数字化无模铸造：引领铸造技术革命

　　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。

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　　权威认定：“技术水平达到国际领先”

　　2011年3月中国机械工业联合会组织同行专家成果鉴定结论为“开发的数字化无模铸造精密成形方法、关键技术及装备创新显著，技术水平达到国际领先”。目前申请了20多项国内外专利，获得10多项授权专利及软件登记，其中发明专利5项。2011年获得了北京市发明专利一等奖。

　　中国机械工程学会出版的《中国机械工程技术路线图》指出，“铸造过程数字化、信息化和智能化技术是铸造技术发展的重要方向，其目标是到2020年快速、直接成形技术用于无模造型、制芯、铸造工具，直到无模铸件直接制造。”

　　数字化无模铸造精密成形方法、关键技术和设备，提高装备制造业关键零部件自主创新设计及其技术制造水平，推动传统行业数字化、精密化、智能化、绿色化制造。对推进战略性新兴产业发展，提升企业的核心竞争力，促进机械装备制造业节能减排、清洁生产、大幅提升铸造行业技术水平具有重要战略意义。

　　■ 经典案例

　　中国一汽汽车零部件开发

　　中国一汽采用CAMTC-SMM数字化无模铸造技术及装备，完成了多种汽车零部件的快速开发试制。

　　图1、图2为齿轮壳体、前轮彀体件开发过程。其中轮毂铸轮廓尺寸560mm×370mm×185mm，齿轮外壳铸件轮廓尺寸560mm×370mm×185mm，从CAD模型到铸件，5天内均可全部完成。

　　(a) CAD模型 (b)砂模 (c)铸件

　　图1 轮毂铸件无模铸造

　　(a) CAD模型 (b)砂模 (c)铸件

　　图2 齿轮外壳铸件无模铸造

　　中国一拖缸盖铸件开发

　　中国一拖采用CAMTC-SMM数字化无模铸造技术及装备进行了多种复杂缸盖的快速开发。其中采用多块砂芯与外模组合方式，可以实现小尺寸高精度形状结构的型芯的快速加工成形。图3为某缸盖的开发过程图。

　　(a)外砂型 (b)内砂芯

　　(c)组合砂模 (d)铸件

　　图3 缸盖铸件无模铸造

　　广西玉柴柴油机缸体开发

　　广西玉柴采用CAMTC-SMM数字化无模铸造技术及装备，进行了柴油机复杂零部件开发。先后成功开发出1M曲轴箱、1M机体、1.35M机体等系列化柴油机部件，如图4所示。砂模加工时间仅用70小时左右，从CAD模型到铸件时间10天左右，产品开发周期缩短2/3以上。

　　(a)砂模 (b)铸件

　　图4 1M柴油机曲轴箱体无模铸造