[01565640]基于粉末材料快速成形的复杂零件精铸技术

一、项目的意义　　精密铸造技术是零件成形的主要工艺方法。对于复杂结构零件，传统制造方法中蜡型或消失模需要使用模具制造，周期长成本高。尤其在复杂结构零件精密铸造中，由于零件复杂，模具难以成形，不得不进行结构简化或分体成形，使得复杂零件的制造速度和成形结构受到制约。因此，研发新的快速精密铸造技术是近净成形技术的重要任务。　　快速成形技术，采用增材制造原理，可以直接利用三维CAD数据，无需模具直接制造出空间形状任意复杂结构，它集成了计算机、激光、精密机械、材料、控制科学技术的最新发展，能自动而迅速地将设计思想转化为具有一定结构功能的实物原型，从而便于对产品设计进行快速评估、修改以及功能实验，有效地缩短了产品的研发周期，它是近20年来制造技术领域的重大突破，是先进制造技术的重要组成部分。　　快速成形技术制造的原型替代蜡型或消失模，与后续精密铸造工艺结合，形成了快速铸造技术。快速成形和铸造结合，能充分发挥快速成形制造复杂形状零件的能力，用其原型代替铸造中金属模具或模型，快速实现金属零件制造，极大地提高了生产效率和制造柔性，从而满足现代市场快速响应的要求。　　对于较大批量生产，用快速成形直接作为翻制模具来生产各种蜡型或消失模，经后续传统精铸工艺可得到所需的金属零件。此工艺经济、快捷，大大缩短了制造周期，促进铸造技术的进步，对铸造产品质量的提高，加速新产品的开发以及降低新产品投产时工装模具的费用等方面都有积极意义。　　在航空、航天、军工、汽车、机床等重点行业，其核心部件一般均为金属复杂结构零件，而且相当多的金属零件是非对称性的、有着不规则曲面或复杂内部结构的零件。这些复杂零件制造的基本问题体现在零件的材质、结构难以用现有的加工手段制造，或可以加工实现但效率低、周期长、导致生产成本高。复杂零件按空间形状可分为箱体类、壳体类、薄壁壳体类和异形零件，生产中从模具设计到加工制造是一个多环节的复杂过程。在传统铸造生产中，模板、芯盒、压蜡型、压铸模的制造往往采用机加工的方法来完成，有时还需要钳工进行修整，其周期长、耗资大，略有失误就可能会导致全部返工。特别是对一些形状复杂的铸件，如叶片、叶轮、发动机缸体和缸盖等，模具的制造更是一个难度非常大的过程，即使使用数控加工中心等昂贵的设备，在加工技术与工艺可行性方面仍存在很大困难。这些零件采用快速成形制件做精密铸件是最具发展前途的技术方向。美国、日本等企业高度重视快速铸造技术，已在航空航天、船舶、机床、汽车等相关领域获得广泛的应用，全欧400多家精铸厂家中，有93 %以上都使用快速成形技术，采用此项新技术，对于加速新产品开发和增强企业对市场的快速反应能力至关重要。　　综上所述，复杂零件快速铸造技术的研究，有着极为重要的现实意义。它可以解决复杂件制造的时间－成本制约瓶颈，大大缩短新产品的开发周期，支撑新产品快速制造开发，能有效提升企业集团、国家关键行业的核心竞争力，对制造业的长期发展具有战略意义。从快速铸造技术的基础看，主要涉及快速成形和铸造两个领域，而过去两个方面相互分割应用，难以体现其优势，因此将两者进行结合，拓展精密铸造的支撑技术，需要进行更多的共性技术研发和应用。　　本项目将重点从快速成形设备、成形材料、铸造工艺、精度控制和示范应用等五个方面开展研发与应用工作。以粉末材料激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS）快速成形技术为基础，研究更为低廉和高效的工艺、设备和材料，研究其与快速铸造工艺精度控制，建立满足新工艺的粉末材料激光烧结快速成形零件结构设计准则，保证粉末材料激光烧结快速成形制造过程中高精度、高效率、高强度和低耗材等目标的协调与统一；建立基于粉末材料激光烧结快速成形的复杂精密铸件快速制造工艺，解决型壳收缩和精度补偿等关键技术，获得适用于快速成形的精密铸造工艺，构建复杂精密铸件快速制造应用系统。　　本项目所研发的基于粉末材料激光烧结快速成形的的复杂零件快速精铸系统，可直接用于发动机缸体、缸盖、变速器壳体、离合器壳体、涡轮叶片、涡轮导向器、精密齿轮、机床精密铸件等精密零部件的快速精密铸造，保证复杂铸件成形精度和结构的完整性，达到提升零部件性能和开发效率的目的，并形成相关的技术标准与工艺规范，便于在装备制造业推广应用。　　二、预期解决的重大问题　　1、推动我国精密铸造技术向高端发展　　利用快速成形技术进行精密铸造是国际上净成形技术的一个新发展方向，该技术是解决目前精铸产品周期长、成本高、市场响应慢、柔性化差等问题一个关键技术。基于快速成形的复杂精密铸件制造技术建立在数字化制造、新材料、计算机技术、自动化技术、精密铸造技术、数值分析和模拟技术等多学科研究成果基础上，它尤其适合动力装备、航空、航天、汽车、机床等高端产品上关键零部件的制造。例如空心涡轮叶片、涡轮盘、发动机排气管、发动机缸体和缸盖，这些零部件开发与制造能力不足是我国产品与国外产品竞争中的根本差距。我国在普通精密铸造生产上方面具有成本低、无环保约束的竞争力，国外基本上不与我们竞争。但是在高端技术和产品上，国外对我国施行技术封锁。航空发动机上，大量的复杂精密零部件需要精密铸造实现净成形，我国主要技术还是沿用购买国外70年代的技术，根本无法与国外竞争，这一结果严重制约了我国航空产业发展和国防实力的提升，影响我国的国际地位。因此，抓住新技术发展的机遇，实现跨越发展，推动我国精密铸造技术向高端发展是本课题的研究的一个重要作用。　　2、实现装备工业中关键零部件的制造技术　　以关键零部件精密铸造为牵引，通过共性技术研究，提高技术水平与创新能力。在关键零部件中，涡轮空心叶片是高性能发电设备和航空发动机的核心部件，由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，英国Roll-Royce公司CEO Jhon Rose爵士称其为制造业“王冠上的明珠”。涡流冷却技术和气膜冷却技术应用使得叶片内部结构更加复杂。目前涡轮叶片的制造主要采取熔模铸造工艺。现有技术工艺过程复杂，产品开发周期长，成本高。由于型芯型壳分开成形，组合时易产生误差，造成叶片穿孔，成品率低，难以满足我国航空工业发展要求。对于大型陆用燃气轮机叶片，我国还没有完善的技术。三菱公司的一个一级热段空心叶片给中国的价格是30万元，更换一个需要60万元，一个叶轮盘上90多个叶片，价值近3000万元。因此，研发高端的精密铸造技术无论从经济和政治利益来看都是必不可少的任务。　　三、预期产品的市场分析或技术成果应用分析　　根据美国快速成形协会的《Wohlers Report 2009》对全球快速成形制造技术发展的报告。2007年国际上采用快速成形方法制造原型件产值达15亿美元。尤其在珠宝行业，快速成形制造技术占主要地位，有2000台快速制造系统在制造铸造原型，这些快速成形系统制造了200万珠宝原型件，直接创造了50亿美元的价值（不包括采用的宝石价值）。目前快速成形用于铸造原型的比例在快速成形技术应用比例占6.5%，用于制造模具占12.5%，这是一个不断发展的市场，还有巨大的发展空间。　　我国铸件产量从2000年起已连续6年位居世界第一，其中2008年各类铸件产量达2660万吨，占全球总产量的29.5%。但是目前我国的铸造企业在生产技术、设备、管理水平及精密铸件质量等方面与发达国家相比还存在较大差距。主要表现在精密铸件的表面粗糙度和尺寸精度要比国外低1-2级以上，“精铸不精”已是普遍现象，复杂结构精密铸件的制造存在一定的困难，缺乏关键功能零部件精密铸造技术和能力。例如空心涡轮叶片等技术含量高附加值高的铸件成品率一直不高，有些铸件只有10%。而这一技术已经成为影响我国航空发动机发展的一个瓶颈，直接影响我国的军事实力。在陆用燃气轮机中，三菱公司的一个一级热段空心叶片给中国的价格是30万元，更换一个需要60万元，一个叶轮盘上90多个叶片，价值近3000万元。因此，研发高端的精密铸造技术无论从经济和政治利益来看都是必不可少的任务。　　对于基于快速成形的快速精铸工艺，具有制造结构任意复杂、高精度的铸件能力，是铸造技术的一项新的突破，是对现有的铸造技术是一个有益补充。同时，新工艺流程短，投资小，周期短和生产成本低，非常适合单件、中小批量精密铸件生产，有助于提升新产品开发效率和竞争力，利用新技术将有助于扭转中国铸件在国际市场上技术含量不高、价格低廉的局面，使一批具有优势的铸造企业成为具有国际竞争力的企业、带动中国近净成形技术的发展。　　基于快速成形的快速精铸工艺将率先在课题组参与企业示范应用，完成如发动机缸体、缸盖、变速器壳体、离合器壳体、涡轮叶片、涡轮导向器、精密齿轮、中小尺寸机床精密铸件的快速精密铸造，将缩短单件、中小批量零件制造周期200％以上，降低生产成本50-100%，将带来显著的经济效益。　　四、基础条件和优势　　华中科技大学（原华中理工大学）快速制造中心是国内最早的从事快速成形技术研究的单位之一。中心依托“材料成形与模具技术国家重点实验室”，形成由机械工程、材料加工、自动控制、计算机、软件、激光、光机电一体化和新型材料等学科的教师、工程技术人员组成了多学科、多层次的队伍。先后承担完成数十项国家和省部级重点攻关项目、国家自然科学基金项目、863重大项目和与众多的企业合作承担工程项目，成功开发出系列不同类型的快速成形和快速制模设备及其配套的成形材料，获得国家科技进步二等奖多项、省部级一等奖3项、省部级二等奖和三等奖10多项、发明和实用新型专利近30余项，发表SCI、EI期刊论文300多篇，具有很强的研发实力，在国内外享有声誉。在快速成形及其精密铸造技术方面的具有良好的研发基础和推广应用能力。　　华中科技大学快速制造中心开发出了已经商品化的HRPS系列粉末材料快速成形设备，截止2008年底，国内外购买和使用本设备的用户已达200余家，并出口到俄罗斯和越南。为我国企业，特别是国防工业的快速发展作出了重要贡献。在精密铸造方面，根据精铸件的合金种类、尺寸大小及精度要求的不同，将粉末材料快速成形技术和多种铸造工艺联合使用，取得了良好的应用效果。前期研究工作，为基于基于粉末材料快速成形的复杂零件精铸技术研发奠定了良好的基础。