快速成型技術(shù)在L15研制中的應(yīng)用

張少英，廖 可，彭志富

（洪都航空工業(yè)集團(tuán)，江西 南昌330024）

0 引言

由于模具制造周期長(zhǎng)、成本高，且研制階段批量少，更改變動(dòng)頻繁，若用熔模精密鑄造，從時(shí)間上和經(jīng)濟(jì)上考慮用熔模精密鑄件都不合算， 通常都是以機(jī)械加工的方法替代。 某些零件因結(jié)構(gòu)的特殊性，限制了機(jī)加工藝， 而必須采用鑄造工藝， 但鑄造周期長(zhǎng)，易造成生產(chǎn)進(jìn)度的拖延。 在L15型飛機(jī)研制階段，有較多鑄件需要精密鑄造。 但用傳統(tǒng)熔模精密鑄造的工藝方法,生產(chǎn)則無法滿足L15研制的“快捷”和“柔性”的需求。

以快速成型結(jié)合鑄造技術(shù)由于能夠以較低的成本在較短時(shí)間內(nèi)制造出性能優(yōu)良、 形狀復(fù)雜的金屬零件，成為目前應(yīng)用最廣泛的、最實(shí)際可行的金屬零件快速制造工藝[1,2]。 在多種快速成型工藝中，SLS(選擇性激光燒法)工藝由于具有燒結(jié)材料廣泛的突出特點(diǎn)，使其是目前在鑄造工藝中應(yīng)用最廣。 本課題研究了高分子材料和有機(jī)可溶性材料的成型工藝， 對(duì)滲蠟工藝進(jìn)行了深入研究，分析了L15鎖座鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了澆注工藝設(shè)計(jì)與模擬，成功澆注了L15鎖座鑄件， 在國(guó)內(nèi)較早應(yīng)用可熔性材料快速成型技術(shù)進(jìn)行精密鑄造，并成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

1 試驗(yàn)材料的選擇

用SLS制作高分子原型件，通過滲蠟處理得到蠟?zāi)＃捎萌勰＞荑T造技術(shù)得到金屬零件。 這種方法制造成本低而且技術(shù)比較成熟， 可以與傳統(tǒng)鑄造工藝銜接。 但是高分子材料存在著收縮率大、軟化和汽化溫度高、 揮發(fā)性氣體對(duì)人體呼吸有極強(qiáng)的刺激性和殘留灰分高等缺點(diǎn)，在工廠實(shí)際生產(chǎn)中不宜應(yīng)用。而有機(jī)可溶性材料具有收縮率小、氣化無氣味、殘留灰分少等優(yōu)勢(shì)。 因此在本課題中，主要選用了有機(jī)可溶性材料進(jìn)行工藝研究。

2 鑄造工藝方案

根據(jù)L15鎖座鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，進(jìn)行澆注工藝分析，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行毛坯圖的設(shè)計(jì)，繪制三維毛坯圖（如圖1），再用快速成型方法制造零件樣件，進(jìn)行滲蠟處理后組焊澆注系統(tǒng)，然后再制殼、脫蠟、澆注，鑄造出L15鎖座鑄件。

圖1 L15鎖座鑄件毛壞三維圖

2.1 鑄件結(jié)構(gòu)分析

鎖座是L15高級(jí)教練機(jī)上的一種部件， 數(shù)量多，但結(jié)構(gòu)形狀大體類似。 典型的鎖座鑄件如圖2所示。

圖2 典型的鎖座鑄件圖

該鑄件采用熔模精密鑄造基于以下考慮:

1）鑄件尺寸精確，表面粗糙度低。

2）熔模鑄件最主要的特點(diǎn)是尺寸精度和幾何精度高，表面粗糙度低。 因而可以大大減小鑄件的切削加工余量，并可實(shí)現(xiàn)無余量鑄造。

3）鑄件形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 用一般機(jī)加方法無法完成。

4）熔模精密鑄造能鑄造出形狀十分復(fù)雜的鑄件，還可以鑄造組合的、整體的鑄件，以代替由幾個(gè)零件焊接或裝配而成的部件，可減輕零件重量。

2.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鎖座從其結(jié)構(gòu)上看不算復(fù)雜， 但從鑄造工藝上分析，在該零件上有兩個(gè)孤立的熱節(jié)，如圖3中1、2箭頭所示。 這兩個(gè)熱節(jié)必須分別接收兩個(gè)補(bǔ)縮來源。

熱節(jié)1通過筋條4與側(cè)板相連接；熱節(jié)2與底板直接相連接。 因此，熱節(jié)1和熱節(jié)2是相互孤立的。

為了增加鑄件的強(qiáng)度, 便于快速成型操作, 我們?cè)O(shè)置了一圓柱形 的支撐3， 其作用是防止筋條4 折斷或下墜變形。

圖3 鎖座工藝分析圖

初步設(shè)計(jì)了兩種澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖4 所示。

A 方案利用直澆道對(duì)熱節(jié)2 進(jìn)行補(bǔ)縮，熱節(jié)1 靠暗冒口進(jìn)行補(bǔ)縮。

B 方案分別用內(nèi)澆道對(duì)兩個(gè)熱節(jié)進(jìn)行補(bǔ)縮。

從鑄件補(bǔ)縮和涂料工藝上比較，B方案要優(yōu)于A方案，其組合要牢固一些。

圖4 鎖座的兩種澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 鑄件充型和凝固過程分析

采用重力澆注技術(shù)。 型殼經(jīng)過900 ℃/3 h的高溫焙燒之后，在爐中自然冷卻至700 ℃左右澆注，澆注時(shí)間約為4 s。 我們先研究方案A的凝固過程。

我們用凝固指數(shù)和凝固時(shí)間分別進(jìn)行判定,發(fā)現(xiàn)這種方案在暗冒口和熱節(jié)1之間存在熱量集中，有產(chǎn)生疏松的可能性。 如圖5中箭頭所指。

方案B的模擬充型過程如圖6所示。 可以看出充型過程首先由底部?jī)蓚€(gè)內(nèi)澆道開始。 充填下方兩個(gè)熱節(jié)，然后經(jīng)過上面的橫澆道充填上方兩個(gè)熱節(jié)。 從充填的順序來看是合理的。

基本上沒有發(fā)生噴濺現(xiàn)象。

由圖7可以看出，鑄件的凝固時(shí)間順序。 壁板為先燒結(jié)凝固部分，兩個(gè)部位熱節(jié)均為最后凝固地方，并從澆道中得到充分的補(bǔ)縮。 這一點(diǎn)可以從圖7、8中明顯地看出。

圖5 方案A的凝固分析

3 滲蠟工藝研究

快速成型過程是一種粉狀材料逐層添加燒結(jié)成型的過程，因此，成型后熔模表面會(huì)出現(xiàn)層狀臺(tái)階，臺(tái)階的厚度約為0.1 mm-0.2 mm， 影響了鑄件表面的光潔度，如圖9所示。

為了提高蠟?zāi)１砻娴墓鉂嵍龋?我們對(duì)燒制好的熔模進(jìn)行恒溫浸滲（蠟）處理，這樣不僅能夠提高熔模的表面光潔度，還可以增加熔模的強(qiáng)度。 通過浸液處理后鑄件的表面質(zhì)量得到了大幅度地提高。

浸滲處理工藝對(duì)蠟液的質(zhì)量和溫度都有很嚴(yán)格的要求。 蠟液應(yīng)具有良好的流動(dòng)性、浸潤(rùn)性，并且蠟質(zhì)要純凈，不可混有雜質(zhì)，而且要求蠟的熔點(diǎn)較低。

圖6 方案B的充型模擬

圖7 凝固時(shí)間分布

(色彩由深到淺表示凝固時(shí)間由短到長(zhǎng))我們選用低溫蠟。 其基本配比為石蠟加上少量EVA，以細(xì)化模料的晶粒，提高強(qiáng)度。

從圖9可以看出，經(jīng)過表面處理之后，鑄件表面相當(dāng)光滑，和真實(shí)的蠟?zāi)Ｍ耆粯印?模型可以像蠟?zāi)Ｒ粯舆M(jìn)行組合、焊接。 從而為復(fù)雜鑄件的精密成型提供了技術(shù)支持。

圖8 鑄件熱節(jié)分布圖

(明亮的部分為最后凝固區(qū)域)

為了進(jìn)一步研究材料的性能特性,我們做了材料處理前后的性能比較。

采用德國(guó)進(jìn)口的精密試驗(yàn)機(jī)（如圖10），按照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《熔模鑄造模料-抗彎強(qiáng)度測(cè)定方法》GB/T 14235.2-93 進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

抗彎強(qiáng)度:σw=3PL/2ah2

圖9 浸滲處理前后表面質(zhì)量對(duì)比圖

式中:P—斷裂時(shí)的載荷；

L—兩支點(diǎn)間距；

a—試樣寬度；

h—試樣厚度。

圖10 強(qiáng)度-硬度試驗(yàn)機(jī)

材料強(qiáng)化前后的抗彎強(qiáng)度比較見表1。

表1 材料強(qiáng)化前后的抗彎強(qiáng)度比較

從表1可以看出，經(jīng)過浸滲處理后，材料強(qiáng)度有了大幅度提高。 事實(shí)上已經(jīng)超過單純的低溫蠟的強(qiáng)度水平。 其原因在于經(jīng)過浸滲后的表面材料實(shí)際上是一種由顆粒、粘合劑和蠟組成的復(fù)合材料。

4 澆注工藝實(shí)踐

當(dāng)利用快速成型做好鑄件蠟?zāi)Ｒ院螅?按照設(shè)計(jì)好的澆注系統(tǒng)（方案B）進(jìn)行澆冒系統(tǒng)的焊接，再按照成熟的熔模精密鑄造技術(shù)進(jìn)行制殼、脫蠟、烘烤、熔煉、澆注等工藝流程，完成整個(gè)鑄件的制造過程。 利用快速成型和熔模精密鑄造相結(jié)合的方式， 鑄造出的L15 鎖座鑄件，如圖11 所示。 經(jīng)過檢驗(yàn)部門的檢測(cè)，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并順利交付使用，保證了L15研制的生產(chǎn)進(jìn)度。

圖11 澆注成功的鎖座鑄件

5 結(jié)論

1）在國(guó)內(nèi)較早應(yīng)用可熔性材料快速成型技術(shù)進(jìn)行精密鑄造，并成功應(yīng)用于L15鎖座鑄件的鑄造。

2）采用浸滲技術(shù)可以大幅提高模型光潔度和模型的強(qiáng)度，其抗彎強(qiáng)度高于蠟?zāi)?，并且可以像蠟?zāi)Ｒ粯舆M(jìn)行焊接組合和“熔化”。

3）快速成型與熔模密精鑄造技術(shù)相結(jié)合， 可以快速地制造出任意復(fù)雜程度的零件， 非常適合于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研制階段的試制生產(chǎn)。

[1]Detlef K,Chua C K,Du Z H.Rapid Prototyping Issues in the 21st Century. Computer in Industry,1999,39(3):3～10

[2]Wiedemann B, Jantzen H A. Strategies and Applications for Rapid Product and Process Development in Daimler -Benz AG. Computer in Industry,1999,39(1):11～25

[3]樊自田，黃乃瑜，李焰.快速造型中材料的研究及發(fā)展.見：’98全國(guó)RP/RT會(huì)議論文集，西安，1998：119～123