一种经济的快速制造精铸件方法探讨
摘要 探讨根据产品三维数字模型经济快速地批量制造精密铸件的方法。介绍了利用快速成型设备烧结树脂实型后翻制硅橡胶模，利用硅橡胶模快速、批量生产精铸件蜡模；比较了几种快速制造方法的经济性，表明快速原型技术结合硅橡胶模技术是精密铸造领域快速提交样件、综合成本较低的一种新方法。
关键词硅橡胶模；快速成型；熔模精密铸造；快速制造
前言
为快速响应市场新产品开放要求，快速原型制造技术（RPM）在国内精铸行业已被诸如东风精密铸造有限公司等少数大型精铸企业掌握并应用。利用快速原型技术，能在接到客户图纸后5天以内提交产品样件，这在一定程度上提高了企业市场应变能力和市场竞争实力。
对于一般精密铸件，根据东风精密铸造有限公司统计分析，快速原型技术适于客户首次需求样件在10件以下，这时在制造成本、生产周期上都能发挥优势；但经常有客户首次需求样件或装车急件数量在30～100件，如果再利用快速原型技术生产，其生产周期、制造成本上都不划算。
硅橡胶模技术结合快速成型技术应用于一般蜡料取模，能很好的解决以上所述问题。
1快速成型技术与硅橡胶模技术
1.1快速原型技术及其制造成本优势
图1为选择性激光烧结（SLS）快速成型机，图2为该快速原型机烧结PSB粉后形成的产品模型。
为快速提交客户样件，无需制作合金模具，而利用快速原型设备烧结而成的PSB模型直接涂料、撒砂，按常规工艺制壳后经焙烧，PSB模型会被燃烧，然后往模壳内浇注钢水，成型铸件。
快速原型设备自带的工作软件能直接把各种常用的CAD造型，如PRO/E、UG、CATIA等软件设计的三位造型直接转化成设备可以识别的格式（*.stl），并按用户设定的质量要求进行PSB粉末烧结，烧结速度越快，表面质量越低。
图3所示某汽车牵引座，东风精密铸造有限公司利用SLS快速原型机烧结时，模型STL文件弦高百分比为0.15，切片厚度选择0.1mm，一次烧结两件，整个模型烧结完成用时为9小时，按东风精密铸造有限公司快速成型设备近三年运行费用统计分析，模型烧结成本平均为108元/小时，那么图3所示2件汽车牵引座PSB模型的制作成本在1000元附近。上述产品如果制作合金模具，费用在5000元以上，同时获得蜡模的周期大于5天，与快速原型技术相比之下，其劣势捉襟见肘。
1.2快速原型技术与硅橡胶模技术的合力优势
快速原型技术在提供少数量样件时优势明显，然而一旦样件要求数量过多时就得不偿失。以上面牵引座为例，假如客户首次需10件样件，则PSB模型烧结成本为5000元左右，设备不停机也需耗时90个小时，即4天时间，这在优势体现上与制作合金模具已体现无多，客户需求更多（20件左右）样件或急件时，几乎没有优势。
硅橡胶模是理论上能成型所有复杂外型结构的阴模，同时硅橡胶模复印性好（人手指纹都能被清晰复印）、制作周期短（24h～12h）、使用寿命相对较长（500件以上），同时硅橡胶模使用温度可达100℃，对于灌注熔模铸造蜡模而言，高于蜡料的熔点，使用中也不会出现变形和老化的问题，所以利用硅橡胶模技术配合快速原型技术，能较好地解决以上提到的多样件或中批量急件需求的问题。总体思路如下：
对于图3所示产品，如果客户首次需求（或急需）样件20件，可按如下流程快速低成本达成客户要求：
（1）通过快速原型设备烧结样件PSB模型一个，7小时；
（2）利用真空注型机制造硅橡胶模具（20分钟）及硬化（90℃）12h；
（3）灌注蜡液至硅橡胶模，冷却成型时间3～5min/个，20件蜡模需时1～1.5h。总计蜡模制造时间20～21小时。
以图3产品之20件样件之蜡模制造为例，三种制造工艺成本与生产周期对比：表120件蜡模制作成本对比
成本（元）周期（天）
模具蜡模
（模型）总计模具蜡模
（模型）总计
合金模具+蜡模5000忽略50005忽略5
快速成型（RP）0
（三维造型）1000010000088
RP+硅橡胶模
+蜡模400+700
（RP+硅模）忽略110001.51.5
可见，硅橡胶模技术结合快速原型技术，具有非常明显的成本优势与效率优势。
2硅橡胶模制作工艺
下面介绍常见的两种硅橡胶模材料（如表2、表3）以及利用SLS激光快速原型机、ZK500真空注型机、MP6000型电子称等装备制作硅橡胶模阴模。
2.1原材料主要技术参数
表2ESSIL291树脂/ESSIL293LPL固化性能指标
物理特性
ESSIL291树脂ESSIL293LPL固化剂混合后
重量混合比100*10*
颜色半透明半透明透明
粘度于23℃
（mPa.s）50，00050040，000
密度（在25℃下）1.081.081.08
可操作时间在40℃下--30min
在23℃下--120min
脱模时间在40℃--8h
在23℃下--24h
表3聚氨脂树脂5073A+5075A/6414B固化性能指标
品名
项目 5075A+5073A混合系
主剂1 主剂2 固化剂
5075A 5073A 6414B
重量混合比 100* 100* 50*
可操作时间（25℃） 15～20min
脱模时间（25℃） 14～16h
外观颜色 干邑色
对于ESSIL291树脂+ESSIL293LPL固化剂而言，能且仅能通过10：1的配比固化成型：树脂过多，则会固化不充分有多余粘液；固化剂过多，则搅拌操作时间短，固化速度快且硬度高，不利后续分型。图5为ESSIL291树脂/ESSIL293LPL成型样件。
对于聚氨脂树脂5073A+5075A/6414B固化剂而言，两种主剂5073A、5075A能分别与固化剂6414B固化成型，但成型性差异很大：5075A/6414B（4：1）成型后硬度高、韧性差、易撕裂；5073A/6414B（4：1）成型后韧性高，强度低，易变形；经实验，两种主剂各施一半，再与一定比例固化剂混合成型，不仅强度、韧性适当，且搅拌操作时间相对较长，利于抽真空、浇注以及后续分模、取模。三种配比实验照片如图6。
2.2.1制作准备
（1）铸件实物或激光快速成型机烧结的PSB模型；
（2）透明（可用玻璃片焊接）模筐，用以盛纳硅橡胶粘液并成型硅模外
为方便取模，模筐可设置一定斜度。
模筐在使用前要清洗干净并晾干，不要在内壁擦拭有机润滑油，有机润
油能破坏硅橡胶模的正常硬化凝固。
2.2.2称量、配料
根据硅橡胶模体积大小及密度估算配料总重量，再根据表2或表3中硅橡胶ESSIL291/ESSIL293LPL或聚氨脂树脂5073A+5075A/6414B重量混合比例计算得各试剂加入量。
用MP6000型电子称分别称取所需试剂，倒置一个料杯内，左右搅拌30s左右，然后将料杯移至ZK500真空注型机，装上搅排，卡紧料杯。
2.2.3抽真空、灌注
把透明模筐置于料杯正下方（如图7），关闭真空注型机仓门，打开主机电源，打开搅拌器，立即打开真空泵抽真空。达到最大真空度后点击计时器开始计时，5～6min后料杯内混合液基本无明显气泡溢出，关闭搅拌器，关闭真空泵。转动真空注型机侧位控制把手，将料杯内混合液徐徐倒入透明模筐中，覆盖PSB模型并至一定厚度（视铸件大小而定）。
2.2.4固化、割模
硅橡胶混合液浇铸完后即可停机破真空，常温下硅橡胶混合液固化时间较长，如表2、表3所示，为提高硅橡胶模固化速度，可将盛满混合液的透明模筐放至烘箱，在70℃～90℃之间保温6～8h，即可固化脱模。
本文所述硅橡胶色泽光亮、透明，对于其分型提供了非常大的便利。硅橡胶模具分型一般通过手术刀将其隔开，但再割开前，应先使用合适直径的空心钢管在硅橡胶上开一指向PSB模型的通孔，再开一倒锥形槽，用作后面的注蜡道在切割硅橡胶模具时最好能用铅笔设计好分模线，再行切割，切割时注意成锯齿型，便于上下模具合模时不会错模。
隔开硅橡胶，取出里面的PSB模型或铸件，一套硅橡胶模具（上模、下模）就做好了。
3蜡模制作
按锯齿合上硅橡胶模具，并用订书针缝合上下模。把准备好的蜡液倒入注射针筒（针筒外裹一层隔热棉，既防止蜡液散热过快，又防止烫手），手工给注射针筒一定压力，快速将蜡液压入硅橡胶模。因为硅橡胶模透明，可以目测整个蜡液充型过程，在充满型腔后，适当控制注射压力，稳压5～10s。
为防治注射蜡液时压力过大，硅橡胶模错模、脱模，注射前还可以将硅橡胶模用辅具固定。
硅胶胶模具导热性差，为加速蜡液在模具里的凝固，可将其放入循环冷却水池；在设计硅橡胶模具之初，应考虑减小模具周身厚度，减小蜡模与冷却水中间的热传导距离。
一般2～3min后蜡模基本固化成型，打开硅橡胶模具，保留蜡模在一侧模具里继续水冷1min后取出蜡模。（如图8）
4待探讨的问题
硅橡胶模是具有很好韧性的软模，在高压注蜡时局部会发生鼓胀变形。手工给压或重力灌注能减少鼓胀变形产生，但：
（1）低压力下的蜡模收缩率及收缩的稳定性值得探究。
（2）蜡模致密度不如射蜡机合金模具制作出的蜡模致密度高，蜡模强度略低，在制作体积较大蜡模后，潜在与蜡棒焊接组树掉件的风险。
5结论
（1）快速原型技术是快速提供客户样件、快速响应市场的有力措施，与普通生产方式比，具有明显的成本优势；
（2）利用快速原型技术结合硅橡胶模技术可以较好的解决客户样件需求过多、市场加急订单的制造成本问题；
（3）快速原型技术结合硅橡胶模技术针对某些特定结构的产品采用重力灌注或手工施压注射蜡液的方式，能获得较好质量的蜡模；对复杂结构或体积较大的零件，需进一步探讨解决办法。
参考文献
1王广春.快速原型技术及其运用.化学工业出版社.2006.3.
2杨祖孝.柳涛快速原型技术及在模具制造中的应用机械工程师.1999.1
3潘东杰黄列群等.快速成形—先进的现代制造技术铸造技术.1999.4
4余承业基于选择性激光烧结的铸造熔模快速制造技术铸造2000.12
