铸造工艺设计论文

随意推荐两篇，谨供参考1、国内外铸造生产线设计生产中的问题及解决办法 一．概述 随着国民经济的不断发展，近年来对铸件的要求越来越高，特别是汽车发动机缸体、缸盖类铸件，不仅要求材质好，而且还要求尺寸精度高、表面光法、重量轻。为此，作为影响铸件质量的关键工部件造型工部，纷纷采用新的工艺和设备，以满足铸件质量和产量的要求。据不完全统计，我国引进的高压造型线、气冲造型线、静压造型线已有60条左右；国内自己设计制造的高压造型线、气冲造型线已有70余条。 从使用情况来看，这些造型线确实为我国的铸件产量和质量的提高起了很重要的作用，但与我们的希望来比，还很不够。进口线的实际生产率一般在设计能力的5080%，国产线现在使用的估计只占50%，而在这50%中，开动率也较低，出现以上现象的原因是多方面的，归纳起来大概有以下几方面。 二．存在问题 1．设计存在的问题 由于造型线设备复杂，动作多，逻辑性强，因此，设计中就难免有考虑不周的地方，特别是造型线设计的初期，问题更多，比如：材质选用不合理，元件选用不当，逻辑关系不强等。这就决定了我国早期的高压线多数运行状况不太理想。比如：某大厂在70年代初期设计了一条高压造型线，制造安装后一直没有使用，其主要原因是：设计时许多辅机上的垂直液压缸原始位置设在中间位置，由于国产液压阀的泄漏，致使许多辅机不能处在原始位置；运行部件没有考虑制造的误差及液压泄漏，经常相碰，该联锁的电器上也没有联锁，放了这么多年，给工厂带来了很大的经济损失，听说最近要拆掉。国内如此，国外的造型线也同样存在设计上的不足，比如某厂引进一条高压造型线，由于设计时没有考虑砂箱走边的检测及清扫，以至砂箱的进翻箱机时经常卡死，甚至把翻箱机顶坏。还有一家厂引进的静压造型线在设计时工艺性考虑的不周，使上箱在下箱上边翻箱，从而导致造好的下箱内腔掉进砂子，造成铸件缺陷。 2．设备可靠性差 影响设计可靠性的因素主要有设计、制造、安装、生产管理、维修等。 设计中零件选用不当，材质选用不合理，是影响可靠性的重要原因之一，过去着重强调了国产化和降低成本，因此，元器件全为国产件。但由于国产无器件质量不过关，严重影响了造型线的开动率。比如：由于机械传动的误差，会导致转运车上的轨道与冷却道轨道对不准，致使输送器小车和砂箱脱轨，造成较长时间的停车；同样规格的密封件，国产的只能用3～6个月，而进口的能用12年；同样的管接头，国产的就漏油，进口的就不漏油，仅此一项，某一条造型线严惩时每年将漏油200多吨，价值100多万元；由于接近开关发讯不准，也常导致误动作造成停车；液压阀及气动阀的泄漏和精度不高，也是影响造型线开动率的主要因素。比如某厂造型机的控制不仅有电器联锁，而且有气动联锁，气动控制管路的管子是Φ8×1的，连接的管接头较多，由于管接头及气阀的漏气，常使控制气路压力降低，不能使气阀动作，为此，不得不冒险将部分联锁取消。 制造质量的好坏，也将影响造型线的开动率，包括内在质量和尺寸精度。比如：由于加工精度达不到要求，造成设备移动部分和固定部分相碰，定位不准等故障；由于元件的材质或热处理达不到要求，将影响设备的使用寿命和可靠性；由于液压系统的清理不干净，导致油液污染，使阀卡死的现象也经常出现。我到过一个现场，两台主机的工作台同样是球铁的，一台球化好了，用了几年就没问题，而另一台，没有多久就坏了，断面象马蜂窝似的。再如，某厂引进的气冲线96年投产以来，主机工作台油缸已更换了三次，第一次没过保质期就坏了，结果索赔了一台，此后，每两三年更换一次。另外，电线接头长时间使用后引起松动，也导致坏电路二三次。安装不按规范，偷工减料，也是造成可靠性差的重要原因之一。比如：安装时对管子不按规范进行清洗，该氩弧焊的用普通焊代替，造成管子里边有焊渣；该装管夹的地方不装或少装，造成管子震动，管接头松动，时间一长开始漏油；该用RVV软线的地方，用KVV代替，宜造成断路；该用螺栓固定的地方一焊了之，等等。 3．维修困难 由于设计人员现场经验不足，设计出来的设备往往只注意功能性，而没有注意维修容易，比如有些易损件或耐磨件，在制造厂装配时依次可以装上，但如果使用过程中磨损了，需要更换，则必须大卸八块，才能换上。这样，既费时，又影响了整个设备的精度。再如，过去将滤网放在泵的吸油口，并埋在油箱内，由于油的污染，经常要对滤网进行清理，但清理一次滤网必须先把油抽干净，而不是将滤网放在回油管上，清洗更换都方便。在阀箱里或多管平行的地方，安装管夹时，没有留出足够的维修空间，一旦一根管子漏油，必须选把别的管子拆掉，才能拧紧，形象地说，就跟栽葱的一样。制造过程中不注意质量，零件严重超差，也是造成维修困难的一个重要原因。比如一个零件与另一个零件为过度配合，由于加工超差，装配时变成了过盈配合，一旦零件出了问题需更换时，就很难取出。还有，经常拆装的缸端管接头，不用球铰接头，而用端直角接头，从而给维修带来困难。安装时只顾管子、电线走向，而忽略维修的可能性的情况也是常有的，比如，有些设备距地沟壁有一定的距离，本来是作为维修空间用的，但安装时不注意，觉得走管子或电缆桥架挺方便的，就装上了，但使用维修时就叫苦了。 4．生产任务不足，成本较高 在市场经济的今天，铸件成本的高低显得越来越重要了。近几年来，由于乡镇和民营铸造企业的蓬勃发展以及城市的环境保护要求，再加上乡镇和民营铸造企业的成本较低，企业经营灵活，这些企业的铸件在市场上的份额越来越大，从而导致一些具有造型线的大中型企业生产能力不足。例如：现在许多厂爱“开三停四”，一个月上半个月的班，由原来的两班或三班改为单班，经常放长假等。造型线的运行成本较高，也是影响使用的一个因素。如果开动造型线，必须所有设备开动，包括相关工部的设备，这样，用电量较大，同时，所有人员都得到岗，再加上漏油损失，在产量少的情况下，开机将很不划算。比如：有一个厂原来产量很大，上了一条气冲造型线，后来，产量锐减，开动造型线明显不划算，再加上实行成本核算，只好将造型线封存，改为地面造型。 5．管理不善 没有通盘计划，各自为政的现象严重，致使一些企业不考虑自己的实际情况，盲目上马，但后来由于资金不足，产品不对路等原因，造成虽已有较大投入，但尚未形成生产能力而闲置着的设备数量也不少。 企业内部管理不善，主要表现为：维修人员责任不明确，没有明确的设备维修制度，备件采购和维修脱节，维修人员素质较低，工资待遇差等。经常看到这样的现象：操作工上班时维修工在休息，操作工下班了维修工也下班了，至少设备是否需要备件，是否带病工作，是束需要维修，没有人去管，只有设备实在开不动了，才去修理，而这时换上的备件往往又不合适。比如某厂造型线上的备件是由设备科来组织，线上该备什么，备多少，基本不与维修人员通气，买来的备件也不与造型线上实际使用的实物对照，因此，常常出现原来是24伏的阀，更换时变成了220伏；应该是内控内泄阀，更换时变成了内控外泄阀；加工的备件更换时才发现超差等现象，从而影响生产。 6．各工部不匹配 由于国内外铸造设备的标定生产率与实际相差很大，所以，经常导致铸造车间各工部不匹配，从而影响造型线的开动率，据不完全统计，一般造型线由于各工部不匹配而占停机时间约为30-50%左右。例如有一个厂，在车间设计时引进了一条造型线，但其它工部选用国产设备，投入使用后出现两个问题：一是其它工部设备故障率高，严重影响了造型线的开动率，使造型线处于半停产状态；二是混砂能力不够，国产混砂机的混砂能力在实际实用中只能达到名义能力的一半左右，而设计时按名义能力考虑，因此，造成这样的后果。该车间这样生产了大概三、四年，厂里下决心又对砂处理工部进行了改造，目前，使用情况良好。 三．解决问题的办法 要想将一条造型线用好，无非要作好“防”和“备”两方面的工作，“防”是防止问题的出现，“备”是防不胜防时，出现问题了要有所准备，将问题尽快解决。但要做到这两点，必须在以下方面下功夫。 1．加强学习，吸引国内外先进技术和经验，以防为主 设计人员的素质直接影响到造型线的水平，只有设计水平提高了，才有可能制造出好的造型线。为此，设计人员必须掌握国内外的先进技术和设备，并不断总结经验，逐步提高，使设计水平从“小学”提高到“大学”。近年来，我国铸造设备设计人员已充分意识到这一点，通过他们的努力，再加上生产实践、消化吸引国外先进的工艺和技术，我国铸造设备设计水平大大提高，他们不仅具有了设计出高水平造型线的能力，而且具有现场动手的能力，通过不断改进，已设计出多条布置合理，性能可靠的造型自动线。这些改进有：工艺方面：由气动微震改为高压造型，再发展为气冲造型、静压造型、触头式动力撞击造型等。使设备越来越简单，工艺性越来越好。可靠性方面：过去造型线控制用顺控器控制，设备又庞大，故障又多，维修也困难，但有了PC以后，我们马上用在造型线控制上，目前，基本上没有人说电器有问题了；过去辅机及转运车为了实现慢--快--慢的动作，用子母电机或行程阀控制，现在有了调频电机和比例阀，很容易就解决了，可靠性也得到了提高；过去动作检测发讯用行程开关，现在用接近开关或编码器；过去由于油温过高，常使密封件容易老化，产生漏油等现象，严重影响造型线的开动，针对这一原因，现在增加了液压油冷却面积，改变溢流阀型号，使无负荷时泄荷，而不是溢流，减少产生热量的原因，降低落同温；活塞式蓄能器改为囊式蓄能器，性能可靠，动作灵敏；将不可靠的国产元件改为进口元件等。维修方面：一条造型线再好也不可能一点问题没有，但出了问题很难解决，设计水平就不能说很高，为此，设计人员也下了很大功夫。便好：过去液压系统出了故障，必须先把系统卸荷，回油完了再维修，现在将阀箱带在设备上，并在进出油口各加一个截止阀，维修时阀一关就行了，十分方便；还有，经常拆装的较大零件，设计时直接设计上两个吊装孔，使维修变的十分方便。专业设计方面：过去许多大厂车间设计由自己的技术人员来完成，但由于受专业和实际经验的限制，设计完成后问题较多，特别是各工部不匹配的现象普遍存在。因此，铸造项目最好不要请非专业的技术人员来设计，要请专业的设计院所来设计，这样，就会少出错或不出错，不走弯路。 2．强化质量意识，提高产品质量 “质量就是生命”这句话我们大家都很熟悉，但在实际中对质量的认识还很不够，还应该加强，使每一个员工意识到没有质量，就没有生存。一切操作按规范进行，绝对禁止为了一点小利进行偷工减料的行为。过去经常有这样的事，图纸归图纸，加工归加工，加工的人不看图纸要求，设备做成什么就是什么，比如端直通管接头的螺纹孔，由于要靠组合垫密封，图纸上螺纹孔和端面的锪平面有垂直度要求，但机加工工人是不管的，甚至不锪平，所以，容易造成漏油。还有多个螺钉固定的设备，往往有几个螺钉孔对不上，因此，把螺钉磨成丝锥一样拧进去或不拧。当然，经过这么多年的生产实践，许多厂已意识到质量的重要性，加工手段也提高了许多，比如现在许多厂用专机或加工中心加工砂箱，过去自己制造的油缸现在也外协到专业油缸厂制造。另外，必须提高基础件的质量，过去同样级的螺钉固定液压阀，进口的就不漏油，国产的就漏油。减速机内的齿轮，要求是硬齿面，耐实际是软齿面，用不了多外就坏，等等。 3.加强管理，健全维修制度，有备无患 首先上级主管部门要根据企业的具体情况，决定是否要上造型线，把好第一关，避免上了一半而中途下马，经国家和企业造成经济损失。如果上了造型线，企业内部必须加强管理，与造型线有关人员必须责、权、利分明，谁出了问题，谁负责任，谁来解决。要有严格的管理制度，注意各工部之间的匹配，注意人材的培养和合理利用。再好的一条线，如果管理维修跟不上，也不可能用好。因此，必须重视维修人员的素质。维修人员必须对造型线非常了解，明白每一个零件的用途，平时要进行预检预修及巡检，出了故障能很快正确地判断并及时排除。我到过一个现场，维修人员没见过造型线的液压原理图，对全线的动作原理不清楚，因此，出了故障手忙脚乱，最后捣鼓一通能用为止，究竟出了什么问题，怎样解决却不清楚。因此，大大影响了开动率。象这种状况，以后必须改进。备品备件的管理对自动化流水生产线来说，显得特别重要，建议此项工作由专人管理。备件清单的提供要与造型线上的需要一致，进货后要与造型线核对，并分类保管，保管条件要符合材质的要求，定期对备件进行检查，对过期的零件清理出去，及时补充新的零件。要做到造型线使用的备品备件随时能准确无误地提供，从而，确保造型线正常运转。总之，要用好一条造型，不是一件简单的事，几十台设备、一、二百个点，每天都毫无差错地运行，不仅要从设计、制造、安装、调试、维修、备品备件等造型线本身方面来下工夫，而且要从生产管理、各工部协调匹配、正确确定工艺参数等方面下功夫。随着技术水平、制造水平，加上设计人员的设计水平和使用者管理水平的不断提高，国产造型线一定能制造好，使用好。 刘小龙 2、浅谈如何提高压铸模寿命 材料自身存在的缺陷、维修和保养的方法都是会影响压铸模的寿命的。本文从后者来介绍如果提高压铸模的寿命，并列举了压铸模常见的故障原因及排除方法。 压铸模由于生产周期长、投资大、制造精度高，故造价较高，因此希望模具有较高的使用寿命。但由于材料、机械加工等一系列内外因素的影响，导致模具过早失效而报废，造成极大的浪费。 压铸模失效形式主要有：尖角、拐角处开裂、劈裂、热裂纹(龟裂)、磨损、冲蚀等。造成压铸模失效的主要原因有：材料自身存在的缺陷、加工、使用、维修以及热处理的问题。 1、材料自身存在的缺陷 众所周知，压铸模的使用条件极为恶劣。以铝压铸模为例，铝的熔点为580-740℃，使用时，铝液温度控制在650-720℃。在不对模具预热的情况下压铸，型腔表面温度由室温直升至液温，型腔表面承受极大的拉力。开模顶件时，型腔表面承受极大的压应力。数千次的压铸后，模具表面便产生龟裂等缺陷。 由此可知，压铸使用条件属急热急冷。模具材料应选用冷热疲劳抗力、断裂韧性、热稳定性高的热作模具钢。H13(4Cr5MoV1Si)是目前应用较广泛的材料，据介绍，国外80％的型腔均采用H13，现在国内仍大量使用3Cr2W8V，但3Cr2W8VT_艺性能不好，导热性很差，线膨胀系数高，工作中产生很大热应力，导致模具产生龟裂甚至破裂，并且加热时易脱碳，降低模具抗磨损性能，因此属于淘汰钢种。马氏体时效钢适用于耐热裂而对耐磨性和耐蚀性要求不高的模具。钨钼等耐热合金仅限于热裂和腐蚀较严重的小型镶块，虽然这些合金即脆又有缺口敏感性，但其优点是有良好的导热性，对需要冷却而又不能设置水道的厚压铸件压铸模有良好的适应性。因此，在合理的热处理与生产管理下，H13仍具有满意的使用性能。 制造压铸模的材料，无论从哪一方面都应符合设计要求，保证压铸模在其正常的使用条件下达到设计使用寿命。因此，在投入生产之前，应对材料进行一系列检查，以防带缺陷材料造成模具早期报废和加工费用的浪费。常用检查手段有宏观腐蚀检查、金相检查、超声波检查。 (1) 宏观腐蚀检查。主要检查材料的多孔性、偏柝、龟裂、裂纹、非金属夹杂以及表面的锤裂、接缝。 (2) 金相检查。主要检查材料晶界上碳化物的偏析、分布状态、晶料度以及晶粒间夹杂等。 (3) 超声波检查。主要检查材料内部的缺陷和大小。 2、压铸模的加工、使用、维修和保养 模具设计手册中已详细介绍了压铸模设计中应注意的问题，但在确定压射速度时，最大速度应不超过100m/S。速度太高，促使模具腐蚀及型腔和型芯上沉积物增多；但过低易使铸件产生缺陷。因此对于镁、铝、锌相应的最低压射速度为27、18、12m/s，铸铝的最大压射速度不应超过53m/s，平均压射速度为43m/s。 在加工过程中，较厚的模板不能用叠加的方法保证其厚度。因为钢板厚1倍，弯曲变形量减少85％，叠层只能起叠加作用。厚度与单板相同的2块板弯曲变形量是单板的4倍。另外在加工冷却水道时，两面加工中应特别注意保证同心度。如果头部拐角，又不相互同心，那么在使用过程中，连接的拐角处就会开裂。冷却系统的表面应当光滑，最好不留机加工痕迹。 电火花加工在模具型腔加工中应用越来越广泛，但加工后的型腔表面留有淬硬层。这是由于加工中，模具表面自行渗碳淬火造成的。淬硬层厚度由加工时电流强度和频率决定，粗加工时较深，精加工时较浅。无论深浅，模具表面均有极大应力。若不清除淬硬层或消除应力，在使用过程中，模具表面就会产生龟裂、点蚀和开裂。消除淬硬层或去应力可用：①用油石或研磨去除淬硬层；②在不降低硬度的情况下，低于回火温度下去应力，这样可大幅度降低模腔表面应力。 模具在使用过程中应严格控制铸造工艺流程。在工艺许可范围内，尽量降低铝液的浇铸温度，压射速度，提高模具预热温度。铝压铸模的预热温度由100～130℃提高至180～200℃，模具寿命可大幅度提高。 焊接修复是模具修复中一种常用手段。在焊接前，应先掌握所焊模具钢型号，用机械加工或磨削消除表面缺陷，焊接表面必须是干净和经烘干的。所用焊条应同模具钢成分一致，也必须是干净和经烘干的。模具与焊条一起预热(H13为450℃)，待表面与心部温度一致后，在保护气下焊接修复。在焊接过程中，当温度低于260℃时，要重新加热。焊接后，当模具冷却至手可触摸，再加热至475℃，按25mm/h保温。最后于静止的空气中完全冷却，再进行型腔的修整和精加工。模具焊后进行加热回火，是焊接修复中重要的一环，即消除焊接应力以及对焊接时被加热淬火的焊层下面的薄层进行回火。 模具使用一段时间后，由于压射速度过高和长时间使用，型腔和型芯上会有沉积物。这些沉积物是由脱模剂、冷却液的杂质和少量压铸金属在高温高压下结合而成。这些沉积物相当硬，并与型芯和型腔表面粘附牢固，很难清除。在清除沉积物时，不能用喷灯加热清除，这可能导致模具表面局部热点或脱碳点的产生，从而成为热裂的发源地。应采用研磨或机械去除，但不得伤及其它型面，造成尺寸变化。 经常保养可以使模具保持良好的使用状态。新模具在试模后，无论试模合格与否，均应在模具未冷却至室温的情况下，进行去应力回火。当新模具使用到设计寿命的1/6～1/8时，即铝压铸模10000模次，镁、锌压铸模5000模次，铜压铸模800模次，应对模具型腔及模架进行450—480℃回火，并对型腔抛光和氮化，以消除内应力和型腔表面的轻微裂纹。以后每12000～15000模次进行同样保养。当模具使用50000模次后，可每25000～30000模次进行一次保养。采用上述方法，可明显减缓由于热应力导致龟裂的产生速度和时间。 在冲蚀和龟裂较严重的情况下，可对模具表面进行渗氮处理，以提高模具表面的硬度和耐磨性。但渗氮基体的硬度应在35-43HRC，低于35HRC时氮化层不能牢固与基体结合，使用一段时间后会大片脱落：高于43HRC，则易引起型腔表面凸起部位的断裂。渗氮时，渗氮层厚度不应超过，过厚会于分型面和尖锐边角处发生脱落。 3、热处理 热处理的正确与否直接关系到模具使用寿命。由于热处理过程及工艺规程不正确，引起模具变形、开裂而报废以及热处理的残余应力导致模具在使用中失效的约占模具失效比重的一半左右。 压铸模型腔均由优质合金钢制成，这些材料价格较高，再加上加工费用，成本是较高的。如果由于热处理不当或热处理质量不高，导致报废或寿命达不到设计要求，经济损失世大。因此，在热处理时应注意以下几点： (1) 锻件在未冷至室温时，进行球化退火。 (2) 粗加工后、精加工前，增设调质处理。为防止硬度过高，造成加工困难，硬度限制在25-32HRC，并于精加工前，安排去应力回火。 (3) 淬火时注意钢的临界点Ac1和AC3及保温时间，防止奥氏体粗化。回火时按20mm/h保温，回火次数一般为3次，在有渗氮时，可省略第3次回火。 (4) 热处理时应注意型腔表面的脱碳与增碳。脱碳会记过迅速引起损伤、高密度裂纹；增碳会降低冷热疲劳抗力。 (5) 氮化时，应注意氮化表面不应有油污。经清洗的表面，不允许用手直接触摸，应戴手套，以防止氮化表面沾有油污导致氮化层不匀。 (6) 两道热处理工序之间，当上一道温度降至手可触摸，即进行下道，不可冷至室温。

将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件（零件或毛坯）的工艺过程。现代机械制造工业的基础工艺。铸造生产的毛坯成本低廉，对于形状复杂、特别是具有复杂内腔的零件，更能显示出它的经济性；同时它的适应性较广，且具有较好的综合机械性能。但铸造生产所需的材料（如金属、木材、燃料、造型材料等）和设备（如冶金炉、混砂机、造型机、造芯机、落砂机、抛丸机等）较多，且会产生粉尘、有害气体和噪声而污染环境。 铸造是人类掌握较早的一种金属热加工工艺，已有约6000年的历史。公元前3200年，美索不达米亚出现铜青蛙铸件。公元前13～前10世纪之间，中国已进入青铜铸件的全盛时期，工艺上已达到相当高的水平，如商代的重875千克的司母戊方鼎、战国的曾侯乙尊盘和西汉的透光镜等都是古代铸造的代表产品。早期的铸造受陶器的影响较大，铸件大多为农业生产、宗教、生活等方面的工具或用具，艺术色彩较浓。公元前513年，中国铸出了世界上最早见于文字记载的铸铁件——晋国铸鼎（约270千克重）。公元8世纪前后，欧洲开始生产铸铁件。18世纪的工业革命后，铸件进入为大工业服务的新时期。进入20世纪，铸造的发展速度很快，先后开发出球墨铸铁，可锻铸铁，超低碳不锈钢以及铝铜、铝硅、铝镁合金，钛基、镍基合金等铸造金属材料，并发明了对灰铸铁进行孕育处理的新工艺。50年代以后，出现了湿砂高压造型，化学硬化砂造型和造芯、负压造型以及其他特种铸造、抛丸清理等新工艺。 铸造种类很多，按造型方法习惯上分为：①普通砂型铸造，包括湿砂型、干砂型和化学硬化砂型3类。②特种铸造，按造型材料又可分为以天然矿产砂石为主要造型材料的特种铸造（如熔模铸造、泥型铸造、铸造车间壳型铸造、负压铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等）和以金属为主要铸型材料的特种铸造（如金属型铸造、压力铸造、连续铸造、低压铸造、离心铸造等）两类。铸造工艺通常包括：①铸型（使液态金属成为固态铸件的容器）准备，铸型按所用材料可分为砂型、金属型、陶瓷型、泥型、石墨型等，按使用次数可分为一次性型、半永久型和永久型，铸型准备的优劣是影响铸件质量的主要因素；②铸造金属的熔化与浇注，铸造金属（铸造合金）主要有铸铁、铸钢和铸造有色合金；③铸件处理和检验，铸件处理包括清除型芯和铸件表面异物、切除浇冒口、铲磨毛刺和披缝等凸出物以及热处理、整形、防锈处理和粗加工等。

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快速成型技术及其向产品化生产发展所面临的技术问题作者：梁江波 葛正浩 厉成龙 前言 在新产品的开发过程中，总是需要在投入大量资金组织加工或装配之前对所设计的零件或整个系统加工一个简单的例子或原型。这样做主要是因为生产成本昂贵，而且模具的生产需要花费大量的时间准备，因此，在准备制造和销售一个复杂的产品系统之前，工作原型可以对产品设计进行评价、修改和功能验证。 一个产品的典型开发过程是从前一代的原型中发现错误，或从进一步研究中发现更有效和更好的设计方案，而一件原型的生产极其费时，模具的准备需要几个月，因此一个复杂的零件用传统方法加工非常困难。 快速成型(Rapid Prototyping)技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称，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。与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其它方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加。因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任何复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。 一个更为人们关注的问题是一个产品从概念到可销售成品的流程速度。众所周知，在市场竞争中，产品在竞争对手之前进入市场更为有利可图并能享有更大的市场氛围。同时，还有一个更为令人关心的问题是产品的高质量。由于这些原因，努力使高质量的产品快速进人市场就显得极为重要。 快速成型技术问世以来，已实现了相当大的市场，发展非常迅速。人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。该技术通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。 1快速成型技术的优点 1)快速成型作为一种使设计概念可视化的重要手段，计算机辅助设计零件的实物模型可以在很短时间内被加工出来，从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估。 2)由于快速成型技术是将复杂的三维型体转化为两维截面来解决，因此，它能制造任意复杂型体的高精度零件，而无须任何工装模具。 3)快速成型作为一种重要的制造技术，采用适当的材料，这种原型可以被用在后续生产操作中以获得最终产品。 4)快速成型操作可以应用于模具制造，可以快速、经济地获得模具。 5)产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可实现自由制造,这是传统制造方法无法比拟的。 2快速成型的基本原理 基于材料累加原理的快速成型操作过程实际上是一层一层地离散制造零件。为了形象化这种操作，可以想象一整条面包的结构是一片面包落在另一片面包之上一层层累积而成的。快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已。 2. 1快速成型的一般工艺过程原理 三维模型的构造 在三维CAD设计软件(如Pro/E\UG\SolidWorks\SolidEdge等)中获得描述该零件的CAD文件，如图1(a)中所示的三维零件。目前一般快速成型支持的文件输出格式为5TL模型，即对实体曲面近似处理，即所谓面型化(Tessallation)处理，是用平面三角面片近似模型表面。这样处理的优点是大大地简化了GAD模型的数据格式，从而便于后续的分层处理。由于它在数据处理上较简单，而且与CAD系统无关，所以很快发展为快速成型制造领域中CAD系统与快速成型机之间数据交换的准标准，每个三角面片用4个数据项表示，即3个顶点坐标和法向矢量，而整个CAD模型就是这样一组矢量的集合。 在三维CAD设计软件对模型进行面型化处理时，一般软件系统中有输出精度控制参数，通过控制该参数，可减小曲面近似处理误差。如Pro/E软件是通过选定弦高值(eh-chord height)作为逼近的精度参数，如图1为一球体，给定的两种ch值所转化的情况。对于一个模型，软件中给定一个选取范围，一般情况下这个范围可以满足工程要求。但是，如果该值选的太小，要牺牲处理时间及存贮空间，中等复杂的零件都要数兆甚至数十兆左右的存贮空间。并且这种数据转换过程中无法避免地产生错误，如某个三角形的顶点在另一三角形边的中间、三角形不封闭等问题是实践中经常遇到的，这给后续数据处理带来麻烦，需要进一步检查修补。 图1 不同ch值时的效果 (a) ch= (b) ch=三维模型的离散处理 通过专用的分层程序将三维实体模型(一般为5TL模型)分层，分层切片是在选定了制作(堆积)方向后，需对CAD模型进行一维离散，获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。通过一簇平行平面沿制作方向与CAD模型相截，所得到的截面交线就是薄层的轮廓信息，而实体信息是通过一些判别准则来获取的。平行平面之间的距离就是分层的厚度，也就是成型时堆积的单层厚度。在这一过程中，由于分层，破坏了切片方向CAD模型表面的连续性，不可避免地丢失了模型的一些信息，导致零件尺寸及形状误差的产生。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度，分层切片后所获得的每一层信息就是该层片上下轮廓信息及实体信息，而轮廓信息由于是用平面与CAD模型的STL文件(面型化后的CAD模型)求交获得的，所以轮廓是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段构成，所以，分层后所得到的模型轮廓已经是近似的，而层层之间的轮廓信息已经丢失，层厚大，丢失的信息多，导致在成型过程中产生了型面误差。 3快速成型的工艺方法 目前快速成型主要工艺方法及其分类见图2所示。文章仅介绍目前工业领域较为常用的工艺方法。 图2 目前快速成型主要工艺方法及其分类熔积成型法(Fused Deposition Modeling) 如图4所示，在熔积成型法( FDM)的过程中，龙门架式的机械控制喷头可以在工作台的两个主要方向移动，工作台可以根据需要向上或向下移动。热塑性塑料或蜡制的熔丝从加热小口处挤出。最初的一层是按照预定的轨迹以固定的速率将熔丝挤出在泡沫塑料基体上形成的。当第一层完成后，工作台下降一个层厚并开始迭加制造一层。FDM工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上，通常控制在比熔点高1℃左右。 1，热塑性塑料或蜡制熔丝；2，可在x-y平面移动的FDM喷头；3，塑料模型；4，不固定基座；5，提供熔丝FDM制作复杂的零件时，必须添加工艺支撑。如图5(a)的高度，下一层熔丝将铺在没有材料支撑的空间。解决的方法是独立于模型材料单独挤出一个支撑材料，支撑材料可以用低密度的熔丝，比模型材料强度低，在零件加工完成后可以将它拆除。 在FDA4机器中层的厚度由挤出丝的直径决定，通常是从0. 50mm到0. 25mm(从0. 02in到0. O1 in)这个值代表了在垂直方向所能达到的最好的公差范围。在x-y平面，只要熔丝能够挤出到特征上，尺寸的精确度可以达到0. 025mm()。 FDM的优点是材料的利用率高，材料的成本低，可选用的材料种类多，工艺干净、简单、易于操作且对环境的影响小。缺点是精度低，结构复杂的零件不易制造，表面质量差，成型效率低，不适合制造大型零件。该工艺适合于产品的概念建模以及它的形状和功能测试，中等复杂程度的中小成型，由于甲基丙烯酸ABS材料具有较好的化学稳定型，可采用伽马射线消毒，特别适于医用。 图5 快速成型支撑结构图 (a)有一个突出截面需要支撑材料的零件；(b)在快速成型机器中常用的支撑结构3. 2光固化法(Stereolithography ) 光固化法是目前应用最为广泛的一种快速成型制造工艺，它实际上比熔积法发展的还早。光固化采用的是将液态光敏树脂固化(硬化)到特定形状的原理。以光敏树脂为原料，在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。 成型开始时工作台在它的最高位置(深度a)，此时液面高于工作台一个层厚，零件第一层的截面轮廓进行扫描，使扫描区域的液态光敏树脂固化，形成零件第一个截面的固化层。然后工作台下降一个层厚，使先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂然后重复扫描固化，与此同时新固化的一层牢固地粘接在前一层上，该过程一直重复操作到达到b高度。此时已经产生了一个有固定壁厚的圆柱体环形零件。这时可以注意到工作台在垂直方向下降了距离ab。到达b高度后，光束在x-y面的移动范围加大从而在前面成型的零件部分上生成凸缘形状，一般此处应添加类似于FDM的支撑。当一定厚度的液体被固化后，该过程重复进行产生出另一个从高度b到c的圆柱环形截面。但周围的液态树脂仍然是可流动的，因为它并没有在紫外线光束范围内。零件就这样由下及上一层层产生。而没有用到的那部分液态树脂可以在制造别的零件或成型时被再次利用。可以注意到光固化成型也像FDM成型法一样需要一个微弱的支撑材料，在光固化成型法中，这种支撑采用的是网状结构。零件制造结束后从工作台上取下，去掉支撑结构，即可获得三维零件。 光固化成型所能达到的最小公差取决于激光的聚焦程度，通常是()。倾斜的表面也可以有很好的表面质量。光固化法是第一个投人商业应用的RF(快速成型)技术。目前全球销售的SL(光固化成型)设备约占Rl'设备总数的70%左右。SL(光固化成型)工艺优点是精度较高，一般尺寸精度控制在10. 1 mm;表面质量好，原材料的利用率接近100%，能制造形状特别复杂、特别精细的零件，设备的市场占有率很高。缺点是需要设计支撑，可以选择的材料种类有限，容易发生翘曲变形，材料价格较贵。该工艺适合成型制造比较复杂的中小件。 3. 3激光选区烧结(Selective Laser Sinering) 激光选区烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)是一种将非金属(或普通金属)粉末有选择地烧结成单独物体的工艺。该法采用CO:激光器作为能源，目前使用的在加工室的底部装备了两个圆筒： 1)一个是粉末补给筒，它内部的活塞被逐渐地提升通过一个滚动机构给零件造型筒供给粉末; 2)另一个是零件造形筒，它内部的活塞(工作台)被逐渐地降低到熔结部分形成的地方。 首先在工作台上均匀铺上一层很薄(l00~200μm)的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，从而使粉末固化成截面形状，一层完成后工作台下降一个层厚，滚动铺粉机构在已烧结的表面再铺上一层粉末进行下一层烧结。未烧结的粉末仍然是松散的保留在原来的位置，支撑着被烧结的部分，它辅助限制变形，无需设计专门的支撑结构。这个过程重复进行直到制造出整个三维模型。全部烧结完后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理后便获得需要的零件。目前，成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行直接烧结的工艺正在实验研究阶段。它可以直接制造工程材料的零件，具有诱人的前景。 SLS工艺的优点是原型件的机械性能好，强度高;无须设计和构建支撑;可选用的材料种类多;原材料的利用率接近100% ,缺点是原型表面粗糙;原型件疏松多孔，需要进行后处理;能量消耗高;加工前需要对材料预热2h，成型后需要5~lOh的冷却，生产效率低;成型过程需要不断充氮气，以确保烧结过程的安全性，成本较高;成型过程产生有毒气体，对环境有一定的污染。SLS工艺特别适合制作功能测试零件。由于它可以采用各种不同成分的金属粉末进行烧结，进行渗铜等后处理，因而其制造的原型件可具有与金属零件相近的机械性能，故可用于直接制造金属模具。由于，该工艺能够直接烧结蜡粉，与熔模铸造工艺相接特别适合进行小批量比较复杂的中小零件的生产。 叠层制造(Lamited Object Manufacturing) LOM(叠层制造)工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切判，这样反复逐层切割一粘合一切割，直到整个零件模型制作完成。该法只需切割轮廓，特别适合制造实心零件。一旦零件完成.多余的材料必须手动去除，此过程可以通过用激光在三维零件周围切割一些方格形小孔而简单化。 L0M工艺优点是无须设计和构建支撑;激光束只是沿着物体的轮廓扫描，无需填充扫描，成型效率高;成型件的内应力和翘曲变形小;制造成本低。缺点是材料利用率低;表面质量差;后处理难度大，尤其是中空零件的内部残余废料不易去除;可以选择的材料种类有限，目前常用的主要是纸;对环境有一定的污染。LOM工艺适合制作大中型成型件，翘曲变形小和形状简单的实体类零件。通常用于产品设计的概念建模和功能测试零件，且由于制成的零件具有木质属性，特别适用于直接制作砂型铸造模。 4 快速成型技术在向产品生产化发展中所存在的主要问题 在制造业日趋国际化的状况下，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。因此，快速成型、快速制模、快速制造技术将会得到进一步发展。 4. 1快速成型技术研究中存在的问题。 1)材料问题.目前快速成型技术中成型材料的成型性能大多不太理想，成型件的物理性能不能满足功能性、半功能性零件的要求，必须借助于后处理或二次开发刁'能生产出令人满意的产品。由于材料技术开发的专门性，一般快速成型材料的价格都比较贵，造成生产成本提高。 2)高昂的设备价格.快速成型技术是综合计算机、激光、新材料、CAD/CAM集成等技术而形成的一种全新的制造技术，是高科技的产物，技术含量较高，所以，目前快速成型设备的价格较贵，限制了快速成型技术的推广应用。 3)功能单一.现有快速成型机的成型系统都只能进行一种工艺成型，而且大多数只能用一种或少数几种材料成型。这主要是因为快速成型技术的专利保护问题，各厂家只能生产自己开发的快速成型工艺成型设备，随着技术的进步，这种保护体制已成为快速成型技术集成的障碍。 4)成型精度和质量问题.由于快速成型的成型工艺发展还不完善，特别是对快速成型软件技术的研究还不成熟，目前快速成型零件的精度及表面质量大多不能满足工程直接使用的需要，不能作为功能性零件，只能作原型使用。为提高成型件的精度和表面质量，必须改进成型工艺和快速成型软件。 5)应用问题.虽然快速成型技术在航空航天、汽车、机械、电子、电器、医学、玩具、建筑、艺术品等许多领域都已获得了广泛应用，但大多仅作为原型件进行新产品开发及功能测试等，如何生产出能直接使用的零件是快速成型技术面临的一个重要问题。随着快速成型技的进一步推广应用，直接零件制造是快速成型技术发展的必然趋势。 6)软件问题。随着快速成型技术的不断发展，快速成型技术的软件问题越来越突出，快速成型软件系统不但是实现离散/堆积成型的重要环节，对成型速度，成型精度，零件表面质量等方面都有很大影响，软件问题已成为快速成型技术发展的关键问题。 4. 2快速成型技术软件系统存在的问题 1)快速成型软件大多是随机安装，无法进行二次开发; 2)各公司的软件都是自行开发，没有统一的数据接口; 3)随机携带的快速成型软件都只能完成一种工艺的数据处理和控制成型; 4)已商品化的通用性软件价格较贵，功能单一，只能进行模型显示、加支撑、错误检验与修正等中的一种或几种功能，而且也存在数据接口问题，不易集成; 5）商品化的软件还不完善，不能满足当前快速成型技术对成型速度、成型精度和质量的要求; 6)当前的数据转换模型缺陷较多，对CAD模型的描述不够精确，从而影响了快速成型的成型精度和质里。 5快速成型技术的发展方向 目前国内外快速成型的研究、开发的重点是快速成型技术的基本理论、新的快速成型方法、新材料的开发、模具制作技术、金属零件的直接制造、生物技术与工程的开发与应用等。另外，还要追求RPM(快速成型制造)的更快的制造速度、更高的制造精度、更高的可靠性，使RPM设备的安装使用外设化，操作智能化;使RPM设备的安装和使用变得非常简单，不需专门的操作人员。具体说来，有以下几点: 1）采用金属材料和高强度材料直接成型是RPM重要发展方向，采用金属材料和高强度材料直接制成功能零件是RPM(快速成型制造)一个重要发展方向。美国Michigan大学的Manzumd采用大功率激光器进行金属熔焊直接成型钢模具;Stanford大学的Print。用逐层累加与五座标数控加工结合方法，用激光将金属直接烧结成型，可获得与数控加工相近的精度。 2)不同制造目标相对独立发展。从制造目标来说RPM(快速成型制造)主要用于快速概念设计成型制造、快速模具成型制造、快速功能测试成型制造及快速功能零件制造。由于快速概念型制造和快速模具型制造的巨大市场和技术可行性，将来这两个方面将是研究和商品化的重点。由于彼此特点有较大差距，两者将是相对独立发展的态势，快速测试型制造将附属于快速概念型制造。快速功能零件制造将是发展的一个重要方向，但技术难度很大，在今后的很长一段时间内，仍将局限于研究领域。 3)向大型制造与微型制造进军。由于大型模具的制造难度和RPM(快速成型制造)在模具制造方面的优势，可以预测，将来的RPM市场将有一定比例为大型原型制造所占据。与此成鲜明对比的将是RPM(快速成型制造)向微型制造领域的进军。SL技术的一个重要发展方向是微米印刷(Microlithography) ,用来制造微米零件( Microseale Parts)。而针对我国的具体国情，快速成型技术今后的主要发展方向有:1)成型工艺、成型设备和成型材料的研发与改进;2)直接快速成型的金属模具制造技术;3)基于因特网的分散化快速原型、快速模具的网络制造技术研究;4)与生物技术相结合;5)进一步完善软件的功能. 6 结束语 快速成型的出现把传统的加工带入全新的数字化领域，要让快速成型与制造技术得到越来越广泛、深人的应用，应从各个方面着手完善和发展该系统，进一步拓宽该技术的应用范围。 文秘杂烩网