金属铸锻焊技术Casting·Forging·Welding2009年2月
快速铸造和快速精密铸造技术的研究与发展
张敏华
（西安航空职业技术学院，陕西西安710089）
摘
要：介绍了快速原形技术和铸造技术相结合的快速铸造技术及其国内外的现状和发展趋势。利用快速原
型技术可直接或间接制造铸造用消失模、铸造模样、模板、铸型、型芯或型壳等，也可制作精密铸造的熔模、精密铸造用模具或其他工艺装备以及直接制造精铸型壳。利用快速原形原理,在型砂或陶瓷粉末上喷射粘接剂和催化剂，固化后即得一定厚度的铸型,在铸型的内表面涂敷或浸渍涂料即可用于浇铸金属件。快速铸造技术能提高生产效率,适合各种复杂零件的单件小批量生产,具有广阔的应用前景。
关键词：快速成型；快速铸造；快速精密铸造；型壳中图分类号：TG249
文献标识码：A
文章编号：1001-3814(2009)03-0036-04
ResearchandDevelopmentofRapidCastingandRapidPrecisionCasting
ZHANMinhua
(Xi'anAeronauticalPolytechnicInstitute,Xi'an710089,China)
Abstract：Therapidcastingprocesswhichisanintegrationbetweenrapidprototypingandthecastingprocessisintroduced,itsstatusandtendencyinChinaandbroadisalsointroduced.Thelostfoamincasting,castingdie,patternplate,castingmould,castingcoresandmouldshellsaremadedirectlyorindirectlybyrapidprototypingtechnology,thewaxpattern,dieandothertechnologyequipmentandmouldingshellforprecisioncastingarealsomadebyrapidprototypingtechnology.Bytheprincipleofrapidprototyping,thebinderandcatalystissprayedonmouldingsandsorceramicspowders,thecastingmouldisobtainedaftersolidifying,thenwhichisusedtopourliquidmetalafterapplicationofcoating.Therapidcastingprocesscouldbeusedtoimprovecastingproductivityandmanufacturecomplicatedcastings.
Keywords：rapidprototyping;rapidcasting;rapidprecisioncasting;mouldingshell
20世纪80年代末期发展起来的快速成形技
术是先进制造技术的重要组成部分，是制造技术领域的重大突破，其最大特点就在于其制造的高柔性，即无需任何专用工具，由零件的CAD模型，直接驱动设备完成零件或零件原型的成形制造；只需改变零件的CAD模型，就能很方便地获得相应的零件或原型。目前以立体光刻技术（又称液态光敏树脂选择性固化、光固化造型）（SLA）、分层实体制造技术（LOM）、选择性激光烧结技术（SLS）、熔融沉积技术（FDM）、三维印刷技术（3DP）、热塑性材料选择性喷洒（Ink-jet）等工艺方法为主。SLA工艺是其中最成熟、应用最广、精度最高的一种方法[1-5]。快速原型取代铸造的木模或蜡模与铸造结合的应用领域日趋广泛，对于
收稿日期：2008-08-12
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50235020）
作者简介：张敏华（1973-），男，陕西岐山人，讲师，硕士，主要从事
钛合金快速精密铸造工艺与设备方面的研究；电话：029-86852335；E-mail：zhangminhua-09@163.com
提高单件或小批量铸造的生产效率有重要作用，这种结合必将推动铸造业乃至整个机械行业的一次重大变革[5]。
1快速铸造与快速精密铸造技术
铸造是最重要的制造技术之一，在零件的复
杂性和材料适应性方面具有无可比拟的优势，但其柔性较差，铸型的制造往往需要一个较长的周期，铸造工艺装备较多，成本较高，铸件的结构和尺寸的改变将会直接影响铸型(还包括铸模)的设计、制造、装配等较长和较复杂的工艺过程。
快速成型技术与传统铸造技术相结合，形成了快速铸造技术。其基本原理是利用快速成型技术直接或间接制造铸造用消失模、聚苯乙烯消失模凹模、模样、模板、铸型、型芯或型壳等，然后结合传统铸造工艺，快捷地制造金属零件。快速成型技术为实现铸造的短周期、多品种、低费用、高精度提供了一条捷径。
快速成型技术与铸造工艺的结合使得快速成
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上半月出版
型技术与铸造技术两者的优点均得到最充分的发挥。快速成型技术制造速度快、成本低，可制造复杂零件，并可预先消除缺陷；而铸造则几乎可成型任何一种金属，且不受形状、大小的限制，成本低廉，但从设计到做模样、模型到铸造周期较长。而它们两者的结合正可扬长避短，使冗长的设计、修改、再设计到制模这一过程大大简化和缩短。砂型铸造、金属型铸造、压力铸造、石膏型铸造、熔模铸造和消失模铸造均可与快速成型技术结合，快速成型为它们提供合格的模样、熔模、陶瓷型甚至压型、金属型模具。快速成型技术还可为砂型铸造、消失模铸造、石膏型铸造提供模样。
快速成型技术与精密铸造工艺相结合则形成快速精密铸造技术，其工艺过程是用快速成型技术制得的原型（如SLA法的光固化树脂原型）代替熔模铸造中的蜡模，在其上涂挂耐火型壳，高温焙烧使树脂原形燃烧去除，最后造型浇注，从而实现缩短生产周期（只需几小时）和降低成本的目的[6]。这尤在新产品试制，少量多品种，具有自由曲面的中小型铸件生产方面有广阔的应用前景。
到限制。
Casting·Forging·Welding金属铸锻焊技术
（2）制作精密铸造用模具或其他工艺装备用快速成型方法制作精铸压型有两种方法：一种是先制成母模，再翻制环氧树脂或硅橡胶压型；另一种是将CAD系统中生成的压型三维几何模型直接输入快速成型机制成树脂压型，这种压型主要适合小批量生产（几十件）[8]。如果在母模表面喷涂约2mm厚的金属层，然后充填环氧树脂制成金属-环氧树脂复合压型，可以满足生产数百件精铸件的要求。
美国Sundstrand公司用快速原型件作为精密铸造的压型（母模），进行了大量的熔模精密铸造，取得了显著的效益。采用快速原型技术后，节约工时4370%，节省成本64%～94%[9]。
美国3D公司的Keltool方法是典型的金属粉浇注烧结法,其工艺路线是:由SL方法生成快速原型→硅橡胶翻模得到模具的负型→填充金属粉末及粘结剂→高温炉内烧结、渗铜→得到最终模具。美国Drexel大学、宾夕法尼亚大学、日本东京大学等也在进行这方面的研究工作。宾夕法尼亚大学的研究已将收缩率控制在0.4%，抛光后表面粗糙度为0.2μm，模具寿命达10万注塑件。东京大学的HiroyukiNoguchi和TakeoNakagawa研究了使用粉末铸造成形高尔夫球模具，其过程为：首先使用SL法成形出高尔夫球模具原型，然后在原型上用硅橡胶浇注出高尔夫球原型，将此原型置于真空室中，将粒度不同的两种纯铁粉（颗粒直径为66和5μm，体积分数分别为61%和39%）充分混合后覆盖于硅橡胶原型上，震动使铁粉变得致密，抽真空，在铁粉上加入粘结剂（体积分数为
2快速铸造和快速精密铸造的应用
2.1快速成型技术在熔模精密铸造中的应用
20世纪90年代起，美国、日本以及西欧等国
家就开始研究利用快速原型进行快速精密铸造，目前这种趋势有增无减。总体而言，快速成型技术在熔模精密铸造中主要有以下几个方面的应用。
（1）制作精密铸造的熔模几乎所有快速成型技术制作的原型都可以作为熔模铸造的熔模。采用快速成型技术制造零件原型，代替蜡模进行精密铸造，原则上可以制造任意合金的零件。采用这种方法不需要特殊的模具和工装，可大大降低单件制造周期和成本。总体来讲，尽管SL法与熔模铸造工艺还有一些不适应之处，但由于制成的模样尺寸精度和表面质量好而备受青睐，在国外，特别是在航天航空和军工部门的熔模铸造中，应用相当广泛[7]。SLS法模样质量虽然较SL法略逊一筹，但容易适应熔模铸造的工艺要求，所以在国内外熔模铸造中应用越来越多。FDM法制作的原型尽管最容易适应熔模铸造，但在制成蜡模的尺寸精度和表面质量上不如人意。虽然LOM法模样质量尚可，但又难以适应铸造工艺，在推广中受《热加工工艺》2009年第38卷第3期
45%的水溶性苯酚ChemRez630HSL，10%的硬化
剂ChemRez6016，45%的水），铁粉粘结后进行后处理，先渗氮，然后在1130℃渗铜。在铁粉粘结过程中，模具体积缩小为1.7%，但在渗铜过程中，模具体积增大为1.3%，所以总收缩率为0.4%[10]。
（3）直接制造精铸型壳可以利用激光固化成型技术直接成形型壳，其基本工艺是将型壳材料粉末按一定的比例加入到光固化树脂中，然后根据型壳的CAD模型在光固化成型机上成形型壳坯体，最后焙烧，将其中的树脂去除，粉末烧结成形后得到最终的型壳[11]。其优点就是可以不用制作熔模，直接成形制作所需的型壳，而且型壳和型
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金属铸锻焊技术Casting·Forging·Welding
芯可以一次同时成形，节省了时间，减小了装配误差。
美国3D-System公司发明的快速精铸技术
2009年2月
粉末或包覆粘接剂的陶瓷粉末或覆膜砂作为成形材料,按照铸型CAD模型(包括浇注系统等工艺信息)的轮廓信息精确控制激光束对造型材料粉末层进行扫描,直接烧结成铸造用壳型，或使包覆在陶瓷粉末或覆膜砂表面的粘结剂熔化粘结,逐步堆积可得到铸型的型壳,清理出型腔内未烧结的松散粉末,就可用于浇注金属零件。铸型和砂芯可分别制造，再装配成完整铸型,也可一体化制造,减少下芯装配带来的误差。此方法适于中小型复杂铸件。当SLS粉未材料为石腊、塑料等时，制出的SLS原型用于制造金属零件的方法与基于
QuickCast是在以SL工艺制成的原型表面上包
裹耐火材料，直接焙烧使原型材料烧蚀气化后得到铸壳，用于金属零件的烧注成型。该技术的关键是采用了燃烧充分且发气量小的光固树脂材料
(SL5170或SL5180)，同时原型壳体内部呈蜂窝状
结构，这种原型有足够的强度，原型材料烧蚀时，不会胀裂型壳。目前QuickCast系统已由之前的
1.0、1.1发展到了QuickCast2.0[12]。
这种方法不受零件形状的限制，铸件表面光洁，尺寸精度高，成本低，周期短，适合单件或小批量生产，但对于结构复杂且小尺度零件，网状中空的结构不易实现，并且由于需要专用结构软件，使得成本较高，但周期较短。
SLA原型生产零件的方法相同。
(4)基于FDM原型生产金属零件[5，18]采用石
蜡和塑料等低熔点材料的FDM原型，以FDM原型代替熔模精密铸造中的蜡模。用此蜡模制造金属零件的方法与用SLA原型生产金属零件的方法相同。此方法适用于中等复杂程度的中小型铸件。
SLS法和3DP法等也有类似的工艺，可直接
生产精铸型壳。
2.2利用快速成型技术实现快速精密铸造的具
体方法
目前用快速成型技术实现快速精密铸造的具体方法有以下几种。
(5)基于3DP工艺的壳型直接快速制造工
艺[5，9、18-20]美国麻省理工学院根据3DP原理开发了直接壳型铸造技术(DSPC-DirectShellProduction
Casting)。这一技术随后授权于SoligenInc公司用
于金属铸造生产。DSPC工艺首先利用CAD软件定义所需的型腔，通过加入铸造圆角、补贴等铸造工艺信息，对模型进行检验和修饰，然后根据铸造工艺所需的型腔个数生成多型腔的铸型，等待浇铸。其工艺过程如下：首先在成型机工作台上覆盖一层陶瓷粉末（氧化铝粉），然后将微细的硅溶胶沿着工件的外轮廓喷射在这层粉末上；硅溶胶将氧化铝粉末固化在当前层上，并为下一层的氧化铝粉末提供粘着层；每一层固化完成后，工作台就下降一个层的高度，使下一层的氧化铝粉末继续复覆和粘固；未粘固在模型上的粉末就堆积在模型的周围和空腔里，起着支撑的作用；整个模型完成后，型腔内所填充的、未粘固的松散粉末必须去除。由于陶瓷粉末颗粒尺寸在75～150μm之间,所以采用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。
(1)基于SLA原型快速制造零件[2，13-15]用SLA
原型模代替熔模精密铸造中的蜡模，在SLA模上直接涂挂耐火浆料(多层)，待耐火浆料固化后，再焙烧除去SLA模，得到耐火材料壳层作为铸造型壳，浇注液态金属从而得到金属件(其工艺与熔模铸造工艺相同)。此方法适合于中等复杂程度的中小型铸件。
(2)基于LOM原型快速制造零件[16]将LOM
原型制成所需零件的凹模，经硅橡胶模过渡转换制得石膏型或陶瓷型，再由石膏型或陶瓷型浇注金属零件。当零件具有一定的拨模斜度或LOM原型模表面经过特殊处理后，可将LOM原型制成零件原型代替木模使用，直接制造石膏型或陶瓷型。此方法适于简单或中等复杂程度的金属模具、中大型金属件。当LOM原型模的材料为金属箔时，可用LOM原型生产实型铸造用聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）气化模。此法可直接制造聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）模具，批量生产EPS气化模和金属铸件。
(3)基于SLS原型生产金属零件[17]采用陶瓷38
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上半月出版Casting·Forging·Welding金属铸锻焊技术
(6)无模型铸型快速制造工艺[21-23]无模铸型快
速制造工艺(PCM-PatternlessCastingModeling)是将RP（快速原型制造）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。首先从零件CAD模型得到铸型CAD模型,由铸型CAD数据得到分层截面轮廓数据,再以层面信息产生控制信息。在计算机的控制下,分别喷射树脂和固化剂的两个喷头在每一层铺好压实的型砂上分别精确地喷射粘接剂和催化剂。粘结剂与催化剂发生胶联反应,粘接剂和催化剂共同作用的地方型砂被固化在一起,其他地方型砂仍为颗粒态干砂。固化完一层后再粘接下一层,所有的层粘接完之后就可以得到一个三维实体,原砂在粘接剂没有喷射的地方仍是干砂,比较容易清除。清理出中间未固化的干砂就可以得到一个有一定壁厚的铸型,在砂型的内表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇铸金属。
该工艺实现了CAD模型直接驱动下的铸型一体化制造,型芯同时成形,可方便地制造含自由曲面的铸型和组合零件等，突破了传统工艺的许多约束,具有较高的柔性,尤其适合于制造单件小批量的大中型铸件。
与PCM（无模铸型制造技术）工艺相似，
4结束语
(1)快速成形技术与铸造工艺相结合,可缩短
生产周期，降低成本。在新产品试制，少量多品种，具有复杂自由曲面的中小型铸件生产等方面具有明显优势。
(2)利用快速成型技术制造铸造用消失模、消
失模凹模、铸造模样、模板、铸型、型芯或型壳等，也可制作精密铸造的熔模、制作精密铸造用模具或其他工艺装备以及直接制造精铸型壳。
(3)将快速成形原理引进到铸造造型工艺中，
在计算机的控制下，在压实的型砂或陶瓷粉末上分别精确地喷射粘接剂和催化剂，被固化后而得到一个有一定壁厚的铸型，形成快速铸造工艺。参考文献:
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金属铸锻焊技术Casting·Forging·Welding
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Fig.13Stressdistributionincasting(thebestproject)
图13铸件中的应力(最佳方案)
力较小，但靠近位置P处也存在一个应力较大的部位，所以铸件在服役过程中，其底部及位置P的内侧为危险部位。
5结论
（1）通过对低压铸造E-80缸体铝合金铸件铸
造工艺的模拟，直观并准确的反应了铸件充型和凝固过程。依据原始方案模拟分析结果进行工艺改进，通过在模具相应部位嵌入传热系数较大的铜块以及改变加强筋的位置，使铸件在整体上形成了有利于补缩的凝固顺序，并且有效地对最后凝固区域进行了补缩，最终消除了关键部位的缩孔缺陷。
（2）最佳方案中，铸件出现最大应力的部位位于铸件底部及位置P的内侧；最大应力值为115
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