基于SLS原型的石膏型熔模精密铸造在零部件开发中的应用

王翠芳+赵辉+孙备

摘 要：快速成型技术与精密铸造相结合的应用不仅解决了复杂零部件的制造，而且其制造周期短、成本低、应用范围广。文章通过一种发动机的气门室罩盖样件制造，介绍了基于SLS（激光选区烧结）原型的石膏型熔模精密铸造的工艺流程及铸造过程中出现问题的解决方案。

关键词：快速成型；熔模精密铸造；激光选区烧结

1 概述

随着汽车工业迅猛的发展，市场竞争愈演愈烈，对于汽车零部件的开发也提出了新的要求，特别是需要重复试验和调整的零件，如发动机气门室罩盖小批量生产，因此新产品的开发对于低成本、快速样件铸造有着迫切的需求。快速原型制造（Rapid Prototyping，RP）因其快速和经济的特点为零部件快速开发提供技术支撑。在多种快速成型工艺中，激光选区烧结（Selective Laser Sintering，SLS）由于燒结原材料选择范围广泛，多余材料易于清理，工艺及操作集成化、简单化和自动化，而且可烧结结构复杂的样件，应用较为广泛。本文通过一种发动机气门室罩盖的快速成型样件的制造为例，介绍基于SLS的石膏型熔模铸造的工艺流程以及在铸造中出现的问题及其解决方案。

2 基于SLS的石膏型熔模铸造工艺流程

基于SLS的石膏型熔模精密铸造是将快速成型技术与精密铸造相结合的一种快速、经济制造零件样件技术。其工艺流程如下：

2.1 SLS三维实体模型制造

激光选区烧结系统是通过Creo软件绘制零件的三维实体造型，将三维实体造型转换为快速成型领域最常用的STL格式，它采用大量的三角形面网来逼近三维实体表面，分辨率越高，越接近理想实体造型表面，但会影响电脑对数据的处理速度，应合理选择分辨率，通过STL网格模型所提供的几何信息，切片软件对零件模型进行分层切片，得到一定厚度的封闭切片，激光选区烧结系统的激光束在计算机的控制下，根据切片中的轮廓信息，有选择性的烧结PS（Polystyrene，聚苯乙烯）粉末材料，从而还原各封闭切片的实体轮廓，本层面烧结完成后，工作台下降一个层面，铺上新的粉末，按照上面方法进行下个层面的烧结，如此反复，逐步堆积成SLS三维实体模型，可通过软件对零件分层厚度、激光功率、扫描间距、扫描速度进行设置，得到最佳的工艺参数。经过渗蜡处理，直接得到蜡模，如表面有缺陷，需进行表面修整处理。

2.2 SLS原型制壳工艺

制壳过程是快速成型铸造中关键的工艺，制壳过程要很好地复制SLS原型的尺寸参数以及外观质量，同时还要设计好合理的浇冒口，才能形成一个完整的浇注系统组件。在SLS蜡模的基础上，用蜡料焊接组合成浇道及浇冒口，组装并固定于灌浆用的沙箱平板上，组模过程中为防止石膏型悬空断裂，需要在局部做龙骨以加强石膏型强度，并在易于憋气的地方进行石膏浆预灌。

灌浆时先将蜡模与沙箱放入灌浆炉内，通过一套真空系统把灌浆炉内抽成真空，随后通过送料口将石膏浆灌入箱内，这样可以有效防止石膏型在灌浆过程中因为憋气而导致铸造缺陷，灌浆后等到石膏失水凝结到一定程度后放入脱蜡炉内进行脱蜡处理。SLS烧结模型用的PS粉熔点在200度以上，脱蜡过程中PS粉模型还存留在石膏型中，温度继续升高到100℃左右时，石膏型中的水份变为水蒸汽逸出，此时应控制温升不易过快，防止石膏型开裂，为使SLS烧结的模型及渗入石膏型中的蜡料烧尽，焙烧炉内温度需提高到700℃左右，为防止石膏型开裂，焙烧过程中温升不易过快，特别是在相变位置。为了把蜡模排净需要将石膏型在焙烧炉内焙烧一定时间，以保证蜡料全部排出，而不是留在石膏型内。焙烧过程中石膏型失水引起的收缩与石膏浆中的添加剂引起的膨胀相互抵消，减小石膏型因为焙烧引起的变形。

2.3 浇铸过程

石膏型焙烧后待温度冷却至300℃左右时放入真空浇铸罐内，根据铸件大小先将铝合金浇包放入罐内指定位置，合上真空浇铸罐，通过真空泵使罐内产生一定的负压，然后通过真空浇铸机的视窗浇铸，浇铸完成后向真空浇铸机内加压，并保压至铝合金凝固。石膏型导热性差，铸件结晶粗大，铸件冷却也比较慢，需等到铸件完全冷却后才可以进行清理石膏。

多数情况下，石膏型浇铸不另设冒口补缩，而是在壁厚较大部位加冷铁，尽量使铸件各部位同时凝固，浇铸时浇道采用分散引入方式，避免过热。

2.4 清理

等箱体完全冷却后，就可以打开箱体，清理石膏，对于简单的腔体件，采用清理工具及高压水枪就可以将石膏清理干净，对于复杂的具有内腔的零部件，清理时较为困难，设计时就需要考虑清理石膏的通道，在不影响零件强度的情况下，可预留清理石膏孔，后续可以通过机加工的方式将孔堵上，从而满足使用性能。

2.5 热处理

本气门室罩盖铸件采用ZL101A，铸件经T6处理达到气门室罩盖要求的性能，其热处理工艺参数如下：

3 结束语

通过样件尺寸检测和装机试验，该样件能够满足功能需求，验证了快速成型技术和精密铸造技术相结合所带来的巨大的经济利益，它能够缩短新产品的开发周期，降低开发成本，而且从简单零件到复杂零件均能使用，因此基于SLS原型的石膏型熔模精密铸造在新产品开发过程中具有突出优势。

参考文献

[1]温彤，朱军.基于SLS的石膏型熔模铸造成型工艺及质量控[J].铸造，2011，60（10）：972-974.

[2]李小飞，朱东彬，董俊慧.激光选区烧结及其在精密制造业中的应用[J].光学精密工程，2013，21（5）：1222-1227.