸件，尤其是制作复杂以及含有自由曲面的铸件，而且精度高。及含有自由曲面的铸件，而且精度高。6、完美体现设计者意图，提高发动机的效率。、完美体现设计者意图，提高发动机的效率。7、设计有问题修改三维图即可重新制作。、设计有问题修改三维图即可重新制作。 1、先制作模具，、先制作模具，34次修改模具后才能达到设计要求。次修改模具后才能达到设计要求。2、复杂件只能采
24、用多箱造型的方法，难度增加，铸件容易产、复杂件只能采用多箱造型的方法，难度增加，铸件容易产生错位，增加清理和机加工的工作量。生错位，增加清理和机加工的工作量。3、往往只能型芯分开成型，再进行组装，定位误差增加。、往往只能型芯分开成型，再进行组装，定位误差增加。4、需拔模斜度。、需拔模斜度。5、传统加工方法难以保证曲面精度，存在无法克服的障碍。、传统加工方法难以保证曲面精度，存在无法克服的障碍。6、铸件有问题很难确定是设计问题还是模具问题。、铸件有问题很难确定是设计问题还是模具问题。7、对新产品开发模具投入太大，一般都在几十万以上。、对新产品开发模具投入太大，一般都在几十万以上。 32目录无模铸
25、造技术简介无模铸造及传统造型的对比无模铸造的应用无模铸造的背景意义 33无模铸造的应用机械装备生产方面航空航天、汽车、军工方面陶瓷和工艺品行业34目前无模铸造技术广泛应用在航空、航天、军工、汽车、火车、摩托车、船舶、机械装备、水泵、陶瓷等行业开发研制和生产单位。 无模铸造技术应用35无模铸造技术应用36 (a)外砂模 (b)内砂芯 (a)组合砂模 (b)铸件 图15 缸盖铸件无模铸造 中国一拖采用CAMTC一SMM数字化无模铸造技术及装备进行了多种复杂缸盖的快速开发。其中采用多块砂芯及外模组合方式, 可以实现小尺寸高精度形状结构的型芯的快速加工成形。图15为某缸盖的开发过程图。37 铸造方面样
26、品铸造方面样品汽车发动机缸体（灰铁汽车发动机缸体（灰铁HT250） 汽车发动机缸体（灰铁汽车发动机缸体（灰铁HT250HT250） 该汽车发动机缸体是该汽车发动机缸体是2008年年8月为国内华北地区某大型汽车研发月为国内华北地区某大型汽车研发企业制作，首个样件制作周期为企业制作，首个样件制作周期为15天，后续天，后续20天天/2个，个，3个制作周期个制作周期一共一共35天，大大节约了制作周期。天，大大节约了制作周期。38 铸造方面样品铸造方面样品汽车发动机进气管（铝合金汽车发动机进气管（铝合金ZL101） 汽车发动机进气管（铝合金汽车发动机进气管（铝合金ZL101） 该套汽车发动机进气管是该套
27、汽车发动机进气管是2010年年1月为月为国内北中某大型汽车厂试制汽车国内北中某大型汽车厂试制汽车发动机进气管，制作周期发动机进气管，制作周期20天天/3件（含机加工）件（含机加工）。39铸造方面样品铸造方面样品 KPS140-150泵盖砂芯泵盖砂芯KPS140-150泵盖铸型泵盖铸型KPS140-150泵盖铸件泵盖铸件 40铸造方面样品铸造方面样品KPS140-150泵体砂芯KPS140-150泵体铸型KPS140-150泵体铸件 KPS140-150KPS140-150泵盖、泵体砂芯都是用泵盖、泵体砂芯都是用无模铸型快速制造技术整体制作的，尺无模铸型快速制造技术整体制作的，尺寸比较准确，且铸
28、件减少许多披缝。而寸比较准确，且铸件减少许多披缝。而传统技术要分成几个砂芯，再组装，铸传统技术要分成几个砂芯，再组装，铸件上就增加不少披缝，尺寸精度也受操件上就增加不少披缝，尺寸精度也受操作的影响。作的影响。41模具方面样品模具方面样品KPS140-150泵体上砂模KPS140-150泵体下砂模KPS140-150泵体上石膏模 KPS140-150泵体下石膏模42模具方面样品模具方面样品KPS140-150泵体上、下塑料模组装 用无模铸型快速制造技术制作的KPS140-150泵体树脂砂模，然后翻制成石膏模，再用石膏模翻成用于批量生产的塑料模。而XA10065-250泵体砂芯则直接用其翻成用于批
29、量生产的塑料芯盒。43复杂陶瓷卫生洁具方面样品复杂陶瓷卫生洁具方面样品正在造型中的马桶上好涂料的半边马桶整体制作的马桶整体制作的马桶44原型及工艺品方面样品原型及工艺品方面样品纸浆泵叶轮原理轴流泵叶轮原理 用无模铸型快速制造技术制作的叶轮原型，是肯富用无模铸型快速制造技术制作的叶轮原型，是肯富来来安德里兹佛山泵有限公司的展品，并用来检验客安德里兹佛山泵有限公司的展品，并用来检验客户所提供的铸件是否符合要求的对照样品。户所提供的铸件是否符合要求的对照样品。45原型及工艺品方面样品原型及工艺品方面样品 用无模铸型快速制造技术制作的汽用无模铸型快速制造技术制作的汽车轮毂实型可经过表面涂装，做成和真车轮毂实型可经过表面涂装，做成和真实的轮毂几乎一样的样品，供客户选择，实的轮毂几乎一样的样品，供客户选择，选定后再做模具进行批量生产。选定后再做模具进行批量生产。 工艺品是无模铸型快速制造技术工艺品是无模铸型快速制造技术应用范围的扩展，可以做一些大的应用范围的扩展，可以做一些大的工艺品，加快制作过程，降低制作工艺品，加快制作过程，降低制作成本。成本。工艺品狗汽车轮毂实型46总结总结谢谢观赏47
