金属模具的无模化铸型快速制造技术

摘 要：快速制造技术在金属模具的无模化铸型方面得到了广泛的应用，添加黏结剂的金属模具铸型无模化制造和选择性激光烧结金属模具铸型无模化制造是进行金属模具的无模化铸型的两项重要工艺，另外，基于去除加工的金属模具无模化制造技术也是一种重要的方法。着重分析了无模化铸型快速制造技术，改造了传统工艺，改造后的传统工艺具有数字化、精密化、快速化、柔性化和绿色化等特点，是金属模具无模化铸型制造的未来发展方向。

关键词：快速制造技术；无模化铸型；金属模具；三维零件

中图分类号：TG249.9 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.127

随着各个行业的蓬勃发展，先进制造业也崭露头角，特别是快速成型制造成为先进制造快速发展的一个方向。它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分，可快速地制造出样品原型，它是近20年来制造技术领域的一次重大突破。现在，快速成型技术已经在机械、电子、汽车、航空、医疗、美术、建筑等许多领域得到应用，与传统的制造方法相比，它具有生产周期短、成本低的优势，并且可以灵活地改变设计方案，实现柔性生产，在新产品的开发中具有广阔的应用前景。

快速成型技术的基本构思是：任何三维零件都可以看作是许多等厚度的二维平面按一定的方向逐次叠加而成。首先，我们根据计算机绘制的某个产品的三维实体造型转换成另外一个软件所需要的形式，用此软件将这个三维实体模型切割成一系列的分层，或者我们直接在CAD的模型中“切割”成一系列的分层，接着我们可以看到切割所余下的轮廓，从激光源发射的激光便选择性地根据这些轮廓将沙粒或其他加工材料固化成一层层的固体粉末轮廓，与此同时，我们会将黏结剂和热熔材料通过平台喷射到激光束定位的位置，这样就完成了各截面轮廓的固化。

1 基于快速成型的金属模具无模化制造

1.1 添加黏结剂的金属模具铸型无模化制造

添加黏结剂的工艺方法主要有直接壳型铸造、3D打印工艺等。它们的主要工艺过程是首先按照CAD等的模型扫描固化轮廓，然后逐点按照轮廓的路线用黏结剂来黏结粉末材料，这样就省去了模型的制造工艺过程。具体的做法是：先将沙粒铺平，再通过喷头向沙床均匀喷洒树脂，喷洒树脂的同时还要喷洒黏结剂和催化剂，催化树脂发生化学反应，使沙粒按照轮廓路线固化堆积成模型中的形状。与传统的工艺相比，不同的地方是沙粒不是通过烧结而成，而是通过黏结剂的结合力黏结而成，因此，黏结剂的强度决定无模铸造的成功，在必要的时候，我们可以采用将黏结剂在加热炉中进行加热或烧结的方式来提高无模铸造的成功率。

1.2 选择性激光烧结金属模具铸型无模化制造

选择性激光烧结工艺，简称SLS工艺，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校于1989年研制成功。我国的高校和企业从1994年开始对其进行深入的研究，并研制成功第一台国产激光快速成型机AF1。选择性激光烧结工艺过程是采用激光进行选择性烧结，用激光作为热源，具有易于控制、方向性好等特点。由于可以利用各种粉末材料进行加工，并且加工机器在价格、使用效率等各方面具有很大的优势，因此得到了广泛的应用。此项技术因为可由CAD系统进行绘制后才导入到激光烧结成型机进行烧结，所以在满足工艺条件的状况下，可以对方案进行任意改变，实现工厂的柔性化生产，按期交货，降低成本，不仅如此，还可以制作各种复杂几何结构金属模具的无模化铸型，承受传统加工中不能承受的加工工艺环境，但由于成型机空间的限制，只能对小模具进行制作，加工的精度不如添加黏结剂的金属模具铸型无模化制造技术，所以它只适用于制作机械加工困难、几何复杂和尺寸较小的零件。

2 基于去除加工的金属模具无模化制造

在较大型的金属模具无模化铸型的加工过程中，在利用计算机构建三维实体模型后，就开始着手于砂型的构建而无需像传统工艺那样需要复杂的工艺流程才能完成对金属模具的砂型制造。机械科学研究总院先进制造技术研究中心研发了基于去除加工的金属模具无模化制造新技术。

首先，通过计算机对加工对象进行三维CAD模型的构建，输出三维CAD模型，然后根据计算机自动规划路径对其进行加工仿真，得到仿真的图像后对比仿真图像前后的差距，通过实际的加工完成仿真图像的情况，最后加工得到铸型。

基于去除原理的快速加工制造技术在机械工业中得到了广泛应用，包括零件加工、模具制造等，不仅制造速度快，而且精度高。由于在封闭环境中加工，成形过程中的废弃物，例如粉尘、废气、废渣等可以得到回收。

3 结束语

金属模具毛坯的快速制造是一种不断发展和完善的技术，轻量化、精确化、高效化和清洁化将是铸造技术的重要发展方向，随着CAD、材料、模拟和铸造等相关技术的不断完善，金属模具的快速制造技术将获得长足发展。无模铸型制造技术因无需模样、制造时间短、无起模斜度以及可制造含自由曲面（曲线）的铸型和铸型CAD/CAE/CAM一体化，是实现铸造过程中自动化、柔性化、敏捷化的重要途经，不仅适用于汽车、机床等制造业，在航空航天、国防等其他行业均可应用。该技术为企业在产品开发中快速、低成本、高质量地提供模具毛坯及单件小批量金属样件提供了技术手段，可有效地提高企业对市场的快速响应能力，增强企业获取订单的竞争能力，是解决单件、小批量复杂零件以及金属模具毛坯制造的有效手段。该技术的推广应用必将对日益增多的新产品试制开发以及单件、小批量复杂零件、模具的快速制造产生积极影响，带来巨大的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]李艳.基于SLS的金属模具快速制造基础技术实验研究[D].太原：中北大学，2007.

[2]单忠德.金属模具的无模化铸型快速制造技术[J].金属加工（热加工），2010.

[3]张海鸥.金属模具快速制造技术[J].电加工与模具，2002（2）.

〔编辑：王霞〕