（材料加工工程专业论文）铝合金金属型铸造cadcae及模具快速制造（rtm）.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt om a k et h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fm e t a lm o u l dm o r eq u i c k l ya n d s c i e n t i f i c a l l y ，t h ec a d ，c a e a n dr t ( r a p i d t o o l i n g ) a r ea p p l i e dt ot h ep e r m a n e n t m o l d d e s i g n a n dm a n u f a c t u r ef o ra l a l l o y i nt h i sp a p e r t h ec o n t e n t si n c l u d e sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h e3 dc a ds o f t w a r eu n i g r a p h i c s18 0i sa d o p t e d s o ，t h ew h o l ed e s i g n b e c o m e sf a s ta n dv i v i d a n di tw i l la l s ob r i n gt h es u f f i c i e n td a t af o rt h es o l i d i f i c a t i o n s i m u l a t i o na n dm o l dm a n n f a c t u r e ( 2 ) t h es o f t w a r eh u a z h uc a e i n t e c a s ti su s e dt om a k et h ef o u n d r yt e c h n o l o g y a n dt o o ld e s i g nb eo p t i m i z e dc o n s t a n t l y ，t h e nt h ep e r i o d so fd e s i g na n dm a n u f a c t u r ea r e g r e a t l ys h o r t e n e d ( 3 ) t h e r a p i dp r o t o t y p em a n u f a c t u r ea n d t r a n s f e r r e dc o a t i n gt e c h n i q u ea r eu s e d f o rt h er a p i dm a n u f a c t u r eo fp e r m a n e n tm o l dm a n u f a c t u r e s y n c h r o n o u s l yf o rt a k i n go u t l a r g e rl o m ( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) i nt h es a n dm o l d s a f e l y ，t h ed e v i c eo f b a l lb e a r i n ga n dd o u b l ep o l e si sd e s i g n e d ，s ot h a tt h em a n u f a c t u r ep r e c i s i o ni sa v a i l a b l e f o r c a s t i n g ( 4 ) t h ef r a m e w o r ka n dg a t i n gs y s t e mo fp e r m a n e n tm o l da r er e s e a r c h e d t h e h o l l o wa n db a rf o rs c a t t e r i n gh e a tw e r ed e s i g n e d ；e s p e c i a l l yr o t a t e dg a t i n gs y s t e mi s a d o p t e d s o ，t h et r a n s f o r m e dr a t e o fh e a ti sq u i c k e n e d ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f a l u m i n u ma 1 1 0 yc a s t i n ga r ei m p r o v e d ( 5 ) t h em a t e r i a l z l l 0 2o f p e r m a n e n tm o l da n dt h ep r o t e c t i n gt e c h n i q u ef o rt o o l s u r f a c ea r es t u d i e d a tt h es a m et i m e ，t h ep r o b l e mo ff u s i o ni sr e s o l v e db yu s i n gh n 6 2 5 e l e c t r o l e s sd e p o s i t i o n0 1 1t h es u r f a c eo f p e r m a n e n tm o l d a s ar e s u l t ，t h et o o li sa v a i l a b l e f o rt h es m a l lp r o d u c t i o no f t h es i m p l ea n dm i d d l es i z ec a s t i n g k e y w o r d ：a l u m i n u ma l l o y p e r m a n e n tm o l d t r a n s f e r r e dc o a t i n gm a t e r i a lo f t o o l c a dc a er t m e l e c t r o l e s sd e p o s i t i o n i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源、目的和意义 加入w t o 以后，我国制造业面临着严峻的挑战，铸造作为基础的制造业，也面 临着巨大的压力。面对瞬息万变的市场，日新月异的新技术，层出不穷的新材料， 企业之间的竞争日趋白热化。能否快速提供高质量的试制产品是企业取得市场先机 的关键；能否引入新技术、新材料，改造现有的生产状况是企业取得市场先机的首 要任务。 通过实际考察发现，在金属型铸造方面部分国企如襄樊3 6 1 1 厂在c a d 上已经 采用了三维设计，部分企业如平顶山天鹰集团铸造厂、新华机械厂尚未摆脱传统设 计方法，而他们在c a e 和r t m 技术上离现代设计和制造技术还存在很大的距离， 甚至有些企业尚未触及现代技术。但是如襄樊3 6 1 1 厂在进行外贸生产时，客户( 尤 其是国企客户) 对他们提出了在c a e 上的要求：又如平顶山天鹰集团铸造厂在面对 品种繁多的高压开关铸件时，也要求在模具制造上有新的方法。这些情况都是本论 文的研究背景。 从上述背景出发，为了使铝合金金属型铸造技术成为一种现代铸造技术，能够 满足实际需求，开展c a d c a e r t m 技术在金属型铸造上的应用就成为极具意义的 研究工作。 1 2 课题的发展、应用与研究概况 1 2 1 金属型铸造 ( 1 ) 概述 金属型铸造是指在重力作用下，液体金属充填用金属材料制成的铸型金属 型，及随后的冷却凝固成形而获得铸件的一种铸造方法| l 】。 金属型铸造作为一种传统的精密成形技术，现己成为了目前发展较快的先进制 造技术之一。国外，美国的本田工厂于1 9 9 6 年建成了汽车球铁转向臂生产线，标志 着这一技术已进入了工业化生产阶段；国内，1 9 9 7 年，国家科委立项，由沈阳铸造 研究所等单位对“九五”国家重点科技攻关项目“汽车球墨铸铁件金属型铸造工艺 与成套设备”进行系统研究，旨在开发先进制造技术金属型铸造技术，以促进 我国铸造业的技术进步【2 1 。 本世纪2 0 年代，自欧洲汽车工业率先发展铝铸造工业以来，曾先后出现了多种 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源、目的和意义 加入w t o 以后，我国制造业面临着严峻的挑战，铸造作为基础的制造业，也面 临着巨大的压力。面对瞬息万变的市场，日新月异的新技术，层出不穷的新材料， 企业之间的竞争日趋白热化。能否快速提供高质量的试制产品是企业取得市场先机 的关键；能否引入新技术、新材料，改造现有的生产状况是企业取得市场先机的首 要任务。 通过实际考察发现，在金属型铸造方面部分国企如襄樊3 6 1 1 厂在c a d 上已经 采用了三维设计，部分企业如平顶山天鹰集团铸造厂、新华机械厂尚未摆脱传统设 计方法，而他们在c a e 和r t m 技术上离现代设计和制造技术还存在很大的距离， 甚至有些企业尚未触及现代技术。但是如襄樊3 6 1 1 厂在进行外贸生产时，客户( 尤 其是国企客户) 对他们提出了在c a e 上的要求：又如平顶山天鹰集团铸造厂在面对 品种繁多的高压开关铸件时，也要求在模具制造上有新的方法。这些情况都是本论 文的研究背景。 从上述背景出发，为了使铝合金金属型铸造技术成为一种现代铸造技术，能够 满足实际需求，开展c a d c a e r t m 技术在金属型铸造上的应用就成为极具意义的 研究工作。 1 2 课题的发展、应用与研究概况 1 2 1 金属型铸造 ( 1 ) 概述 金属型铸造是指在重力作用下，液体金属充填用金属材料制成的铸型金属 型，及随后的冷却凝固成形而获得铸件的一种铸造方法| l 】。 金属型铸造作为一种传统的精密成形技术，现己成为了目前发展较快的先进制 造技术之一。国外，美国的本田工厂于1 9 9 6 年建成了汽车球铁转向臂生产线，标志 着这一技术已进入了工业化生产阶段；国内，1 9 9 7 年，国家科委立项，由沈阳铸造 研究所等单位对“九五”国家重点科技攻关项目“汽车球墨铸铁件金属型铸造工艺 与成套设备”进行系统研究，旨在开发先进制造技术金属型铸造技术，以促进 我国铸造业的技术进步【2 1 。 本世纪2 0 年代，自欧洲汽车工业率先发展铝铸造工业以来，曾先后出现了多种 华中科技大学硕士学位论文 特种铸造工艺的工业化应用，如金属型铸造、低压铸造、压铸以及目前被称为开创 铸造工业新纪元的消失模铸造等。伴随着数十年历程的市场竞争和技术不断改造， 在铝缸盖这个重要发动机部件生产上的工艺应用已基本走向统一，那就是起着主导 作用的金属型重力铸造工艺。目前，在全球近6 0 0 0 万件铝缸盖的总产量中，近8 5 的铸造生产都是采用金属型重力铸造工艺【3 】。如今金属型铸造已广泛应用于生产如 铝、镁、铜合金，灰铸铁，可锻铸铁和球墨铸铁件。 用金属型铸造铝合金的优点是【4 1 ： 1 】由于金属型导热性高、冷却速度快，因而可以得到细小、致密的结晶组织， 提高了铸件机械性能。 2 】金属型铸造条件比较稳定，尺寸变化小，所以铸件有较高的精度和光洁度。 铸件的拔模斜度、加工余量较小，从而节约了金属材料和加工工时。由于铸件表面 光洁，提高了耐蚀性并且美观。 【3 】铸造缺陷种类少，铝合金金属型铸件上无砂眼、结疤等缺陷，在没有砂芯的 金属型铸件上也无粘砂缺陷，废品率低，在正常情况下，合格率常在9 5 以上。 4 】4 与砂型和壳型铸造相比，用型砂量少，大大节省了运输量和劳动力，提高了 生产效率，减少了灰尘和有害气体，改善了劳动条件，提高了车间的安全生产程度。 5 】与熔模铸造相比，铝合金金属型铸件的精度和光洁度不低，且生产周期短、 内部质量高、成本低。 【6 】与压力铸造相比，不需要庞大复杂的铸造机械，铸件可焊接，并能耐较高的 温度和压力。 7 】操作容易掌握，能较快的培养技术工人。 8 】容易实现生产的机械化和自动化。 铝合金金属型铸造的主要缺点是： 1 】金属型本身没有退让性，因此铸件形成裂纹的倾向大，所以不宜于浇注结晶 间隔大、收缩大、裂纹倾向性大的铝合金。 【2 】铸件尺寸精度和表面光洁度比压铸件低，壁厚不能太薄，铝合金金属型铸件 的壁厚一般不小于2 m m 。 【3 】与砂型相比，用机械加工制造的金属型成本较高、制造周期较长。因此，只 有在成批生产或大量生产铸件时，才能显示其经济效益。 ( 2 ) 金属型材料 金属型铸造、压力铸造等永久型铸造方法的铸型都是采用金属材料制成的。由 于铸型的型腔直接与高温金属液接触，在交变热应力的作用下，寿命较低，特别是 2 华中科技大学硕士学位论文 在浇注黑色金属及青铜铸件时情况尤为严重。铸型材料选择得恰当与否不仅影响铸 型寿命，同时也和铸件的质量密切相关。因此，正确地选择铸型材料也是铸造工艺 设计的一项重要内容。 金属铸型的材料是影响其寿命的重要因素，由于金属铸型在高温下工作，要求其 材料具有以下良好的高温和室温综合性能： 1 】具有足够的高温力学性能，特别是疲劳强度，即在高温下不易软化、变形以 及在热应力作用下不易开裂。 2 具有足够的热稳定性，包括高温下组织的抗生长性、抗氧化性、耐腐蚀性以 及高温下不与铸造合金熔焊等性能。 【3 】具有足够的室温力学性能，包括强度、伸长率、硬度和韧性等，能可靠地承 受各种机械力的作用和摩擦作用。 【4 具有较大的热导率和导热系数，减少型壁内外温差，从而减小型壁热应力。 【5 】具有良好的铸造性能和机械加工性能。 6 】6 来源丰富，价格便宜。 循着这些条件，铝合金作为金属型模具用材料在理论是可行的，但在作者的调研 中没有发现其实际的运用，只是在极其个别的文献中有所叙述。因此，铝合金作为 金属型模具用材料还有待研究。 ( 3 ) 金属型铸造工艺 金属型铸造是利用重力将液态金属或合金浇入金属材质的铸型中，并在重力的作 用下结晶凝固而获得铸件的一种铸造方法。其工艺流程与砂型铸造类似。 一般铸件的凝固方式有三种：逐层凝固、体积凝固和中间凝固。从铸件的疏松倾 向、热裂倾向、充型情况等方面来看，逐层凝固的性能最好，中间凝固的性能次之， 体积凝固的性能最差。影响凝固方式的主要因素是铸造合金的结晶温度间隔和凝固 时铸件断面上的温度梯度。共晶型合金都是逐层凝固，而结晶温度间隔宽的合金则 多是体积凝固。当合金成分确定之后，铸件的凝固方式就取决于冷却时在断面上的 温度梯度。温度梯度愈大，则凝固区域宽度就愈小，因而，可以使得结晶温度间隔 较宽的合金也趋向于中间凝固甚至逐层凝固方式，这样就可改善补缩条件，得到致 密的铸件。与砂型比较，由于金属型的导热性能要高得多( 热导率约高1 5 0 倍，蓄 热系数约高2 0 倍，导热系数约高6 5 倍) ，能获得很大的温度梯度，使铸件的冷却速 度增大。因此，用金属型铸造时，不仅共晶型合金，甚至结晶温度间隔较宽的合金， 也能得到致密的铸件。同时，冷却速度快，可使铸件晶粒细化，还能减轻或消除非 铁合金铸件的针孔。 华中科技大学硕士学位论文 由于型壁的直接导热，液态金属浇入金属型后，金属液很快凝固成一层硬壳，以 后散热则要通过硬壳与型壁问所形成的空气隙。用金属型铸造厚大铸件时，浇入金 属型中的金属液在充满型腔一定时间后才开始凝固，特别是在金属型预热温度高和 有大的砂芯时，更是如此，这是由于上述空气隙的存在，减缓了铸件的散热速度。 所以在浇注厚大铸件时，应采用较低的金属型预热温度和浇注温度。 在铸造较小的薄壁铸件时，金属液凝固得很快，许爹隋况下，几乎在浇注完毕时， 铸件凝固也就完成了。所以，对大而薄的铸件，为了能完好地充满型腔，获得轮廓 清晰的铸件，就要有较高的金属型温度，以改善铸件的补缩条件，因为这样能使金 属液容易进入已被型壁冷却的下层金属中。当内浇道由下面导入型腔时，要求金属 液有更高的温度，以使其在相当热的状态下达到型腔的上部，特别是当铸件上部有 冒口时，更希望如此。但是，金属液的温度也不能太高，温度太高，会增大铸件的 收缩量，并降低力学性能。 在金属型铸造中，铸件产生裂纹的可能性比砂型铸造时大得多。这主要是因为金 属型和金属型芯没有退让性，阻碍铸件收缩；其次铸件凝固冷却不均匀也是产生裂 纹的重要原因。但是，假如能使铸件变形在比较高的温度下进行，这时合金的塑性 又足够大，那么，裂纹将不会产生。所以，在确定温度规范时，应尽量使合金由塑 性转变到弹性状态的过程中，铸件各部分的温差减到最小，并且尽量减小合金结晶 期间浇注的合金和金属型型壁之间的温度差。这时就要求铸型温度较高，而浇注温 度较低。 从上面的一些分析可知，确定金属型铸造温度规范应考虑到以下三个原则： 1 】保证铸件所有表面能得到清晰的外形，没有冷隔和浇不到的现象，也就是希 望冷却慢些，要求有较高的浇注温度和金属型温度。 【2 保证铸件变形小，不发生扭曲和裂纹，要求金属型温度高而浇注温度低。 【3 】保证铸件组织细密，力学性能好，希望快速冷却，要求较低的金属型温度和 浇注温度。 表1 一l 和表1 - 2 分别列出了铸造有色合金金属型工作温度和合金浇注温度。 表1 - 1 金属型工作温度【l 】 合金 铝合金镁合金 铜 铅锡锡 种类 金属型 一般 溥壁复杂 一般 潭壁复杂 合金青铜青铜 工作温 铸件 铸件、金 铸件 铸件、金 度( ) 属芯 属芯 1 2 0 5 0 1 5 0 2 0 0 3 5 04 0 0 5 0 02 0 0 3 8 03 5 0 4 5 0 2 0 0 1 2 5 3 5 0 4 华中科技大学硕士学位论文 表1 2 金属型铸造合金浇注温度 铝硅铝铜铝镁 合金种类镁合金锡青铜黄铜 厶a 合金 a 浇注温度 6 9 0 7 5 0 7 0 0 7 5 0 6 8 0 7 3 0 6 8 0 7 8 01 l o o 1 2 0 09 5 0 1 1 0 0 ( ) ( 4 ) 金属型用涂料 金属型铸造时，须在型腔表面上喷涂涂料。其目的是： 1 1 保护金属型。浇注时可减轻液体金属对金属型的热冲击和对型腔表面的冲刷 作用：在取出铸件时，减轻铸件对金属型和型芯的磨损，使铸件易从铸型中取出。 【2 】调节铸件在金属型型腔中各部位的冷却速度，控制凝固顺序。 3 】3 改善铸件的表面质量。防止因金属型有较强的激冷作用而导致铸件表面产生 冷隔或流痕以及铸件表面形成白口层。 4 改善型腔中气体的排出条件。 涂料一般由粉状耐火材料、粘结剂、载体和其它附加物组成。 【1 1 粉状耐火材料。一般具有较好的绝热性能。不同合金铸件所用的耐火材料也 不同。铝、镁合金，常用氧化锌、氧化钛、氧化镁、白垩粉( c a c 0 3 ) 等：铜合金及 铸铁可用石墨粉。 【2 】粘结剂。通常采用水玻璃。 3 】载体。其作用是使涂料各组成物能均匀地混为一体，并有良好的涂刷性能， 一般用水。铜合金常用矿物油( 如机油、润滑油等) 。 4 附加物。赋于涂料具有特殊性能的物质。如石棉粉、硅藻土能有效地提高涂 料的绝热性；石墨粉、滑石粉可使涂料有较好的润滑性；硼酸可防止镁合金氧化。 喷涂涂料时，应事先将型腔工作表面清理干净并预热至1 8 0 2 3 0 ，用压缩空气 经喷雾器将混匀的涂料呈雾状喷涂在型腔工作表面上，使之形成致密、均匀的覆盖 层。喷涂时，若金属型温度太低，则涂料不能很快干燥，将会出现淌流现象：但若 温度太高，则喷射到型腔表面上的水分会剧烈蒸发，涂料将发生鼓泡或成块脱落。 涂料层的厚度一般小于0 5 m m ，但在浇冒口部位可超过l m m 。 1 2 2 金属型模具制造的发展现状 ( 1 ) 我国模具设计与制造的现状 八十年代以来，我国模具工业每年以1 5 的增长速度快速发展，尤其是集体和 私营的模具企业在广东和浙江等省发展最为迅速。许多研究机构和大专院校都开展 华中科技大学硕士学位论文 了模具技术的研究和开发。目前，从事模具技术研究的机构和院校已达3 0 余家，从 事模具技术教育和培训的院校已超过5 0 家。这说明人们已经越来越认识到模具在制 造业中的重要基础地位1 5 1 。但是，我国的模具工业与工业发达国家相比还有较大差距， 这体现在： 1 ) 地区发展不平衡 东部地区模具制造水平较高，些大集团公司在塑料模具制造方面已与国外 水平相当。但内地模具制造水平较低，许多中小型企业模具制造仍然停留在手工制 造木模的低级阶段。由于我国幅员辽阔，内地与沿海交流不方便。所以尽快提高内 地企业的模具水平、缩小差距是内地模具制造企业走出困境的当务之急。 2 ) 设备、技术落后 精密加工设备在模具设备中的比重还比较低，大多数模具制造企业处于小作坊 阶段。c a d c a e c a m 技术的普及率不高，在内地中小型企业中，c a d 设计水平多 数处于二维c a d 应用水平，三维c a d 软件应用不普及，更不用说c a d c a e c a m 一体化。许多先进的模具技术应用还不够广泛，内地企业中应用快速原型、快速制 造模具技术的厂家不多。 ( 2 ) 模具设计制造的发展方向 尽管我国的模具技术水平不高，存在诸多问题，但是我们必须看到，我国的模 具工业正朝着良好的方向迈进。在模具设计与制造发展方向中，能够迅速转化为生 产的技术主要有以下三方面【6 】【7 】。 1 ) 在模具设计与制造中广泛应用c a d c a m c a e 技术 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ，简称c a d ) 是近4 0 年来形成的- - 1 7 新兴学科8 l 。c a d 是2 0 世纪全球最杰出的工程技术成果之一【9 】，起源于2 0 世纪5 0 年 代后期。在早期由于计算机软、硬件技术的限制，c a d 技术发展较慢，直到2 0 世纪 7 0 年代中期，由于计算机软、硬件技术的飞速发展，促进了c a d 技术的快速发展。 c a d 技术是先进制造技术的重要组成部分，是计算机在工程技术领域中最有影响的 应用技术之一。c a d 技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家工业现代化的重要 标志。应用c a d 技术对缩短新产品设计与制造周期有明显效果。统计资料表明，c a d 可以使机械产品的设计周期缩短6 5 0 一8 0 ，工艺周期缩短8 0 9 0 ，降低基建费 用1 0 3 0 ，改善经济技术指标1 0 2 5 。 目前c a d 技术正从二维向三维转移。直接用三维实体形式来描述设计对象是最 直观、方便省力的设计方式。过去由于计算机技术的限制，直接使用三维实体模型 很困难，不得不使用二维绘图软件。随着三维图形技术的发展，促进了三维c a d 技 6 华中科技大学硕士学位论文 术的应用。三维实体模型能够更直观、更全面地反映设计意图，并能做到在产品的 设计、计算分析、制造等各个环节上实现数据共享。在三维模型的基础上还可以进 行装配、干涉检查、有限元分析、运动分析等高级的计算机辅助设计工作。目前常 用的三维c a d 系统主要有：p t c 公司的p r o e n g i n e e r 、u g s 公司的u n i g r a p h i c s 、m a t r a d a t a v i s i o n 的e u c l i d 、c a t i a 、a u t o d e s k 的m d t 、s o l i d w o r k s 、s o l i d e d g e 、m a s t e r c a m 等。u n i g r a p h i c s ( 简称u o ) 是在模具行业应用较为广泛的软件系统。 我国的c a d c a e c a m 软件开发逐渐形成规模，铸造领域的有：凝固模拟、基 于三维c a d 软件的铸造工装系统等软件的开发。尽管国内c a d c a e c a m 方面取 得了很大的进步，但是由于这方面的研究人员既要掌握坚实的专业知识，又要掌握 牢固的计算机编程知识，这方面的工作还有很多值得去做。 2 ) 逐步推广高速数控铣削机床在模具加工中的应用【1 0 】 高速数控铣削机床是指主轴转速高达1 0 0 0 0 r m i n 的数控铣削机床，功率为数十 千瓦；进口高速数控铣削机床主轴转速高达2 0 0 0 0 4 0 0 0 0 r m i n ，功率一般为4 0 7 0 k w ； 定位精度普遍可达o 0 2 m m ；重复定位精度为o 0 1 m m 。高速加工不仅加工精度高， 加工质量十分稳定，而且加工生产率高。由于技术、成本各方面的限制，我国应用 高速数控铣削机床来制造模具的企业为数不多。 3 ) 大力发展快速原型制造( r p ) 和快速制造模具技术，实现模具的快速制造。 1 2 3r p ，r t 技术的发展现状 快速原形技术( r p ) 是一种基于离散堆积成形思想的新型成型技术，是计算机、 数控、激光和新材料等新技术的集成与发展，是先进制造技术的重要组成部分，是 由三维c a d 模型直接驱动的快速制造复杂形状三维物理实体的技术总称，是继计算 机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助制造( c a m ) 之后的又一项为制造带来巨大变革 的数字化制造技术。 ( 1 ) r p 的现状 8 0 年代中期，随着美国3 ds y s t e m 公司推出世界第一台商品化s l a 成形机，r p 技术产生并迅速得到了人们的广泛重视。r p 技术从产生到现在发展十分迅速，目前 世界上已经出现了几十种快速成形工艺f 1 1 - 1 8 1 ，而且新的成形工艺还在不断涌现，较 成熟的r p 成形工艺有：立体光刻造型法( s l a ，s t e r e o l i t h i g r a p h y ) 、选择性激光烧 结法( s l s ，s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ) 、熔丝沉积法( f d m ，f u s e dd e p o s i t i o n m a n u f a c t u r i n g ) 、分层物体制造法( l o m ，l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) 1 9 1 2 0 1 。 其中的分层实体制造技术即l o m 法由美国h e l i s y s 公司于1 9 9 1 年研制成功。同 华中科技大学硕士学位论文 时，由于其具有成本低廉、成型速度快、精度高、木质原型的美感强等特点，使该 技术发展迅速，并得到了广泛应用叫【2 2 】。l o m 法是通过激光切割纸质材料逐层叠加 堆积成形【纠【2 4 】，其基本原理如图1 1 。由于l o m 只需沿截面轮廓线切割一层一层的 薄片材料，无需对整个截面进行扫描成型，因此原型的成型速度快、生产率高，适 用于大中型零件原型的制造。加之l o m 的原型材料( 如纸等) 便宜，故目前用户的 占有率迅速增长。目前研究l o m 工艺的有华中科技大学、清华大学、k i r a 公司、s p a r x 公司和k i n e r g y 公司等。 图1 1l o m 机成型原理图 表1 3 可见r p 技术的比较结果： 表1 3 常见r p 工艺的优缺点比划2 5 】 ；窘精度震群茗翟震篡藉 s l a 好优较贵很高较高高较贵 s l s一般一般较贵很高较高一般较贵 f d m 较差较差较贵 很高一般较低较便宜 l o m 一般较差较便宜较差 较低高 较便宜 由此可以看出，l o m 具有成形速度快、生产效率高、可以制造较大的零件、原 材料价格便宜、整个运行成本较低等优点，同时，l o m 模外形、材料乃至强度都与 木模相似，而尺寸精度远高于手t n 作的木模。 ( 2 ) 快速制模( r t ) 技术的新进展 快速制模方法大致有直接制模法和间接制模法【2 6 】【2 7 】1 2 8 】。直接制模法是指在快速 原型机上直接制造金属模具，直接制模法在缩短制造周期、节能、省资源、发挥材 华中科技大学硕士学位论文 料性能、提高精度、降低成本等方面具有很大潜力，从而受到高度关注。但由于尺 寸范围及精度、表面质量、综合机械性能等方面存在问题，目前直接快速制造金属 模具离实用化尚有相当距离2 9 】【3 0 】。 间接制模法是指通过制造原型来翻制模具( 尤其是金属模具) 的方法。它是目 前最成熟的金属模具快速制造方法。目前具有竞争力的金属模具快速间接制造技术 主要有粉末烧结、电铸、铸造、熔射等。目前，翻制快速金属模具的铸造方法有两 种：陶瓷型精密铸造和转移涂料工艺【3 1 】【3 2 】。 1 ) 陶瓷型精密铸造法 基于陶瓷型的金属模具快速制造工艺是采用快速原型代替传统铸造模样进行陶 瓷型铸造，进而获得金属模具【3 3 1 。该工艺一般流程如图1 - 2 ： 图1 2 陶瓷型铸造工艺图 陶瓷型法翻制金属模具的精度较高、表面质量较好，但是工艺过程复杂，所需 的技术难点较多，陶瓷浆料配制、催化剂的配制、喷烧工艺、焙烧工艺都不容易掌 握。其焙烧温度一般在6 0 0 c 以上，这样需要的辅助设备较多，而且焙烧时间长达十 个小时左右。 2 ) 转移涂料工艺 转移涂料又称非占位涂料，其工作原理是将涂料直接喷涂到芯盒或模样表面， 然后填砂造型，紧实，使涂层和砂型( 砂芯) 在芯盒( 模样) 约束下同时固化。起 模时，涂料能从芯盒或模样表面转移到砂型( 砂芯) 上【3 4 1 。由于这种方法所形成的 涂层不占据砂型型腔的有效位置，故称为非占位涂料法。与传统的先造型( 芯) ，后 喷刷涂料的工艺相比，该方法克服了往砂型上刷、喷及浸出现刷痕、流淌、堆积、 流纹以及厚薄不均等缺陷而影响模具尺寸精度和表面光洁度等不足，能获得精确光 洁的铸件。其表面质量可与熔模铸造相媲美，成本相当于或略高于普通砂型铸造。 转移涂料的非占位性很适合用于铸造金属模具的制造。 非占位涂料技术兴起于2 0 世纪7 0 年代，是日本小松制作所提出的小松 ( k o m a t s u ) 一山西( y a m a n i s h d 法，简称k - - y 法【3 4 】。国内则是从9 0 年代初开始 研究非占位涂料技术的。根据硬化方式不同，转移涂料可分为如下几种。 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 热硬。通过外界加热使得涂料发生化学物理反应而硬化。一般可采用微 波加热或电阻丝加热。如最初的k y 法就是运用在热芯盒制芯上。沈阳铸造昕宋 会宗也曾对热芯盒加热硬化转移涂料进行了研究，华中科技大学彭亚荣曾对微波加 热硬化的转移涂料进行了探讨【j ”。 ( 2 ) 气硬。通过外界吹入气体( 如c 0 2 、s 0 2 等) 使得涂料硬化。该工艺在 铸造金属模具中应用较多。如上海交通大学采用吹入s 0 2 气体使涂料发生硬化反应， 该涂料获得专利，其专利号为9 6 1 1 6 2 2 2 8 。1 9 9 4 年他们研制出具有自主知识产权的 l s 法制模系统。该工艺基于s l s 法原型制造技术，然后采用无收缩硅橡胶，翻制出 硅橡胶模，在硅橡胶模上喷涂转移涂料，填砂造型，放入密封容器中通入s 0 2 气体 使涂料硬化，然后起模，浇注。该工艺以独特的涂层转移精密铸造方法制作了桑塔 纳车轮胎模、v 6 发动机模具、子午线轮胎模具。制得的模具表面光洁，尺寸精度高， 是一种很好的r t 工艺【j ”。 ( 3 ) 自硬。该种涂料无需吹气硬化或加热硬化，也不依靠溶剂挥发得到涂层 强度，而是通过自身内部化学反应硬化，简化了操作工序，提高了工作效率。这类 涂料采用水为载体，但涂料含水量较低。所以是一种较清洁，无害的涂料。哈尔滨 工业大学和沈阳铸造所研制的涂料就是该类型。将自硬转移涂料技术与r p 技术结合 制作铸造模具是当今最为流行的r t 工艺之一。 1 2 3 金属型铸造c a e 的发展状兄【l 】 计算机的广泛应用正从各方面推动着铸造业的发展和变革，它不仅可以提高生 产率和降低生产成本，同时又能促使新技术和新工艺的不断出现，使铸造生产正在 从主要靠经验走向科学理论指导生产的阶段。 凝固过程数值模拟就是计算机技术在铸造领域的一大应用。它是用数值计算方 法求解凝固成形的物理过程所对应的数学离散方程，并由计算机显示其计算结果的 新型技术。这项技术诞生至今已有3 0 多年，在近1 0 年获得了很大的发展，许多方 面已达到较高的实用化程度，成为提高铸造业水平和铸件竞争能力的关键技术之一， 并涌现出很多的实用化c a e 软件，这些软件大都可以实现的目标有：预知凝固时间、 开箱时间、确定生产率；预测缩孔和缩松形成的位置和大小；预知铸型的表面及内 部的温度分布，方便铸型( 特别是金属型) 的设计；控制凝固条件，为预测铸件应 力、微观及宏观偏析、铸件性能等提供必要的依据和分析计算的数据。凝固过程数 值模拟不仅可以形象地显示液态充填型腔过程以及金属液在型腔中冷却凝固的进 程，还可预测可能产生的缺陷，因此可在制造计划现场实施前，综合评价各种工艺 华中科技大学硕士学位论文 方案和参数，优化工艺方案，取代或减少现场试制，这对大型复杂形状或贵重材料 凝固成形铸件的生产，其优越性和经济效益尤为突出。由于凝固过程数值模拟可以 揭示许多物理本质过程，所以也促进了凝固理论的发展，近年来研究和发展的微观 组织模拟，可预测晶粒大小和力学性能，可望在不久的将来用于生产实际。 从实用的c a e 软件数量来看，国外在这项技术上已经相当成熟，不仅在软件的 开发上超过了国内的水平，而且在软件的推广上也大大超过了国内的应用程度。同 时，从对数家企业的调研情况来看，随着w t o 的行进，国内企业与国外企业的合作 在铸造领域也越来越频繁，在合作过程中外企业都是以本地企业的运作方式来要求 国内企业的，这就迫使国内企业要吸收铸造新技术以完成和国外企业的合作，促进 了国内铸造c a e 技术的开发和国内企业对铸造c a e 技术的吸收。 1 3 本论文研究的内容和目标 针对上面所提到的金属型的发展现状及趋势，适应市场经济快速的变化节奏， 适应新技术发展的局面，本论文以三维c a d 软件u g 和华铸c a e 凝固模拟软件为支 撑，开展了铝合金金属型铸造优化设计的研究，具体内容如下： ( 1 ) 开展三维造型软件和凝固模拟软件在铝合金金属型设计和优化上的应用， 加快金属型铸造设计进程，使铸造工艺设计科学化，降低风险。 ( 2 ) 开展快速原型和转移涂料技术在金属型模具快速制造上的应用，缩短模具 制作周期。 ( 3 ) 开展金属型模具用材料、模具结构和模具表面保护的研究，尝试用铝质金 属型模具浇注铝合金铸件的工艺，提高铝合金铸件质量。 华中科技大学硕士学位论文 方案和参数，优化工艺方案，取代或减少现场试制，这对大型复杂形状或贵重材料 凝固成形铸件的生产，其优越性和经济效益尤为突出。由于凝固过程数值模拟可以 揭示许多物理本质过程，所以也促进了凝固理论的发展，近年来研究和发展的微观 组织模拟，可预测晶粒大小和力学性能，可望在不久的将来用于生产实际。 从实用的c a e 软件数量来看，国外在这项技术上已经相当成熟，不仅在软件的 开发上超过了国内的水平，而且在软件的推广上也大大超过了国内的应用程度。同 时，从对数家企业的调研情况来看，随着w t o 的行进，国内企业与国外企业的合作 在铸造领域也越来越频繁，在合作过程中外企业都是以本地企业的运作方式来要求 国内企业的，这就迫使国内企业要吸收铸造新技术以完成和国外企业的合作，促进 了国内铸造c a e 技术的开发和国内企业对铸造c a e 技术的吸收。 1 3 本论文研究的内容和目标 针对上面所提到的金属型的发展现状及趋势，适应市场经济快速的变化节奏， 适应新技术发展的局面，本论文以三维c a d 软件u g 和华铸c a e 凝固模拟软件为支 撑，开展了铝合金金属型铸造优化设计的研究，具体内容如下： ( 1 ) 开展三维造型软件和凝固模拟软件在铝合金金属型设计和优化上的应用， 加快金属型铸造设计进程，使铸造工艺设计科学化，降低风险。 ( 2 ) 开展快速原型和转移涂料技术在金属型模具快速制造上的应用，缩短模具 制作周期。 ( 3 ) 开展金属型模具用材料、模具结构和模具表面保护的研究，尝试用铝质金 属型模具浇注铝合金铸件的工艺，提高铝合金铸件质量。 华中科技大学硕士学位论文 2 华铸c a e 软件的应用【3 7 】 随着计算机技术在铸造领域的深入，计算机数值模拟技术已经成为铸造界研究 与开发的热门，其中计算机凝固模拟技术则走在了铸造新技术的最前沿。近1 0 年内 该项技术获得了巨大的发展，主要的铸造用c a e 软件如表2 1 所示： 表2 - 1几种主要的凝固模拟软件【3 8 j 软件开发计算 分析类型 造 流凝应微 接 计算 名称单位方法平台 适用范围 型动固力观 口 有限 工作压铸，低压，砂型， m a g m a德国 差分站金属型，消失模 连铸，压铸，低压， 有限p c 砂型，金属型， p r o c a s t美国 兀u i l i x消失模，离心，流变， 倾斜 清华 有限 p c f t s t a r 工作压铸，低压 大学差分 站 f l o w 一3 d 有限 p c 压铸，低压， 美国 差分 u i l i x 离心，消失模 有限 p c ， 砂型，金属型，压铸， a n s y s 美国 工作 兀 低压，消失模 站 日本有限工作 s o l d i a 多数铸造工艺 小松差分站 华中 p c 压铸，低压，砂型， 华铸c a e科技 有限 工作 差分金属型，熔模 大学站 本课题引进的是华铸c a e i n t e c a s t 集成系统。该系统是分析和优化铸造工艺的 重要工具，能完成多种合金材质( 包括铸钢、球铁、灰铁、铸造铝合金、铜合金等) 、 多种铸造方法( 包括砂型铸造、金属型铸造、压铸、低压铸造、熔模铸造等) 下铸 件的凝固分析、流动分析及流动和传热耦合计算分析，在预测铸件缩孔缩松缺陷的 倾向、改进和优化工艺，提高产品质量，降低废品率、减少浇冒口消耗，提高工艺 出口率、缩短产品试制周期，降低生产成本、减少工艺设计对经验人员的依赖，保 1 2 华中科技大学硕士学位论文 持工艺设计水平稳定等诸多方面有明显效果。但从该软件的目前用户来看，其使用 主要是在砂型铸造、低压铸造上，很少涉及金属型铸造，本课题研究的就是将其应 用于金属型铸造的优化设计。 由于铸造充型过程和凝固过程是一个由紊流流动、传热与凝固所控制的复杂的 瞬态过程，到目前为止还没有一个能准确描述它的数学模型。华铸c a e i n t e c a s t 软 件是在一系列的数理方程的基础上，采用有限差分的计算方法来模拟铸造充型过程 和凝固过程的。 2 1 华铸c a e 软件前处理模块 前处理模块是软件的一个重要模块。它既是一个通过s t l 文件接收其它c a d 软件数据的接口，也是一个通过m a t 文件为后续计算处理模块服务的出口。 2 1 1s t l 输出 s t l ( s t e r e o l i t h o g r a p h y ) 是为快速原型制造r p m ( r a p i dp r o t o t y p em a n u f a c t u r e ) 服务的文件格式，是由美国3 ds y s t e m s 公司于1 9 8 8 年制定的一个接口协议，由 3 3 个c a d 软件公司共同制定，被工业界认为是目前的准标准。r p m 技术问世后， 各商用c a d 软件公司纷纷推出了带有s t l 文件输出格式的软件包，包括基于工作 站与微机的软件系统。这种文件格式类似于有限元的网格划分，它将物体表面划分 成很多小三角形，用这些空间三角形小平面来逼近原c a d 实体。文件的数据结构非 常简单，而且独立于c a d 系统。s t l 有文本格式及二进制两种格式f 3 9 】。 华铸c a e 是基于真三维的铸造过程分析的优化系统，可以通过s t l 接口与目前 很多流行的三维c a d 系统( 包括a u t o c a d 、m d t 、u g - i i 、s o l i d e d g e 、 p r o e n g 矾e e r 、i d e a s 、c a d a m 、s o l i d w o r k s 、e u c l i d 、c a n a 以及国内的“金 银花、i n t e c a s t 等) 进行数据交换。本论文使用u g 三维c a d 软件为华铸c a e 提 供这种准标准的s t l 文件，图2 1 是u g 中s t l 文件的输出流程。 f 1 ) s t l 输出功能菜单b ) s t l 精度控制菜单c ) s t l 文件名菜单 图2 1s t l 输出流程 华中科技大学硕士学位论文 持工艺设计水平稳定等诸多方面有明显效果。但从该软件的目前用户来看，其使用 主要是在砂型铸造、低压铸造上，很少涉及金属型铸造，本课题研究的就是将其应 用于金属型铸造的优化设计。 由于铸造充型过程和凝固过程是一个由紊流流动、传热与凝固所控制的复杂的 瞬态过程，到目前为止还没有一个能准确描述它的数学模型。华铸c a e i n t e c a s t 软 件是在一系列的数理方程的基础上，采用有限差分的计算方法来模拟铸造充型过程 和凝固过程的。 2 1 华铸c a e 软件前处理模块 前处理模块是软件的一个重要模块。它既是一个通过s t l 文件接收其它c a d 软件数据的接口，也是一个通过m a t 文件为后续计算处理模块服务的出口。 2 1 1s t l 输出 s t l ( s t e r e o l i t h o g r a p h y ) 是为快速原型制造r p m ( r a p i dp r o t o t y p em a n u f a c t u r e ) 服务的文件格式，是由美国3 ds y s t e m s 公司于1 9 8 8 年制定的一个接口协议，由 3 3 个c a d 软件公司共同制定，被工业界认为是目前的准标准。r p m 技术问世后， 各商用c a d 软件公司纷纷推出了带有s t l 文件输出格式的软件包，包括基于工作 站与微机的软件系统。这种文件格式类似于有限元的网格划分，它将物体表面划分 成很多小三角形，用这些空间