PCM快速成型工藝在鑄造新品開發(fā)中的實(shí)踐

張 浩，劉春雷

（廣西玉柴機(jī)器股份公司，廣西 玉林 537005）

快速成型（Rapid Prototyping，簡稱 RP）技術(shù)是國際上80年代初開始新開發(fā)的一項高科技成果。它的核心技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)和材料技術(shù)?？焖俪尚图夹g(shù)摒棄了傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法，根據(jù)CAD生成的零件幾何信息，控制三維數(shù)控成型系統(tǒng)，通過激光束或其他方法將材料堆積成零件。用這種方法成型，無需進(jìn)行費(fèi)時、耗資的模具或?qū)Ｓ霉ぞ叩脑O(shè)計和機(jī)械加工，提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。從制造原理上講，快速成型（RP）技術(shù)一改“去除”為“堆積”的加工原理，給制造技術(shù)帶來了革命性的飛躍式發(fā)展。目前世界上已投入應(yīng)用的快速成型裝置所采用的主要方法有以下幾種：PCM工藝法、立體平板印刷法，激光分層燒結(jié)法；激光薄片疊層制造，光掩膜法，熔絲沉積成型法，直接陶瓷殼法等。

我公司自2008年開始在新品開發(fā)中與快速成型廠家進(jìn)行合作。目前合作中，應(yīng)用快速成型技術(shù)開發(fā)的有KJ100缸蓋、S2000氣缸體、S2000氣缸蓋等產(chǎn)品的首件樣品鑄件，合作的快速成型技術(shù)中有激光薄片疊層制造法和PCM快速成型工藝法，本文闡述的主要是PCM快速成型工藝法在S2000氣缸蓋鑄件生產(chǎn)中應(yīng)用情況。

1 PCM快速成型工藝在鑄造領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用

1.1 PCM快速成型工藝法的成型原理

PCM（Patternless Casting Modeling）工藝，是將RP理論擴(kuò)展到樹脂砂造型工藝中，采用輪廓掃描噴射固化工藝，實(shí)現(xiàn)了無模型鑄型的快速制造。它的具體實(shí)施過程是將所設(shè)計零件的三維計算機(jī)圖像進(jìn)行處理，抽取出實(shí)體三維砂芯模型，將實(shí)體三維砂芯模型轉(zhuǎn)換為一系列很薄的模樣截面輪廓數(shù)據(jù)，生成控制信息。然后在PCM快速成型機(jī)上控制樹脂噴頭向芯砂表面均勻施灑樹脂，完成一層后預(yù)熱加速模型固化。

1.2 PCM工藝法制作S2000氣缸蓋工藝方案

1.2.1 前處理過程

首先規(guī)劃和設(shè)計鑄型，即確定工藝參數(shù)、選取最優(yōu)加工方向、設(shè)計澆注系統(tǒng)等。對設(shè)計的S2000氣缸蓋產(chǎn)品進(jìn)行適當(dāng)余量補(bǔ)正，并將產(chǎn)品的三維模型轉(zhuǎn)換成鑄型的三維模型，然后由鑄型三維數(shù)據(jù)得到分層截面輪廓數(shù)據(jù)，再以層面信息產(chǎn)生控制信息。

1.2.2 成型過程

1）輥制芯砂，按照輥砂工藝，在輥砂機(jī)內(nèi)加入原砂和自硬固化劑，樹脂加入量 1.6%～2.2%，固化劑按樹脂的30%～50%，原砂與固化劑預(yù)輥約20s，輥制后加入PCM快速成型機(jī)砂斗內(nèi)待用。

2）如圖1所示，需要成型時，用鋪砂機(jī)構(gòu)將輥制好的芯砂均勻鋪撒在砂箱表面，每層厚度約0.2mm～0.5mm。 制作過程中發(fā)現(xiàn)，0.2mm～0.5mm 的層厚，在氣道上會產(chǎn)生臺階效應(yīng)，所以氣道制作完成后需修光滑。

圖1 將輥制好的砂均勻鋪撒在表面

3）如圖2所示，樹脂噴頭由線性導(dǎo)軌數(shù)碼電機(jī)控制在平面上移動，先掃描模型邊界，再掃描行腔部位，噴頭可以按照0°，30°，90°等不同的角度進(jìn)行噴射樹脂，。樹脂與催化劑發(fā)生膠聯(lián)反應(yīng)，樹脂和催化劑共同作用的地方芯砂被固化在一起，其他地方芯砂仍為顆粒態(tài)干砂，從而構(gòu)成零件的一個薄層，完成一層后預(yù)熱加速模型固化（由線性導(dǎo)軌數(shù)碼電機(jī)控制，中間安放電熱管，一趟來回10s左右）。

圖2 線性導(dǎo)軌數(shù)碼樹脂噴頭

4）固化完一層后重復(fù)工藝再黏接下一層，所有層面黏接完之后就可以得到一個三維實(shí)體鑄型，清理出鑄型中間未固化的干砂就可以得到一個有一定壁厚的鑄型，如圖3所示。但不固化的那部份砂難以回收，給成本帶來一定的影響。

圖3 鑄型制作完成后，取出鑄型

5）對陶瓷砂和水洗砂兩原砂進(jìn)行輥制對比，兩原砂統(tǒng)一按某輥砂工藝輥制，輥制后取其“8”字試樣芯進(jìn)行性能檢測，發(fā)現(xiàn)其對原砂的敏感性較大，同時砂芯性能的穩(wěn)定性還需加強(qiáng)，如表1所示。

表1 PCM快速成型法“8”字試樣性能檢測情況

1.2.3 后期處理及澆注鑄件

1）鑄型烘烤：放入箱式電阻爐中烘烤，根據(jù)需要控制烘烤溫度和時間，一般溫度170℃～200℃，時間 2 h～3 h。

2）鑄型內(nèi)表面修涂：根據(jù)各部位情況，進(jìn)行人工涂刷涂料（一般先涂刷一層鋯英粉，然后再上灰鑄鐵用普通涂料，如圖4所示），然后烤干涂料（溫度約 170℃～180℃，時間 40min～70min），修刮披鋒和涂料堆積。

圖4 在鑄型的內(nèi)表面涂敷或浸漬涂料

3）將各鑄型進(jìn)行組芯：各芯頭用空心尼龍繩做排氣孔 （一般用φ4mm的尼龍繩，烘烤后液化流走，如圖5所示），然后再用自硬砂封住芯頭。

4）將鑄型下芯，通過合箱、澆注、清理等工序，最后完成所需鑄件毛坯的制作。

1.3 PCM快速成型工藝小結(jié)

圖5 做好鑄型排氣工作

S2000氣缸蓋使用PCM快速成型工藝，從訂單下達(dá)到鑄件毛坯交貨，期間共需用時間15 d～20d，較傳統(tǒng)新產(chǎn)品開發(fā)鑄造工藝所需的3～4個月已大大縮短；加快了產(chǎn)品開發(fā)的周期，同時無需模具、采用一體化造型、芯同時成形、無拔模斜度、可制造含自由曲面（曲線）的鑄型。但從實(shí)際應(yīng)用中，我們也發(fā)現(xiàn)，PCM快速成型工藝采用的是離散/堆積成形工藝原理，造成其所制作鑄型會產(chǎn)生“臺階面”的特點(diǎn)，難以生產(chǎn)出所需的高精度成形件。如對精度要求非常嚴(yán)格的氣缸蓋氣道鑄型。如果制作氣道等要求較高的鑄型，其過程參數(shù)的控制難度將較大，制作完成后還需采用嚴(yán)格的后續(xù)處理工作。

同時PCM快速成型工藝對原砂的敏感性要比傳統(tǒng)鑄造工藝對原砂敏感性大，因此芯砂性能的穩(wěn)定性也需進(jìn)一步提高。

3 結(jié)束語

通過應(yīng)用研究表明，快速成型技術(shù)是傳統(tǒng)鑄造的技術(shù)革命，不需要制造木模，金屬?；蛐竞?，具有綠色化、數(shù)字化、柔性化、快速化等特點(diǎn)。快速成型技術(shù)將單件、小批量鑄件的快速制造提供解決方案，在單件、小批量鑄件、模具毛坯制造上具有很大技術(shù)優(yōu)勢。

通過快速成型中的PCM工藝法的實(shí)際使用情況發(fā)現(xiàn)，PCM工藝法還有其自身的不足和提升空間。如：① 因PCM快速成型法采用離散/堆積成形工藝產(chǎn)生“臺階面”的特點(diǎn)，難以生產(chǎn)出工業(yè)上所需的高精度成形件；②對原砂的敏感性大，加大了過程控制難度；③不固化的砂難以回收，浪費(fèi)成本等等。這些都將是PCM快速成型技術(shù)今后要解決的課題。

［1］宗明，姜學(xué)波，類成玲.特種鑄造與先進(jìn)鑄造技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.