1 國內(nèi)外研究開發(fā)現(xiàn)狀
1.1 母模的快速制造技術(shù)[1-4]
快速制造(rapid manufacturing，簡稱RM)是基于離散－堆積成形原理的先進制造技術(shù)的總稱。英國Loughborough大學(xué)的P.M.Dickens等人指出，RM最重要的獲益是：①產(chǎn)品制造工藝簡單；②產(chǎn)品制造時間縮短；③產(chǎn)品的制造成本降低。實際上，RM還具有增加產(chǎn)品設(shè)計自由度、實行及時制造和異地制造等好處。
目前，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品開發(fā)在制造業(yè)發(fā)展中占據(jù)核心地位，圍繞這個方面，研究如何應(yīng)用快速制造技術(shù)顯得非常重要。其中，快速原型技術(shù)（rapid prototyping ，簡稱RP）是RM大家族中最先產(chǎn)生的制造技術(shù),每年的RP發(fā)展報告中，T. T. Wohlers都強調(diào)RM的重要性。
因此，陶瓷型鑄造用母模制造也應(yīng)與快速制造技術(shù)緊密結(jié)合起來。美國3D Systems公司推出的一種Quick Casting工藝，它利用立體光刻(SLA)工藝獲得零件/模具的半中空RP原型，然后在原型的外表面掛漿，使一定厚度和粒度的陶瓷殼層緊緊地包裹在原型的外面，再放入高溫爐中燒掉半中空原型，得到中空的陶瓷型殼，即可用于精密鑄造。澆鑄后得到的金屬模具還需進行必要的機加工，使其表面質(zhì)量和尺寸精度達到要求。該方法的優(yōu)點是用SLA原型代替原來精密鑄造中的蠟型，從而大大提高了鑄造原型的精度，并大大加快了制造速度。國內(nèi)采用西安交通大學(xué)激光快速成型中心的SLA-RP（600）系統(tǒng)制造的快速成型樹脂模和陶瓷型精密鑄造技術(shù)結(jié)合，所生產(chǎn)的金屬（ZG25）模具尺寸精度達國家標(biāo)準(zhǔn)CT3～4級，表面粗糙度Ra3.2μm，可用于實際生產(chǎn)。清華大學(xué)也生產(chǎn)出LOM1015型機器，以LOM紙原型為母模，采用成熟的陶瓷型工藝，成功生產(chǎn)出合金鑄鐵汽車空壓機蓋的沖壓模具鑲塊。清華大學(xué)還提出無焙燒陶瓷型制模(unbaked ceramic mould tooling)，該技術(shù)首先以RP原型為母模，將RP原型翻制為硅膠模，再由硅膠模翻制陶瓷型，通過陶瓷型精鑄得到金屬模具。另外，他們還設(shè)計制造了超大型的LOM-1600分層實體制造系統(tǒng)，其成型空間為1600mm×800mm×700mm,為實現(xiàn)大型模具快速制造奠定了基礎(chǔ)。
1.2 硅酸乙酯無酒精水解工藝
⑴ 粉液混合無酒精水解工藝[5-7]
該工藝可不用酒精溶劑，而是用耐火粉料作分散介質(zhì)，使硅酸乙酯與水在耐火材料表面潤濕，充分接觸，在催化劑的作用下水解。如銅陵金輝銅工藝品有限責(zé)任公司應(yīng)用該工藝成功鑄造了1.38m高的毗盧遮娜佛銅像等。
⑵ 超聲波攪拌無酒精水解工藝[8]
應(yīng)用超聲波攪拌硅酸乙酯和水的混合液體，液體劇烈翻騰，產(chǎn)生大量的小氣泡，實現(xiàn)兩者“無限”互溶，在催化劑作用下，硅酸乙酯充分水解。如采用該工藝制造的子午線輪胎模具，品質(zhì)達到技術(shù)要求等。
1.3 陶瓷型制備新工藝
近年來，西北工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、重慶大學(xué)及武漢機械工藝研究所等大專院校和科研單位相繼開展了陶瓷型制備新工藝的研究，如薄壁陶瓷型、涂敷漿砂制備陶瓷型、噴涂法制備陶瓷型和復(fù)合陶瓷型等[9-12]，如表1所示。
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Tab.1 Some new ceramic mold prepare process
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名稱
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特點
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生產(chǎn)實踐
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薄壁
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1.可降低陶瓷型的厚度、熱阻和收縮率；
2.可提高陶瓷型的冷卻速度、強度、表面質(zhì)量和尺寸精度。
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汽車萬向節(jié)熱鍛模、自行車曲柄輥鍛模、大型葉輪等。
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涂敷漿砂
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1.可隨型操作，造型不受產(chǎn)品大小和形狀的限制；
2.澆注不受合金種類的限制；
3.應(yīng)用范圍廣、工藝操作簡單和生產(chǎn)成本低。
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武漢21t千年吉祥鐘、地藏菩薩銅像、中華和鐘的中央大鐔鐘等。
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噴涂法
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1.可節(jié)省陶瓷漿料、陶瓷型薄且厚度均勻；
2.陶瓷型表面粗糙度低；
3.可避免產(chǎn)生氣泡，適合大型模具制造。
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復(fù)合
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1.可縮短成型周期；
2.降低生產(chǎn)成本。
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2 陶瓷型鑄造的發(fā)展趨勢
當(dāng)前，工業(yè)生產(chǎn)的特點是產(chǎn)品品種多、更新快和市場競爭激烈等。因此，陶瓷型鑄造技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，21世紀(jì)陶瓷型鑄造將沿著如下幾個方向發(fā)展：
2.1 普及CAD技術(shù)，結(jié)合快速原型制造（RPM）技術(shù)的母模制造
根據(jù)零件CAD模型，快速自動完成復(fù)雜的三維實體(模型)制造PRM技術(shù)可直接或間接用于模具制造，具有技術(shù)先進、成本較低、設(shè)計制造周期短和精度適中等特點。從模具的概念設(shè)計到制造完成，僅為傳統(tǒng)加工方法所需時間的1/3和成本的1/4左右。因此，陶瓷型鑄造與快速原型制造技術(shù)結(jié)合，將是陶瓷型鑄造技術(shù)進一步深入發(fā)展的方向。
2.2 陶瓷型制備新工藝
目前，陶瓷型制備新工藝中應(yīng)用最廣泛的應(yīng)屬薄壁陶瓷型，其次涂敷漿砂制備陶瓷型也得到了較好的推廣，還有噴涂法制備陶瓷型和復(fù)合陶瓷型等，見表1。
2.3 結(jié)合實型鑄造的制備工藝
實型鑄造是近幾年發(fā)展起來的一種精密成型技術(shù)，用泡末聚苯乙烯塑料代替鑄模進行造型，生產(chǎn)的鑄件品質(zhì)較好，鑄件壁厚公差達到0.15 mm，表面粗糙度Ra25μm。在模具制造過程中，有較高技術(shù)要求且非加工的型腔采用陶瓷型鑄造工藝，其余部分可以采用實型鑄造工藝，這樣，既保證了重要工作面的粗糙度和尺寸精度，又簡化了制造工藝。
2.4 研磨拋光技術(shù)的應(yīng)用
模具表面品質(zhì)對模具使用壽命、制作外觀品質(zhì)等方面均有較大影響，我國目前仍以手工研磨拋光為主，品質(zhì)不穩(wěn)定，故采用機械拋光為好。而數(shù)控研磨機可實現(xiàn)三維曲面模具的自動化研磨拋光，特種研磨與拋光方法如擠壓衍磨、電化學(xué)拋光、超聲拋光以及復(fù)合拋光等效果更好，可以明顯提高模具的表面品質(zhì)。
2.5 可替代硅酸乙酯水解液粘結(jié)劑的開發(fā)及應(yīng)用研究
20世紀(jì)60年代，硅溶膠作為粘結(jié)劑應(yīng)用于鑄造領(lǐng)域，立即以其無可比擬的優(yōu)勢逐步取代了曾經(jīng)廣泛使用的制備工藝復(fù)雜、有污染和成本高的硅酸乙酯水解液[13，14]。從此，英、美、法、日等國的熔模鑄造業(yè)迅速而廣泛地采用硅溶膠，就連一直堅持采用硅酸乙酯水解液的俄國從80年代末就慢慢采用硅溶膠，并取得了良好的效果。目前，國外已經(jīng)廣泛應(yīng)用硅溶膠于熔模鑄造中，而因硅溶膠是水基粘結(jié)劑，其漿料的膠凝硬化時間很長且不易脫模等影響它在陶瓷型鑄造中的應(yīng)用。有少數(shù)關(guān)于以硅溶膠為粘結(jié)劑可澆注成型陶瓷型芯的報道[15，16]。
硅溶膠以其獨特的優(yōu)點（如價格低廉、無需水解工序，不存在VOC問題、生產(chǎn)工藝簡單、漿料性能穩(wěn)定和廢棄的陶瓷漿料可重復(fù)利用[17]等）受到大多數(shù)專家和鑄造企業(yè)的廣泛青睞，一系列的快干硅溶膠應(yīng)運而生。1994年杜邦公司首先推出Ludox® SK系列硅溶膠，1997年Rolls Royce公司采用Ludox® SK系列硅溶膠進行大量生產(chǎn)；其次是Remet公司的Remasol® ADBOND系列，特別是2001年推出的ADBOND® 3301；1997年清華大學(xué)和宇達化工有限公司合作開發(fā)研制了FS-30快干硅溶膠（現(xiàn)稱FS-Ⅰ），隨后的FS-Ⅱ和FS-Ⅲ型快干硅溶膠，東莞某公司SKP-27型快干硅溶膠等[18-24]。
綜上所述，硅溶膠和快干硅溶膠都是熔模鑄造目前應(yīng)用較廣泛也是較合適的粘結(jié)劑，是硅酸乙酯水解液良好替代品。因此，硅溶膠和快干硅溶膠即將也是陶瓷型鑄造較合適的粘結(jié)劑。
參考文獻
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