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摘 要：根据三维设计，用物体分层制造方法快速做出模具原型；基于模具原型，采用石膏型精密铸造制作出铝合金发泡模具。此研究可为消失模铸造快速提供中小型发泡模具及其聚苯乙烯泡沫模样。
关键词：快速原型制造 石膏型 消失模铸造
1 问题的提出
我校为某钢铁公司建成一条消失模铸造线，批量生产炉蓖条铸件获得成功。炉蓖条是烧结机输送带的一个重要配件，易损耗，需求量大。其材质为高铬耐热耐磨铸铁，其主要合金元素的质量分数为：27%～29%的Cr,1.8%～2.0%的Ni,2.0%～2.2%的C。炉蓖条内部组织要求致密，铸件不经加工直接装机使用，表面粗糙度要求达Ra50～25 μm，其两端的卡口处尺寸公差为250 mm+1 mm。由于各种烧结炉所采用的炉蓖条不同，其尺寸和结构也在不断改进之中，造成炉蓖条的发泡模具也需更新，模具的制作成了消失模铸造中的簿弱环节。
制作铝合金发泡模具的传统方法是：根据二维模具图纸，做出木模，再用普通砂型铸造模具毛坯，最后靠机械加工完成模具装配。传统的制模工艺有两个弊病：①人工难以做出薄壳随形的木模(消失模铸造发泡模具的结构特点为10～12 mm厚的薄壳随形)，而且制作周期较长；②用普通砂型铸造模具毛坯精度低，型腔尺寸误差大，修改模具费时费工。
针对上述问题，本研究采用快速造型技术，用物体分层制造方法，直接根据模具的三维造型制作出模具原型，然后将原型作木模，采用石膏型精铸工艺翻制出铝合金模具毛坯。本文结合快速制作炉蓖条发泡沫模具的实践，对其工艺过程进行论述。
2 发泡模具的三维设计与快速原型制造
2.1 模具的三维设计
根据产品的二维图，使用EDS公司的Unigraphics三维软件(简称UG)，先进行泡沫模样的三维设计，在此基础上，进行分型，确定模具结构，完成发泡模具的三维造型设计。然后将模具的三维CAD实体转化成快速原型制造系统所能接受的数据模型(STL文件格式)，再利用切片文件(在Z方向用一系列平行于XY平面、且有一定间距的平面来切割实体模型)来生成一层一层的截面轮廓信息以便于进行分层制造。图1a为炉蓖条泡沫模样的三维造型。根据模样的三维造型，将炉蓖条发泡模具设计为对开结构，一模两件。模块的外观尺寸为340 mm×240 mm×25 mm，其外型随内腔均匀变化，薄壳随形，壁厚为11 mm 。炉蓖条发泡模具的三维造型见图1b。 （图片）（图片）
a.炉蓖条模样b.炉蓖条发泡模具
图1 泡沫模样和发泡模具的三维造型 2.2 模具原型的快速制造
快速原型制造(Rapid Prototyping)是综合CAD/CAM的激光的全新制造技术。我校快速制造中心开发出RP技术中的物体分层制造技术(LOM方法)。其原理是利用模具的三维造型获得的STL文件，用激光光束对背面涂有热熔胶的薄纸材料进行切割，形成模具某层面的轮廓，通过加热辊逐层粘结，快速制作出叠层纸模原型。
LOM方法具有成型速度快、成本低、生产率高等一系列优点，如制做炉蓖条模具原型的时间仅为8 h，纸模原型表面经打磨，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(由于快速成型机的工作台面尺寸以及纸宽的限制，目前LOM方法仅适用于中小件的模具原型制作)。制作的模具原型实物照片见图2。（图片）
图2 发泡模具的纸模原型 3 基于模具原型的铸造工艺
炉蓖条泡沫模具的型腔面较易取模，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求(Ra6.3～3.2 μm)，而模具的随形外表面(非工作面)对粗糙度要求不高，可直接在纸模原型上用树脂砂造型。
3.1 石膏型的制作
石膏型的尺寸精度高，表面平整，适宜铸造复杂薄壁的铝合金发泡模具，石膏型在浇注前必须烘干焙烧，以除去型中水分。其烘干焙烧工艺为400 ℃下保温2～4 h，然后随炉升温至700 ℃左右，保温2 h，随炉冷却到80 ℃。
石膏型的制作工艺中，关键在于石膏型的配比。经试验对比，采用表1所示的配比。该配比制作的石膏型烘干焙烧后，不易开裂，强度较高。表1 石膏型配比
| 材料 | 石英粉(280#) | 铝矾土(320#) | α半水石膏 | 耐火水泥 | 玻璃纤维 | 硅溶胶 | | wB/% | 30 | 30 | 34 | 5 | 少量 | 少量 |
3.2 铝合金模具的浇注
由于石膏型透气性差，导热性也差，若常压下浇注铝合金，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(见图3所示)，将石膏型和树脂砂型组配好后，放进砂箱中，在砂箱中填满20/40#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。负压浇注的作用：① 帮助石膏型排气，防止模具产生气孔缺陷；② 提高铝合金液在复杂型腔中的充填能力。浇注完毕，立即解除负压，以增强浇冒系统对铸件的补缩，有助于消除铝合金的组织疏松缺陷。（图片）
图3 负压辅助浇注装置示意图
Fig.3 Schematic of auxiliary pouring apparatus with vacuum
1.浇口杯 2.密封膜 3.干砂型 4.树脂砂型 5.石膏型 6.负压箱 4 泡沫模样的制作
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Ra6.3 μm。往装配好的模具中注射聚苯乙烯泡沫珠粒，放入蒸缸，便可制做泡沫模样。
蒸缸成型适宜小批量的中小型泡沫模样生产，尤其适宜快速制作泡沫样品。普通蒸缸成型设备简陋，成型需人工控制，从蒸缸中取出模具后，还要放入冷却水槽中进行冷却。因此用蒸缸成型的泡沫模样含水量高，在干燥过程中，容易变形。针对此问题，我们对普通蒸缸进行了改造，使其能自动实现“模具预热、加热保压、雨淋冷却和真空脱水”等工序，制作的泡沫模样，含水量低，表面光滑，尺寸稳定。图4为炉蓖条模具及其泡沫模样。（图片）
图4 发泡模具与泡沫模样 5 结论
从炉蓖条产品的三维设计到模具原型，从铸造铝合金模具到制作泡沫模，整个过程约需20天。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做出同样的模具及泡沫样品约需30天)，整个制作过程的时间缩短了约1/3，铝合金模具毛坯的尺寸精度达到CT7级以上，型腔表面粗糙度达Ra12.5～6.3 μm，铝合金模具毛坯只需稍加打磨便可用于生产泡沫模样。该研究为消失模铸造快速制造中小型发泡模具提供了一种新的工艺路线。
*国家自然科学基金项目：金属模具快速造型技术基础研究(59635040)
作者简介：叶升平，男，1957年出生，教授，华中理工大学材料学院，武汉(430074)
作者单位：华中理工大学
2/23/2005
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