2012年春季的一天，機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心主任單忠德教授告訴記者，“數(shù)字化無(wú)模鑄造精密成形機(jī)”今年預(yù)計(jì)推廣應(yīng)用30臺(tái)，亞洲、歐洲亦有橄欖枝拋來(lái)，這種裝備可在兩天內(nèi)制作出以前需要1—2個(gè)月才能完成的砂型，在單件小批量鑄件及鑄造模具開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中徹底將鑄造工藝中的木模拋棄，在鑄造行業(yè)中推廣應(yīng)用，將會(huì)節(jié)約大量木材和金屬，挽救成千上萬(wàn)棵樹(shù)。
2008年的一個(gè)周五，上述技術(shù)的發(fā)明者單忠德收到中國(guó)一汽的一個(gè)鑄件圖紙，對(duì)方希望能夠采用數(shù)字化無(wú)模鑄造技術(shù)進(jìn)行砂型制造的測(cè)試，表示如果能在兩天后的周一，依據(jù)圖紙制出該鑄件的合格砂型，中國(guó)一汽將啟動(dòng)購(gòu)置設(shè)備談判。兩天后?按照傳統(tǒng)鑄造工藝，通常需要30—45天甚至更長(zhǎng)時(shí)間!結(jié)果是，周一單忠德帶領(lǐng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)把砂型擺在了談判客戶面前。
這是一場(chǎng)革命，這是科技的力量。
鑄造 不得不說(shuō)的話
更好的綜合性能，更高的精度，更少的余量，更好的表面質(zhì)量，更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時(shí)，節(jié)能降耗、減少污染也是現(xiàn)代制造業(yè)的迫切要求
鑄造有著數(shù)千年的歷史，“干將莫邪”、“鑄鐘娘娘”的傳說(shuō)里都有著對(duì)鑄造工藝的描述;去年熱映的電影《鋼的琴》里那架“鋼琴”的琴體也是由鐵水鑄成。
在幾千年歷史河水的沖刷中，鑄造工藝幾乎從未被改變過(guò)。以應(yīng)用最廣泛的砂型鑄造為例，先根據(jù)圖樣做出木模(或金屬模)，再放入砂箱填型做出砂型，后將熔化的金屬澆灌入砂型空腔，冷卻凝固獲得鑄件。從祖輩手中的煙袋鍋?zhàn)樱浆F(xiàn)代汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，鑄件幾乎都是出自這種工藝。
整個(gè)過(guò)程環(huán)節(jié)較多，需預(yù)留工藝補(bǔ)正量，并且尺寸精度差，人為影響因素很大，因?yàn)榇蟛糠侄际且远S圖紙為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造。
隨著汽車、機(jī)床等現(xiàn)今制造業(yè)技術(shù)的高速進(jìn)步，以及核電、航空航天、國(guó)防軍工等重大裝備和重大工程的實(shí)施，鑄造產(chǎn)品發(fā)展的趨勢(shì)要求更好的綜合性能，更高的精度，更少的余量，更好的表面質(zhì)量，更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，節(jié)能降耗、減少污染也是現(xiàn)代制造業(yè)的迫切要求。
反觀傳統(tǒng)鑄造工藝，為了達(dá)到要求，木模、金屬模等的制作過(guò)程耗時(shí)耗力，動(dòng)輒以月為單位的開(kāi)發(fā)周期，拖了制造后腿。
另外，單忠德告訴記者：“鑄造生產(chǎn)中，砂型鑄造應(yīng)用最廣泛，世界上大約80%的鑄件都采用木模、金屬模等進(jìn)行砂型鑄造?！蹦壳埃覈?guó)有3萬(wàn)多家的鑄造企業(yè)，2011年我國(guó)鑄件年產(chǎn)量超過(guò)了4000萬(wàn)噸，消耗了大量木材和金屬。
革命 從不要木模開(kāi)始
其實(shí)就是復(fù)雜金屬件制造的“無(wú)?；?、柔性化、數(shù)字化、精密化、綠色化和智能化”
在提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率和降低能耗的呼聲中，鑄造工藝應(yīng)該做出怎樣的改變?
單忠德及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的數(shù)字化無(wú)模鑄造精密成形技術(shù)及裝備，直接從砂型加工入手。記者在現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)到了一座白色小房子——“數(shù)字化無(wú)模鑄造精密成形機(jī)”?！靶》孔印眱?nèi)部，有一個(gè)類似龍門銑床的架構(gòu)，一把刀頭垂直地對(duì)著一塊待切削的砂型。
技術(shù)人員所需要做的很簡(jiǎn)單，先用電腦將所需鑄件的三維CAD模型做出來(lái)，自動(dòng)規(guī)劃路徑后輸入到無(wú)模鑄造精密成形機(jī)，然后，就等著看刀頭的“機(jī)器舞”吧。
刀頭會(huì)按照程序設(shè)定的軌跡移動(dòng)，或上或下，或左或右，或淺或深——這是一種精密機(jī)械獨(dú)有的運(yùn)動(dòng)美感。經(jīng)過(guò)一番切削后，一個(gè)完美的砂型得以呈現(xiàn)。這個(gè)過(guò)程，最快只需要幾個(gè)小時(shí)，這點(diǎn)時(shí)間比起動(dòng)輒以月為單位的開(kāi)發(fā)周期，幾乎可以忽略不計(jì)。
看過(guò)數(shù)控機(jī)床的刀頭上下翻飛雕琢一個(gè)金屬件的朋友，也許會(huì)在無(wú)模鑄造精密成形機(jī)前體味到異曲同工之妙。
但你所不知道的是，由于是對(duì)型砂直接切削加工，因此存在著復(fù)雜薄壁砂型加工易出現(xiàn)坍塌且表面粗糙、高速旋轉(zhuǎn)的刀具加工砂型易磨損或崩刃，加工的廢砂如何及時(shí)清除及刀具冷卻等諸多問(wèn)題。
單忠德舉例說(shuō)，型砂質(zhì)地粗糙，高速旋轉(zhuǎn)的刀具與堅(jiān)硬的型砂顆粒碰撞，普通刀頭豈有不壞不崩之理?所以無(wú)模成形系列技術(shù)中，有一項(xiàng)就是專門的長(zhǎng)壽命刀具研制。再有，切削型砂不可能用切削液給刀頭降溫，而產(chǎn)生粉塵又該如何處置?他們想到了在刀頭周圍創(chuàng)造出一個(gè)正負(fù)壓環(huán)境，這樣既解決了降溫問(wèn)題，又不至于讓刀頭起舞時(shí)“黃沙滾滾”。
據(jù)單忠德介紹，該項(xiàng)目創(chuàng)新提出鑄型數(shù)控加工方法、復(fù)雜薄壁件砂型配方、刀具冷卻和廢砂排除一體化方法、金屬件自適應(yīng)鑄型制造及鑄型坎合組裝方法，創(chuàng)新地開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的長(zhǎng)壽命高速砂型加工刀具、固化砂型加工工藝參數(shù)的專用高速高效開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接口管理軟件、刀具冷卻和廢砂排除一體化系統(tǒng)和系列化的無(wú)模鑄造精密成形機(jī)。
以上這些成果總結(jié)起來(lái)，其實(shí)就是復(fù)雜金屬件制造的“無(wú)模化、柔性化、數(shù)字化、精密化、綠色化和智能化”。
成效 用數(shù)字說(shuō)話
不僅享受到時(shí)間節(jié)省和成本降低，重要的是使用該技術(shù)搶占了市場(chǎng)先機(jī)，由此所帶來(lái)的收獲更讓人心潮澎湃
由于三維CAD模型直接驅(qū)動(dòng)鑄型制造，拋棄了傳統(tǒng)的木?；蚪饘倌５饶＞?，大大縮短了鑄造流程，并實(shí)現(xiàn)了鑄造行業(yè)的數(shù)字化，因此數(shù)字化無(wú)模鑄造精密成形技術(shù)被稱作是“鑄造技術(shù)的革命”。
技術(shù)革命的效果就是，加工費(fèi)用僅為有模方法的1/10左右，開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短了50%—80%，相應(yīng)地制造成本降低了30%—50%。
如果你是一個(gè)鑄造行業(yè)的從業(yè)人員，你應(yīng)該可以體會(huì)到，不僅享受到時(shí)間節(jié)省和成本降低，重要的是使用該技術(shù)搶占了市場(chǎng)先機(jī)，由此所帶來(lái)的收獲更讓人心潮澎湃。
如果你是一個(gè)鑄造行業(yè)的從業(yè)人員，你還會(huì)注意到，型芯數(shù)字化加工，取消了拔模斜度，提高了零件的成形精度，同時(shí)減少了設(shè)計(jì)中的加工余量;型芯柔性化的設(shè)計(jì)和靈活多樣組合，為設(shè)計(jì)和制造提供了充分自由度;另外，多種類、激冷效果各異的型砂可構(gòu)造自適應(yīng)復(fù)合砂型。
如果在鑄件開(kāi)發(fā)及小批量生產(chǎn)中應(yīng)用數(shù)字化無(wú)模鑄造成形技術(shù)，將減少大量木材和金屬的消耗，挽救成千上萬(wàn)棵樹(shù)，成片的森林。同時(shí)，由于減少拔模斜度和加工余量，每噸鑄件可平均減重3%，還將會(huì)節(jié)約大量金屬和煤電，利于行業(yè)節(jié)能減排。
截止到2011年年底，單忠德團(tuán)隊(duì)先后在北京、吉林長(zhǎng)春、山東煙臺(tái)、河南洛陽(yáng)、江蘇常州和廣西玉林等建立了7個(gè)數(shù)字化無(wú)模鑄造精密成形技術(shù)與裝備的應(yīng)用示范基地。中國(guó)一汽、中國(guó)一拖、廣西玉柴等企業(yè)已經(jīng)采用該方法及裝備，成功完成了輪轂、齒輪殼體、變速箱體、進(jìn)排氣管、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等復(fù)雜鑄件的開(kāi)發(fā)，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益上億元。
根據(jù)《中國(guó)鑄造行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，2015年中國(guó)的鑄件總產(chǎn)量將達(dá)到5000萬(wàn)噸以上，年產(chǎn)值達(dá)到7500億元以上，數(shù)字化無(wú)模鑄造技術(shù)及裝備將在汽車、模具、機(jī)床、工程機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。
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權(quán)威認(rèn)定：“技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先”
2011年3月中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織同行專家成果鑒定結(jié)論為“開(kāi)發(fā)的數(shù)字化無(wú)模鑄造精密成形方法、關(guān)鍵技術(shù)及裝備創(chuàng)新顯著，技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先”。目前申請(qǐng)了20多項(xiàng)國(guó)內(nèi)外專利，獲得10多項(xiàng)授權(quán)專利及軟件登記，其中發(fā)明專利5項(xiàng)。2011年獲得了北京市發(fā)明專利一等獎(jiǎng)。
中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)出版的《中國(guó)機(jī)械工程技術(shù)路線圖》指出，“鑄造過(guò)程數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)是鑄造技術(shù)發(fā)展的重要方向，其目標(biāo)是到2020年快速、直接成形技術(shù)用于無(wú)模造型、制芯、鑄造工具，直到無(wú)模鑄件直接制造?！?/p>
數(shù)字化無(wú)模鑄造精密成形方法、關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，提高裝備制造業(yè)關(guān)鍵零部件自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)及其技術(shù)制造水平，推動(dòng)傳統(tǒng)行業(yè)數(shù)字化、精密化、智能化、綠色化制造。對(duì)推進(jìn)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)機(jī)械裝備制造業(yè)節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)、大幅提升鑄造行業(yè)技術(shù)水平具有重要戰(zhàn)略意義。
■ 經(jīng)典案例
中國(guó)一汽汽車零部件開(kāi)發(fā)
中國(guó)一汽采用CAMTC-SMM數(shù)字化無(wú)模鑄造技術(shù)及裝備，完成了多種汽車零部件的快速開(kāi)發(fā)試制。
圖1、圖2為齒輪殼體、前輪彀體件開(kāi)發(fā)過(guò)程。其中輪轂鑄輪廓尺寸560mm×370mm×185mm，齒輪外殼鑄件輪廓尺寸560mm×370mm×185mm，從CAD模型到鑄件，5天內(nèi)均可全部完成。
(a) CAD模型 (b)砂模 (c)鑄件
圖1 輪轂鑄件無(wú)模鑄造
(a) CAD模型 (b)砂模 (c)鑄件
圖2 齒輪外殼鑄件無(wú)模鑄造
中國(guó)一拖缸蓋鑄件開(kāi)發(fā)
中國(guó)一拖采用CAMTC-SMM數(shù)字化無(wú)模鑄造技術(shù)及裝備進(jìn)行了多種復(fù)雜缸蓋的快速開(kāi)發(fā)。其中采用多塊砂芯與外模組合方式，可以實(shí)現(xiàn)小尺寸高精度形狀結(jié)構(gòu)的型芯的快速加工成形。圖3為某缸蓋的開(kāi)發(fā)過(guò)程圖。
(a)外砂型 (b)內(nèi)砂芯
(c)組合砂模 (d)鑄件
圖3 缸蓋鑄件無(wú)模鑄造
廣西玉柴柴油機(jī)缸體開(kāi)發(fā)
廣西玉柴采用CAMTC-SMM數(shù)字化無(wú)模鑄造技術(shù)及裝備，進(jìn)行了柴油機(jī)復(fù)雜零部件開(kāi)發(fā)。先后成功開(kāi)發(fā)出1M曲軸箱、1M機(jī)體、1.35M機(jī)體等系列化柴油機(jī)部件，如圖4所示。砂模加工時(shí)間僅用70小時(shí)左右，從CAD模型到鑄件時(shí)間10天左右，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期縮短2/3以上。
(a)砂模 (b)鑄件
圖4 1M柴油機(jī)曲軸箱體無(wú)模鑄造
