铸件无模化数控成形制造技术及设备研究

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铸造是机械装备制造业产品毛坯主要提供方式，目前我国有铸造企业约3万家，年产铸件已达到3000万吨，为美、日、德三个工业大国铸件产量的总和。大型铸件是核电、水电等重大技术装备产业中的重要组成部分，广泛用于电力、石油化工、冶金等基础支柱产业，如核电设备的泵体、汽轮机缸体，水电机组的转轮、叶片，大型冶金设备中的轧机机架、大型轴承座等，其发展水平是衡量一个国家综合国力的重要标志。尽管目前我国大型铸件的生产能力达到了5万吨/年，每年还需从韩国、日本等国进口发电机转子等大型铸件，长江三峡一期水电工程左岸14台机组中的上冠、下环和叶片铸件几乎全部从国外进口。国内铸件的制造大都采用传统的造型方法，伴随着计算机、数控等先进制造技术在工业中的广泛应用，先进的铸造新工艺、新方法、新理论成为新的研究热点。
1、国外无模化铸件数控制造技术现状及趋势
　　世界工业发达国家都十分重视发展大型铸件的制造能力与工艺技术水平。代表世界先进水平的韩重、日立、川崎制钢等10多家企业，均有生产单重300吨以上优质合金钢锭的能力。这些企业在装备和技术开发及使用方面处于世界领先水平，尤其是在大型铸件铸型制造工艺及技术方面开展了大量的研究开发工作。在铸件的制造工艺技术研究中，普遍采用计算机对铸造、热处理等过程进行模拟分析，并辅助工艺设计和过程控制，将数字化技术应用于铸件制造过程。近年来，随着数控技术的快速发展，工业发达国家已将数控加工技术应用于铸型制造，即在CAD模型驱动下，直接采用数控机床加工出砂型，获得浇注的铸型，不需要传统的铸造模样。这种方法不仅制造速度快，而且精度高。由于在封闭环境中加工，成形过程中的废弃物如粉尘、废气、废渣等可得到回收，是传统铸造工业的重大变革。目前，美国、德国、英国、芬兰等国家正在开展相关的应用基础研究。
- u$ P1 H3 `0 y* @　　德国AcTech公司已经拥有了2台用于直接加工铸型的设备，其可加工的最大外形尺寸达2.4m，该设备可用于加工大型的机床床身、横梁、立柱、车身结构件、批量生产的压铸模等。AcTech公司通常接到客户提供的CAD数据后，根据铸件尺寸和复杂程度的不同，在3周时间内即可为顾客提供1～5个铸件。图1为该公司的数控铣床在砂坯上直接加工铸型的过程，图2为直接加工出的铸型。该技术由于省去了模样的制造环节而对型砂进行直接加工，使分型面的选择具有更大的灵活性，更易实现造型方案多样化，因而可使大型复杂铸件的精度大为提高，且减轻了毛坯重量。

- r  z2 u2 ?  E$ `. ~7 W     由欧洲共同体提供的研究基金资助、欧洲14个单位参加，英国谢费尔德的铸造开发中心开发出大型（2.6m×2.6m×1.2m）五轴数控装置对铸型进行切削加工，从而快速铸造出可变和固定螺矩的螺旋浆、泵壳、阀门等铸件。由于省掉模型的加工与保管，所需时间由过去的数周缩减到数日，并提高了铸件精度。例如可变螺距的螺旋浆叶片铸型制造通常需要三周时间，现在用8小时时间即可完成。其中，铸型块的切削需要5个小时，其余时间为铸型组装。使用CAD驱动数控装置对铸型进行切削，不仅使工序合理化、简单化，而且可快速制造出高质量的铸型。这种方法具有可重复性，铸型质量稳定，是铸型制造的重大变革。
　　德国奥迪汽车股份有限公司与芬兰技术开发研究所，正在研究砂型切削加工理论并开发出砂型铣削工业机器人加工单元，在奥迪公司车身试制中心的铸造车间进行加工铸型实验。可加工砂型尺寸达到3000mm×2200mm×600mm，可满足车身所有零件制造的需求。德国METROM公司研究开发了P800M型高速五轴数控加工铣床，采用5杆并联机构和5环驱动的主轴部件，能够真正实现五面加工。目前也在进行大型铸型加工的实验研究。
, _! U1 d+ l" S/ r+ s　　总之，国外发达国家在努力提高铸件质量的同时，通过数字化、数控等技术，积极开展了大型铸型数控加工制造的新工艺、新方法研究，并初步在工业中应用，极大促进了大型铸件制造技术进步与革新。
2、无模化铸件国内制造技术现状
! m3 }6 D' w4 K6 _5 W　　在铸件无模化制造方面，基于离散堆积原理的铸型制造技术近年来取得一定进展，国内机械科学研究总院、清华大学、华中科技大学、西安交通大学、北京隆源公司等单位开发了基于快速原型的铸件快速制造技术，在国家立项支持下，开发出无模铸型粘接剂喷涂制造工艺、选择性激光砂型烧结工艺等，已经应用到小型铸件的单件、小批量快速制造中。
　　对于大型铸件的生产，我国大型铸件生产企业有30多家，在大型铸件领域开展了大量研发和探索工作，取得了一批具有国际先进水平且拥有自主知识产权的成果。但与发达国家相比，不论在装备与工艺技术水平，还是产品品种与等级等方面，均存在着较大的差距，部分产品国内尚无法生产。一些发达国家的大型铸件生产制造技术对中国严格保密，甚至严格限制产品出口，尤其是大型核电装备铸件已成为影响国民经济可持续发展的重要瓶颈。
" q" Z( B1 r+ ?6 y. q: x$ G　　与国内技术相比，在发达国家，数控加工技术用于金属件的快速开发，已经日趋成熟。除了对金属件直接数控加工成形外，该技术和相关设备也已经应用于铸型的快速制造，为减少加工成本和开发周期，快速提供优质金属件（尤其是大型金属件），提供了新的方法和工具设备。
3、无模化铸件数控加工成形技术与设备开发
" ?* n! `% |. L4 H( v　　自2006年机械科学研究总院先进制造技术研究中心开展了铸型数字化加工技术研发工作，已开发出国内首台铸型数字化加工机，申请专利10项，其中8项发明专利。软件登记1项，1项实用新型专利已获得授权。在研究过程中，进行了刀具材料、砂型可加工性、加工工艺、系统软件以及设备开发等工作。目前自行研制的铸型数字化加工成形机如图3所示，该设备由三维CAD模型驱动，加工速度最高可达150mm/s，主轴转速4000-20000转/min，加工精度为±0.15mm，能够完成水玻璃砂型、树脂砂型、覆膜砂型等多种铸造用砂型的加工制造，其单块最大可加工砂型尺寸为550 mm×450 mm×150mm，更大的铸型可以采用分型、组装的方式来完成。

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     根据铸型的三维CAD模型结合加工参数进行砂型切削路径规划；对规划好的切削路径在计算机中进行加工过程的模拟仿真，确保不会发生刀具干涉和砂型过切；将已经固化好的砂坯置于加工平台上驱动专用设备进行铣削加工；加工产生的废砂被刀头附近喷嘴吹出的高速气流及时带走；最后得到要加工的铸型。图4为发动机缸体铸型模块粗加工、精加工过程。
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" B' d& U  N+ e! L6 b      目前，与中国一汽、广西玉柴等单位合作进行了汽车发动机缸体和柴油机缸体的快速制造。图5为汽车发动机缸盖组合实际加工的砂型。图中所示单块砂型尺寸为164mm×159mm×121mm，采用铸型数字化加工一次加工上、下模型，仅需8小时。
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& B/ r. B1 S6 k! u无模化型铸件成形方法研究将为单件、小批量铸件的快速制造提供解决方案，在汽车、工程机械、机床、电站、船舶、桥梁、冶金、石油化工、矿山等方面都具有广阔的应用前景。尤其是在单件小批量铸件、模具毛坯制造具有很大的技术及市场优势。
1 T7 }3 x. j: Q: P7 C0 s四、结论
　　无模化铸件数控加工制造工艺，具有数字化、精密化、柔性化、绿色化等特点，是一种全新的铸件制造方法，不需要制造木模，是传统砂型铸造的重大革命。是一种基于资源节约与环境友好的精确成形制造方法，可以提高铸造精度、生产效率、铸件质量，降低铸造过程中的资源消耗，必将对振兴重大技术装备行业提供重要的技术及理论创新支撑，具有广阔的市场应用前景。