铸造模具的快速制造技术

( a) LOM 原型
( b) 硅橡胶凹模
图 2 发泡模具与泡沫模样 Fig 2 T he foam m ould and it s f oam part of bar grat e
从炉蓖条产品的三维设计到模具原型, 从铸造铝 合金到制作泡沫模, 整个过程与传统方法相比 ( 采用 二维设计到木模制作并用普通砂型铸造方法再经机械 加工方法做出同样的模具及泡沫样品) 时间缩短了约 1/ 3, 铝合金模具毛坯尺寸精度达 CT 7 级以上, 型腔
本文主要介绍基于 LOM 和 SLS 的快速制造铸造 模具的方法、工艺和部分应用实例。
1 基于 LOM 的铸件快速制造
1 1 用 LOM 原型直接翻制石膏型, 浇注铝合金铸件
1 1 1 模具原型的快速制造 采用 H RP- 型 LOM 快速成形系统快速制作出
叠层纸模原型。LOM 方法具有成形速度快、成本低 等一系列优点。制作炉蓖条模具原型的时间为 8 h, 纸模原型表面经过打磨, 平整光洁, 其尺寸精度达到 ( 100 0 2) mm, 能满足 发泡模具 的要求, 制作的 模具原型实物照片见图 1。
Abstract: It will take much time and expenditure to manufacture casting moulds using traditional casting technologies, which can not meet the requirement of the today s market. For this reason, some new methods, technics and application examples of rapid manufacturing casting moulds based on the lamina-t ed object manufacturing ( LOM) and selective laser sintering ( SLS) series rapid prototyping ( RP) system developed by Huazhong University of Science and Technology ( HUST) are presented in this paper. Using these methods and technics, the time and cost of the development of new products can be reduced greatly, which has been proven by practical application. Keywords: rapid prototyping ( RP) ; laminated object manufacturing ( LOM) ; selective laser sintering
造型工艺如下: 首先将 L OM 模平放在一块铺有 塑料模的木块上, 对模具任一面 ( 工作面或随形面) 喷涂水基脱模剂, 待脱模剂挥发后在 LOM 模上光洁 成膜, 然后刷涂 自制的自硬转移涂料直 至覆盖全部 LOM 模表面, 厚度约 0 5~ 1 5 mm, 再填入水玻璃 砂造型, 吹 CO2 硬化后放置 2~ 4 h, 而后翻转砂型; 再在背面上同样进行以上步骤, 得到另一半型腔, 最 后采用专用起模装置, 实现平稳起模, 保证涂层安全 地转移到型腔 上, 获得完整 精确的铸型。将铸型在 100~ 240 的条件下烘烤 10 h 后, 即可用于浇注。
( SLS) ; investment casting, casting moulds
当今市场竞争日趋激烈, 产品更新换代加速。据 我国某摩托车公司概算, 新产品早上市一个月, 给公 司和配套厂家可各创造 5 000 万元的效益。中国加入 WT O 后, 能否对市场需求快速响应, 关系到民族制 造业的生存。作 为先进制造技术前沿的 快速成形技 术, 是解决这一问题的有力手段。如大众汽车公司采 用 RP 技术, 制造出异常复杂的齿轮箱体, 用时由 8 周缩短为 2 周; 著名的美国 Pratt & Whitney 实验室, 采用 RP 技术制造了 2 000 个铸件, 比传统方法节约 了 90% 的费用和 70% 的时间。因而研究和推广这一 技术具有极其重要的意义。
( c) 石膏型 ( 芯)
( d) 铝合金模具
图 3 LO M 原型经硅橡胶模转移制得的铝合金消失模模具
Fig 3 A n aluminum alloy mould manufact uring t hrough transform ed-coat ing
LO M prot ot ype to silicon rubber mould
Rapid Manufacturing Technology for Casting Mould
SHI Yu-sheng, WU Cheng, HUANG Na-i yu, HUANG Shu-huai ( State Key Laboratory of Plastic Forming Simulat ion and Die & Mould Technology, School of Material Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China)
FOUNDRY
图 5 是涡轮壳产品的三维造型图, 分别将凸模和 凹模 的 三维 造 型 转 变 成 ST L 文 件, 在 H RP- 型 LOM 机上制造原型 ( 见图 6) , 其精度可达 ( 100 0 2) mm, 表面粗糙度 Ra1 6 m。
Vol 54 No 4
图 6 LOM 原型模具 Fig 6 LOM prot otype mould
九五 期间, 我国在快速成形/ 快速制模技术方 面取得了突破性的进展。譬如华中科技大学在国家自 然科学基金重点项目、 九五 重点科技攻关项目和 863 重大目标产品项目等的资助下, 进行了 RP 系 统的研究和开发, 快速制造铸造模具 ( Rapid T oo-l ing- RT ) 的研究。经过多年的研究和实践, 初步形成 了表 1 所示的工艺路线。
SLS 覆膜砂型精度: ( 200 0 30) mm
同上 同上
同上 同上
大型熔失模的翘曲变形 表面粗糙
由于石膏型透气性差, 导热性也差, 在常压下浇 注铝合金, 铸件易出现气孔、缩孔及疏松等缺陷。为 获得组织致密的铝合金模具, 采用真空辅助浇注的工 艺: 将石膏型和树脂砂型组配好后, 放入砂箱中, 在 砂箱中填满 20/ 40 目的干砂, 并在砂箱上覆盖一层塑 料薄膜。浇注时从砂箱底部抽真空, 形成负压。负压 浇注的作业: 帮助石膏型排气, 防止模具产生气孔 缺陷; 提高铝合金液在复杂型腔中的充填能力。浇 注完毕, 立即释放负压, 以增强浇冒口 对铸件的补 缩, 有助于消除铝合金组织疏松的缺陷。 1 1 3 泡沫模样的制作
mail: shiyusheng@ 263 net
铸造
史玉升等: 铸造模具 的快速制造技术
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求, 模具的随形外表面 ( 即非工作面) 对粗糙度要求 不高, 可直接在纸模原型上采用树脂砂造型。
表 1 基于 RP 的铸造模 具快速制造工艺路线
Table 1 Rapi d manufacturi ng process of casting mould based on rapid prototyping
图 1 发泡模具的纸模原型 Fig 1 The paper mould prot ot ype of t he f oam mould
1 1 2 基于模具原型的铸造工艺 炉蓖条泡沫模具的型腔浅较易起模, 可直接采用
石膏型精密铸造成型, 以满足型腔面对粗糙度的高要
基金项目: 湖北省重点科技攻关 ( 2001A107B02) 和湖北省创新群体 ( 2004ABC001) 项目资助。收稿日期: 2004-02-26 收到初稿, 2004-10-30 收到修订稿。 作者简介: 史玉升 ( 1962- ) , 男, 宁夏人, 教授, 工学博士, 主要从事快速成型/ 快速制模 设备、工艺和材 料的研究。电话: 027-87557042, E-
H RP ( LOM)
( 2) LOM 原型- 硅橡胶 模- 石膏型 ( 或陶瓷型)
( 3) LOM 原型- 转移涂 料- 树脂砂或水玻璃砂 型 ( 芯)
小批量零件精 密铸造
LOM 原型精度: ( 100 0 10) mm
小批量零件精 密铸造
LOM 原型精度: ( 100 0 1) mm
同上 同上
同上 同上
RP 方法 模具快速制造工艺路线 ( 1) LOM 原型- 石膏型 ( 陶瓷型)
适用范围 单件精密铸造
尺寸精度 LOM 原型精度: ( 100 0 1) mm
生产周期
生产成本
存在问题
与传统方法相比, 缩短制 与传统方法相比, 降低 透气性较差, 冷却速度慢,
作周期 70% 左右
成本 60% 左右
工序复杂 1
与砂型铸造相比, 石膏型铸造的铝合金模具型腔 尺寸精度高, 可不用加工, 经手工精整, 表面粗糙度 便可达到 R a3 2 m。装配好的模具中注射聚苯乙烯 泡沫珠粒, 放入蒸缸, 便可制作泡沫模样。
蒸缸成型适宜小批量的中小型泡沫模样生产, 图 2 为炉蓖条模具及其泡沫模样。
表面粗糙度达 Ra3 2 m, 铝合金模具毛坯只需稍加 打磨便可生产泡沫模样。 1 2 LOM 原型通过硅橡胶中间模再翻制石膏型, 浇
注铝合金铸件 对于某些带有深腔、起模十分困难的铸件, 一般 要通过硅橡胶中间模再翻制石膏型, 然后浇注铝合金 铸件。图 3 是采用硅橡胶中间模翻制的铁路电气化接 触金具盖板消失模铝合金模具照片, 一模两件。模具 在三维原型设计时, 将 L OM 模做成凸模原型, 然后 做出硅橡胶凹模, 再翻制出石膏型凸模, 浇注成铝合 金模具。
1 3 基于 LOM 原型和转移涂料的铸件快速制造
对于结构十分复杂的模具, 采用传统的砂型铸造 工艺, 难以保证模具质量, 而采用 NC 加工和电火花 加工, 周期长, 成本高。若采用基于 L OM 原型和转 移涂料的精确成形工艺, 则可实现复杂模具的经济快 速制造。工艺流程框图如图 4 所示。
Hale Waihona Puke Baidu
384 Apr. 2005
结 ( Selective L aser S inter ing- SLS ) 系列快速成形系统在铸造模具快速制造中的应用方 法、工艺 路线和实例。采用这些 方法和工艺路线大大缩短了新产品的开发周期, 降低了开发成本, 有必要在广大企业中大力推广应用。
关键词: 快速成形; LOM; SL S; 精密铸造; 铸造模具 中图分类号: T G241 文献标识码: A 文章编号: 1001- 4977 ( 2005) 04- 0382- 04
铸造
Vol 54 No 4
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FOUNDRY
Apr. 2005
应用技术
铸造模具的快速制造技术
史玉升, 吴 澄, 黄乃瑜, 黄树槐
( 华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室, 湖北武汉 430074)
摘要: 介绍了华中科技大学快速制 造中心生产的薄材叠层 ( Laminated Obj ect M anuf acturing-L OM ) 和 选择性激光 烧
图 4 基于 LO M 的金属零件快速制造流程图 Fig 4 Rapid manuf act uring flow chart of met al mould based on LOM
所谓转移涂料, 又称为非占位涂料, 是将涂料直 接涂覆在原型 上, 在填 上型 ( 芯) 砂, 待涂 料和型 ( 芯) 砂硬化后, 转移到砂型或砂芯表面上。由于涂 料不占用型腔的空间, 因此可以获得尺寸精确、表面 光洁的铸件 ( 可达 Ra3 2~ 6 3 m) 2 。
工艺过程繁琐 起模困难 1
( 4) LOM 原型- 铸造木模
代替传统铸造 木模
LOM 原型精度: ( 100 0 1) mm
同上
同上
成本过高
H RP S ( SL S)
( 1) SL S 熔失模 ( 2) SL S 覆膜砂型 ( 芯)
无模制作铸造 用熔失模
无模制作铸造 用砂型
SLS 熔失模精度: ( 200 0 2) mm