激光快速成形與傳統(tǒng)精鑄技術(shù)的組合應(yīng)用

沈陽中航動力精密鑄造科技有限公司技術(shù)科 孫長波 尚 偉 周君華 鄒建波

快速自動成形(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[1]。該技術(shù)解決了計算機輔助設(shè)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?？焖僮詣映尚伪举|(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形機，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。

國內(nèi)外動態(tài)和發(fā)展趨向

美國在發(fā)展快速自動成形技術(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(xué)院、得克薩斯大學(xué)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，用于該項技術(shù)的進一步研究[1]。各大公司紛紛購入成形機，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形技術(shù)，開發(fā)新產(chǎn)品?，F(xiàn)已有2500多套快速成形機分布在世界各地的不同領(lǐng)域。

自從快速自動成形問世后，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[2]。快速成形技術(shù)在熔模精密鑄造中的應(yīng)用可以分為3種：一是消失成形件(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?zāi)Ｄ＞咧圃欤糜诖笈可a(chǎn)。這3種方法與傳統(tǒng)精密鑄造相比，解決了傳統(tǒng)方法的蠟?zāi)Ｖ圃炱款i問題，其流程如圖1所示。

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(xué)院、華中科技大學(xué)等在進行快速成形設(shè)備生產(chǎn)與工藝研究。使用快速自動成形技術(shù)生產(chǎn)精鑄用蠟?zāi)５膹S家主要有北京航空材料研究院、中航工業(yè)北京鋼鐵研究總院、沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司、西安航空發(fā)動機(集團)有限公司等，取得了良好的經(jīng)濟效益。目前，該項技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于航空、航天、機械、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域。

本公司選用的是北京隆源快速成形公司生產(chǎn)的AFS-320MZ/Q設(shè)備(圖2)[3]。該設(shè)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?zāi)！?/p>

圖2 北京隆源快速成形機

蠟?zāi)５募す饪焖俪尚?/h2>

本公司在引進快速成形技術(shù)前，采用圖1所示的傳統(tǒng)精鑄工藝生產(chǎn)(虛線框內(nèi))。對于新產(chǎn)品的研制，生產(chǎn)周期相當(dāng)長，其中壓型的設(shè)計及生產(chǎn)又占據(jù)了較長的時間。圖3所示的支架類零件形狀并不復(fù)雜，如果采用設(shè)計壓型進行生產(chǎn)，其模具的設(shè)計、生產(chǎn)周期約需2～3個月，從模具投入生產(chǎn)到得到鑄件還需半個月的時間。而快速成形設(shè)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?zāi)蛹倩ò雮€月即可得到鑄件。

使用激光快速成形設(shè)備制作蠟?zāi)＃铌P(guān)鍵是要控制蠟?zāi)３叽绾妥冃?，同時盡可能提高蠟?zāi)１砻尜|(zhì)量。

1 蠟?zāi)３叽缈刂?/h3>

本公司使用Ungraphics NX3.0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(dǎo)入該STL文件，合理放置后進行切片處理，導(dǎo)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(shè)備使用的AFI文件；最后導(dǎo)入快速成形設(shè)備進行生產(chǎn)。

要控制蠟?zāi)３叽?，先需根?jù)合金收縮率、模殼膨脹系數(shù)、工藝方案給出蠟?zāi)、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?zāi)?，繼而獲得鑄件。通過對鑄件尺寸的測定，反過來可再次對蠟?zāi)３叽邕M行協(xié)調(diào)，最終獲得合格的蠟?zāi)：丸T件。如某型號鑄件，按最初的工藝方案生產(chǎn)，設(shè)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?zāi)３叽?。如果采用壓型生產(chǎn)，該收縮率的調(diào)整將可能導(dǎo)致壓型報廢，除造成成本大幅度提高，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(dǎo)致鑄件非線性收縮嚴(yán)重，繼而影響到鑄件尺寸精度時，可以在使用Unigraphics NX2.0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?zāi)３叽?，最終獲得合格的鑄件。

圖3 典型結(jié)構(gòu)件

2 蠟?zāi)Ｗ冃慰刂?/h3>

如何有效地控制蠟?zāi)５淖冃?，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)成形系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)是：在一封閉成形室中裝有兩個活塞筒，一個用于供粉，另一個用于成形。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，成形活塞下移一定距離，這個距離與設(shè)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(shè)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(fù)，一個三維實體就制造出來了(圖4)。

圖4 激光快速成形件

選區(qū)激光燒結(jié)成形與其他許多快速成形方法不同，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)、槽 中 套 槽(Notches with notches)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，對零件的支撐作用就越顯著，可以更好地防止零件(蠟?zāi)?變形；但加熱溫度越高，未燒結(jié)粉末越板結(jié)，蠟?zāi)Ｇ謇砭驮嚼щy；因此，需要采取多種措施來防止蠟?zāi)５淖冃巍?/p>

以下是幾個典型零件的示例。

(1)支座。

支座類零件(圖5)壁厚差別大，按0.2mm一層切片，激光22.5W。燒結(jié)制造的蠟?zāi)１”诤秃癖诮唤犹幯貓A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)生原因是該處壁厚差別大，有熱節(jié)，粉末燒結(jié)收縮不勻。因此，對蠟?zāi)５娜S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，處理后零件如圖6所示。

圖5 支座類零件

圖6 增加加強筋后的支座

可以看出鏤空后的三維原型壁厚4mm,均勻。然后使用原燒結(jié)參數(shù)對該模型進行切片、激光選區(qū)燒結(jié)，獲得的蠟?zāi)o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?zāi)５慕孛娣e，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?zāi)?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?zāi)ｇU空后還能縮短浸蠟時間。綜上所述，該零件蠟?zāi)ｇU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?zāi)Ｖ亓康臏p輕可降低后續(xù)工作的勞動強度。

(2)盒子。

盒子類零件(圖7)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(shè)備成形缸的尺寸，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?zāi)３叽缇?，采用以下方案?/p>

如圖7所示，將該零件分成兩部分，保證其主要結(jié)構(gòu)尺寸，切除后零件尺寸滿足設(shè)備生產(chǎn)要求，然后對兩部分進行組合。設(shè)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 盒子類零件

(3)多通零件。

多通零件(圖8)法蘭角度要求很高，通過加筋不能防止變形，最后采用反變形法，將兩法蘭的角度人為增加，蠟?zāi)＜庸ね旰?，測量角度剛好在公差范圍內(nèi)，同時在懸空的法蘭和彎管處增加支撐薄片，防止變形。此外如果是大型件，快速成形機將不能對鑄件進行整體燒結(jié)，需把鑄件分為多個塊，單獨燒結(jié)，將各分體蠟?zāi)０凑w蠟?zāi)Ｏ鄳?yīng)結(jié)構(gòu)進行拼接，中間黏結(jié)物使用粘結(jié)蠟。

圖8中沿徑向黃色部分，并在相鄰接觸縫隙間垂直于接縫方向每隔20～30mm的距離用小刀開出小槽填充上粘結(jié)蠟以加強兩塊分體蠟?zāi)ｉg的黏結(jié)強度。將各個分體蠟?zāi)Ｒ来伟凑绽碚撃Ｐ推唇油瓿珊髮Ω鳁l接縫進行處理，保證表面光潔平整。整體黏結(jié)修整完畢后使用薄片狀繩索將蠟?zāi)Ｍ猸h(huán)上下安裝邊各纏繞3～5圈并勒緊蠟?zāi)５撞浚缓笥孟鄳?yīng)厚度小蠟塊黏結(jié)在懸空的安裝邊上以避免蠟?zāi)Ｒ驊铱辗胖枚a(chǎn)生變形影響最終尺寸，纏繞繩索在整體蠟件組合完畢后去除。

圖8 多通類零件

以上是幾種典型的變形現(xiàn)象，加以歸納總結(jié)，可以運用于其他零件，減少失誤，增大模型燒結(jié)的一次成功率。

3 蠟?zāi)１砻尜|(zhì)量控制

快速成形機制出蠟?zāi)Ｔ秃?，首先要把附在原型上未燒結(jié)的粉末清理干凈，然后浸潤，把蠟?zāi)Ｔ头湃?5℃～70℃的蠟液中浸潤，待無氣泡溢出后，再把蠟?zāi)Ｈ〕鲮o置，使多余的蠟析出。待蠟?zāi)＠鋮s至室溫，再進行精整處理后就能得到表面光滑的蠟?zāi)！?/p>

快速成形蠟?zāi)Ｅc精鑄工藝結(jié)合

對精鑄工藝而言，蠟?zāi)Ｓ糜诤罄m(xù)工序的有蠟?zāi)＝M合、涂料、脫蠟。激光快速成形蠟?zāi)Ｒ獫M足精鑄工藝生產(chǎn)，就必須在以下3方面達(dá)到其使用要求。

1 蠟?zāi)＝M合

激光成形蠟?zāi)Ｐ枰垂に囈筮M行澆冒口組合。根據(jù)試驗，使用車間現(xiàn)有的中溫蠟料即可對激光成形蠟?zāi)＿M行修補、組合、粘接，兩者的結(jié)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，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。

2 模組涂料制殼

經(jīng)過試驗，快速成形蠟?zāi)５耐繏煨院芎?，完全可以利用原有工藝進行涂料配制，模組涂掛制殼，面層為硅溶膠和鋯英粉，加強層為硅酸乙酯和煤矸石涂料。

3 模殼脫蠟、焙燒、澆注、鑄件清理

模殼脫蠟、焙燒、澆注、鑄件清理和原精鑄工序相同。

結(jié)束語

目前該技術(shù)已成功應(yīng)用于多種型號航空產(chǎn)品的研制中。快速自動成形技術(shù)與鑄造車間現(xiàn)有的精密鑄造工藝相結(jié)合，使鑄造車間有能力快速生產(chǎn)各類大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜熔模精密鑄件所用蠟?zāi)?，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，縮短生產(chǎn)周期約60%，使新產(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(wù)的順利完成打下了良好的基礎(chǔ)。

[1] 孟寶全，趙淑玉. 快速自動成形技術(shù)的原理及其發(fā)展趨勢.裝備制造技術(shù)，2008(4)：114-138.

[2] 薛曠華. RP技術(shù)在熔模鑄造中的應(yīng)用研究[D].無錫：江南大學(xué)，2007.

[3] 韓大平，顧欣，潘波濤，等. 基于快速成形技術(shù)的機匣蓋的快速鑄造.鑄造，2013，62(7)： 658-665.