数字化无模铸造精密成形机

数字化无模铸造精密成形图

　　2012年春季的一天，机械科学研究总院先进制造技术研究中心主任单忠德教授告诉记者，“数字化无模铸造精密成形机”今年预计推广应用30台，亚洲欧洲亦有橄榄枝抛来，这种装备可在两天内制作出以前需要1—2个月才能完成的砂型，在单件小批量铸件及铸造模具开发生产中彻底将铸造工艺中的木模抛弃，在铸造行业中推广应用，将会节约大量木材和金属，挽救成千上万棵树。

　　2008年的一个周五，上述技术的发明者单忠德收到中国一汽的一个铸件图纸，对方希望能够采用数字化无模铸造技术进行砂型制造的测试，表示如果能在两天后的周一，依据图纸制出该铸件的合格砂型，中国一汽将启动购置设备谈判。两天后？按照传统铸造工艺，通常需要30—45天甚至更长时间！结果是，周一单忠德带领的研发团队把砂型摆在了谈判客户面前。

　　这是一场革命，这是科技的力量。

　　铸造 不得不说的话

　　更好的综合性能，更高的精度，更少的余量，更好的表面质量，更复杂的结构，同时，节能降耗减少污染也是现代制造业的迫切要求

　　铸造有着数千年的历史，“干将莫邪”“铸钟娘娘”的传说里都有着对铸造工艺的描述；去年热映的电影《钢的琴》里那架“钢琴”的琴体也是由铁水铸成。

　　在几千年历史河水的冲刷中，铸造工艺几乎从未被改变过。以应用最广泛的砂型铸造为例，先根据图样做出木模（或金属模），再放入砂箱填型做出砂型，后将熔化的金属浇灌入砂型空腔，冷却凝固获得铸件。从祖辈手中的烟袋锅子，到现代汽车的发动机缸体，铸件几乎都是出自这种工艺。

　　整个过程环节较多，需预留工艺补正量，并且尺寸精度差，人为影响因素很大，因为大部分都是以二维图纸为基础进行设计制造。

　　随着汽车机床等现今制造业技术的高速进步，以及核电航空航天国防军工等重大装备和重大工程的实施，铸造产品发展的趋势要求更好的综合性能，更高的精度，更少的余量，更好的表面质量，更复杂的结构。同时，节能降耗减少污染也是现代制造业的迫切要求。

　　反观传统铸造工艺，为了达到要求，木模金属模等的制作过程耗时耗力，动辄以月为单位的开发周期，拖了制造后腿。

　　另外，单忠德告诉记者：“铸造生产中，砂型铸造应用最广泛，世界上大约80%的铸件都采用木模金属模等进行砂型铸造。”目前，我国有3万多家的铸造企业，2011年我国铸件年产量超过了4000万吨，消耗了大量木材和金属。

　　革命 从不要木模开始

　　其实就是复杂金属件制造的“无模化柔性化数字化精密化绿色化和智能化”

　　在提高产品开发效率和降低能耗的呼声中，铸造工艺应该做出怎样的改变？

　　单忠德及其团队开发的数字化无模铸造精密成形技术及装备，直接从砂型加工入手。记者在现场见到了一座白色小房子“数字化无模铸造精密成形机”。“小房子”内部，有一个类似龙门铣床的架构，一把刀头垂直地对着一块待切削的砂型。

　　技术人员所需要做的很简单，先用电脑将所需铸件的三维CAD模型做出来，自动规划路径后输入到无模铸造精密成形机，然后，就等着看刀头的“机器舞”吧。

　　刀头会按照程序设定的轨迹移动，或上或下，或左或右，或浅或深这是一种精密机械独有的运动美感。经过一番切削后，一个完美的砂型得以呈现。这个过程，最快只需要几个小时，这点时间比起动辄以月为单位的开发周期，几乎可以忽略不计。

　　看过数控机床的刀头上下翻飞雕琢一个金属件的朋友，也许会在无模铸造精密成形机前体味到异曲同工之妙。

　　但你所不知道的是，由于是对型砂直接切削加工，因此存在着复杂薄壁砂型加工易出现坍塌且表面粗糙高速旋转的刀具加工砂型易磨损或崩刃，加工的废砂如何及时清除及刀具冷却等诸多问题。

　　单忠德举例说，型砂质地粗糙，高速旋转的刀具与坚硬的型砂颗粒碰撞，普通刀头岂有不坏不崩之理？所以无模成形系列技术中，有一项就是专门的长寿命刀具研制。再有，切削型砂不可能用切削液给刀头降温，而产生粉尘又该如何处置？他们想到了在刀头周围创造出一个正负压环境，这样既解决了降温问题，又不至于让刀头起舞时“黄沙滚滚”。

　　据单忠德介绍，该项目创新提出铸型数控加工方法复杂薄壁件砂型配方刀具冷却和废砂排除一体化方法金属件自适应铸型制造及铸型坎合组装方法，创新地开发出具有自主知识产权的长寿命高速砂型加工刀具固化砂型加工工艺参数的专用高速高效开放式数控系统和数据接口管理软件刀具冷却和废砂排除一体化系统和系列化的无模铸造精密成形机。

　　以上这些成果总结起来，其实就是复杂金属件制造的“无模化柔性化数字化精密化绿色化和智能化”。

　　成效 用数字说话

　　不仅享受到时间节省和成本降低，重要的是使用该技术抢占了市场先机，由此所带来的收获更让人心潮澎湃

　　由于三维CAD模型直接驱动铸型制造，抛弃了传统的木模或金属模等模具，大大缩短了铸造流程，并实现了铸造行业的数字化，因此数字化无模铸造精密成形技术被称作是“铸造技术的革命”。

　　技术革命的效果就是，加工费用仅为有模方法的1/10左右，开发时间缩短了50%—80%，相应地制造成本降低了30%—50%。

　　如果你是一个铸造行业的从业人员，你应该可以体会到，不仅享受到时间节省和成本降低，重要的是使用该技术抢占了市场先机，由此所带来的收获更让人心潮澎湃。

　　如果你是一个铸造行业的从业人员，你还会注意到，型芯数字化加工，取消了拔模斜度，提高了零件的成形精度，同时减少了设计中的加工余量；型芯柔性化的设计和灵活多样组合，为设计和制造提供了充分自由度；另外，多种类激冷效果各异的型砂可构造自适应复合砂型。

　　如果在铸件开发及小批量生产中应用数字化无模铸造成形技术，将减少大量木材和金属的消耗，挽救成千上万棵树，成片的森林。同时，由于减少拔模斜度和加工余量，每吨铸件可平均减重3%，还将会节约大量金属和煤电，利于行业节能减排。

　　截止到2011年年底，单忠德团队先后在北京吉林长春山东烟台河南洛阳江苏常州和广西玉林等建立了7个数字化无模铸造精密成形技术与装备的应用示范基地。中国一汽中国一拖广西玉柴等企业已经采用该方法及装备，成功完成了轮毂齿轮壳体变速箱体进排气管发动机缸体等复杂铸件的开发，产生经济效益上亿元。

　　根据《中国铸造行业发展规划》，2015年中国的铸件总产量将达到5000万吨以上，年产值达到7500亿元以上，数字化无模铸造技术及装备将在汽车模具机床工程机械航空航天等领域应用前景广阔。