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本文作者：孫野宗學文李滌塵工作單位：西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室

快速成型(RP)是20世紀80年代產生的一種先進制造技術，其成型原理是利用CAD模型的分層數據信息，進行分層制造并層層累積來制作零件。該技術的最大特點是成型速度快，不受零件復雜程度制約，形狀越復雜，越能體現出該技術的優越性［1］。快速砂鑄技術結合了快速成型和砂型鑄造，該技術利用光固化成型(SL)制作出樹脂件模具，代替傳統木?；蚪饘倌?，通過填砂制芯得到砂型/芯，最后組合砂型，合箱澆注得到金屬鑄件。快速砂鑄技術能充分發揮快速成型技術的復雜形狀制造、成型周期短、成型精度高，以及砂型鑄造的制造成本低、工藝靈活性大、材料適用種類廣泛的特點，通過快速制模結合砂型鑄造實現更換材料的目的，大大提高了復雜鑄件生產效率并獲得高精度的鑄件，為快速響應市場需求奠定了基礎［2］。

1快速砂型鑄造工藝流程

1.1鑄件工藝分析及參數設計本文涉及某小型航空發動機的鋁合金部件———缸體的快速砂鑄工藝研究。其三維數模如圖1。最大外形尺寸為114mm×114mm×88mm，主要壁厚約6.5mm，散熱片結構的平均壁厚為1.5mm。其外形結構較為復雜，關鍵尺寸(缸體內圓直徑、總高)精度要求達到CT6以內。同時要求鑄件特別是關鍵部位不允許有裂紋、縮松、縮孔、夾雜等缺陷。考慮到散熱片結構的平均厚度很薄，且鑄件質量要求高，同時結合鑄件的外形結構及鋁合金的流動性、凝固方式、氣孔傾向等特點，決定采用低壓底注式澆注的方法，并在鑄件的底部設置4個圓柱澆口。同時確定一些鑄造工藝參數，包括：鑄造收縮率、工藝余量、最小鑄出孔及槽、鑄造圓角等。參數的確定過程：零件中的螺孔大徑為5mm，通孔直徑8.5mm，根據文獻［3］，決定將螺孔及通孔設定為不鑄出孔。缸體頂端及底端平面要與其他零件裝配以形成燃燒室，故參照GB/T6414-1999，確定其加工余量為2mm。缸體內壁要與活塞裝配，以同樣的方法選定加工余量為2mm。另外，一般生產中鋁合金鑄造收縮率為0.8%~1.0%，此缸體主要壁厚是6.5mm，且存在大量壁厚為1.5mm的散熱片結構，故最終選擇收縮率為

2分模設計

首先對零件分模并設計出該鑄件對應的砂型。經綜合考慮零件的形狀結構，選擇了多向開模，利用PRO/E設計出對應的砂型如圖2。砂型共分為6部分，包括4個側砂型及底座和頂蓋各1個。結合砂型數模，再設計出對應的快速成型樹脂件模具(即母模)以及填砂制芯所用的芯盒，如圖3及圖4。2.3樹脂件模具及芯盒制作將設計好的樹脂件模具的CAD模型導出成STL格式，再導入Magics軟件進一步處理，包括加工位置的擺放、抽殼、加支撐等。全部處理完后將數據傳輸到快速成型機上進行加工制作。制作完成的樹脂件，還需經過清洗、打磨等后處理才能投入使用。通常在制作樹脂件時，為了降低成本，減少樹脂的消耗，都會對制件進行抽殼處理。本例中需要注意的是，考慮到該零件存在大量薄壁散熱片結構，其樹脂件模具在脫模時會受到較大的脫模力，所以對其強度有較高要求，故未對模具進行抽殼處理。同時，選擇好合適的材料，將設計好的芯盒板(如圖4中所示)圖紙交予廠家進行加工制作。2.4砂型/芯制作將樹脂模具、芯盒組裝好，在其工作表面均勻涂刷一層脫模劑并待其晾干。按一定比例向混砂機中加入原砂、呋喃樹脂及固化劑，攪拌均勻后向芯盒中填砂。最后使用刮板將芯盒頂部冒出的樹脂砂壓實、刮平，并用長釘或卡片在適當位置扎出排氣孔(槽)。把握好開模時間，待型砂固化后，開模取出砂芯。最后給砂型工作面均勻噴(刷)涂一層砂型鑄造用涂料，降低其表面粗糙度，以提高鑄件的表面質量［4］。制作所得的砂芯如圖5。2.5澆注實驗將處理完的砂芯與事先制作好的樹脂砂澆道進行組合，再放入砂箱中，周圍填滿粘土砂并夯實。隨后將整個砂箱吊裝到低壓澆注設備上，進行澆注。選擇鋁合金材料為ZL101A，澆注溫度710℃，經歷升液、充型、增壓和保壓等幾個階段共195s時間，澆注完成。待冷卻到室溫后，開箱取出鑄件。

3鑄件澆注缺陷控制

3.1澆不足缺陷及初步改進第1次澆注所得的鑄件存在較明顯的缺陷，主要是散熱片結構出現澆不足。缺陷位置表面光亮平滑，首先想到的原因是，由于樹脂砂透氣性差且發氣量高，而該組砂型本身沒有設計專門的排氣通道，所以澆注時產生了憋氣。提出的解決辦法是，在填砂制芯過程中，于4個側砂芯壁上開出厚度2~3mm的連通型腔的排氣槽。3.2澆注模擬及澆注工藝的進一步改進為保險起見，我們還使用鑄造模擬軟件ProCAST對缸體的澆注過程進行了模擬，所設置的邊界條件盡量與實際情況相吻合。圖6(b)顯示了缸體充型的過程。由于所設置的澆口的位置關系，見圖6(a)，散熱片結構的邊沿部分總是4角先充滿，中間部位最后充滿。因而想到，缺陷不僅僅是因為憋氣造成，還可能是因為金屬液充型能力較差或冷卻時間過早，散熱片的邊沿中部還未充滿時，金屬液就已經冷卻凝固了。針對此情況，改進了原有的澆口，使之成為2條長條形澆口加兩個圓柱澆口的形式，如圖6(c)。同時使用ProCAST再次模擬該情況下的充型過程如圖6(d)?？梢钥吹缴崞Y構的4角部分和邊沿中部幾乎同時充滿，消除了前后時間間隔，而且改進后的澆口能大大減小金屬液的充型阻力。另外，我們還將這次的澆注溫度提高到720℃，并適當增加澆注各階段的壓力。澆注后的結果如圖7。可以看到，此次的鑄件散熱片結構全部充型成功。

4鑄件精度控制及其尺寸精度評價

4.1鑄件精度控制總結多次填砂造型及澆注實驗，得出一些可能導致鑄件精度誤差的因素，并提出相應對策以減小鑄件的精度偏差。這些因素包括：①SL模具制造誤差；②SL模具與芯盒之間固定不牢靠；③芯盒本身的變形及加工誤差；④砂型/芯組合裝配誤差。首先，受光固化成型機理的影響，成型出的制件的水平表面可能出現較大的翹曲變形。為了保證鑄件的精度，在進行加工位置擺放時，應盡力避免樹脂件的上述表面處于水平位置。其次，要盡量保證SL模具與芯盒之間的定位可靠性。因此，采用了模具與芯盒之間的銷孔定位加螺釘緊固的方式。本例選擇了不易變形且表面質量好的有機玻璃板制作芯盒。同時，應嚴格控制板材在各個方向上的尺寸精度，要求板材的加工尺寸精度在±0.1mm以內。最后，要確保砂型/芯之間的組合裝配精度。采用了砂型之間臺階定位的方法。即砂型上的突出部分對應凹進部分。而砂型上的臺階正是由圖4所示的芯盒側板上的缺口所形成的。4.2鑄件尺寸精度評價為評價快速砂鑄工藝所能達到的精度水平，對這批缸體鑄件共5件進行了關鍵尺寸的測量分析。具體步驟是：①用游標卡尺測量鑄件上選定的關鍵尺寸，每個尺寸測量3次取平均值；②將測量均值與設計值比較，得到誤差；③對照GB/T6414-1999中的鑄件公差等級表找出對應的公差等級；④統計公差等級及其數量，分析結果。對選定的6項關鍵尺寸進行測量分析，所得結果統計后如圖8?？梢钥吹?，80%的尺寸都在CT7以內，且沒有超過CT9的尺寸，這與傳統砂型鑄造(小批量或單件生產、手工造型)所能達到的CT10~CT12相比，精度有很大的提高。

5總結

借助快速砂鑄工藝實現了對復雜形狀缸體零件的快速開發試制。除了介紹該鋁合金缸體的快速砂鑄工藝過程外，還提出并解決了兩個關鍵問題，即鑄件精度控制和鑄件缺陷控制。對應措施可以總結為以下幾條：①制作樹脂件模具時盡量避免將重要表面水平放置；②保證模具與芯盒之間可靠的定位；③保證有機玻璃板芯盒的尺寸精度；④砂型/砂芯組合時要精準到位；⑤使用先進的數值模擬手段來預測可能出現的鑄造缺陷并對工藝方案加以改進。