1 引言
無模鑄型制造(Patternless Casting Manufacturing，簡稱PCM)工藝是一種與傳統(tǒng)樹脂自硬砂工藝相結(jié)合的新型快速成形工藝。其基本原理是：利用RP技術(shù)的離散/堆積成形原理，采用輪廓掃描、噴射固化工藝，實(shí)現(xiàn)鑄型的快速直接成形而無需模樣，基本原理如下圖所示：
圖1 PCM原理圖
首先從零件CAD模型得到鑄型CAD模型。由鑄型CAD模型的STL文件分層，得到截面輪廓信息，再以層面信息產(chǎn)生控制信息。造型時(shí)，第一個(gè)噴頭在每層鋪好的原砂上由計(jì)算機(jī)控制精確地噴射粘結(jié)劑，第二個(gè)噴頭再沿同樣的路徑噴射催化劑，或者采用雙噴頭一次復(fù)合噴射技術(shù)按照截面輪廓信息同時(shí)噴射粘結(jié)劑和催化劑。兩者發(fā)生膠聯(lián)反應(yīng)，一層層固化型砂而堆積成形。粘結(jié)劑和催化劑共同作用地方的原砂被固化在一起，其他地方原砂仍為顆粒態(tài)之干砂。固化完一層后再粘接下一層，所有的層粘接完之后就得到一個(gè)空間實(shí)體。原砂在粘結(jié)劑沒有噴射的地方仍是干砂，比較容易清除。清理出中間未固化的干砂就可以得到一個(gè)有一定壁厚的鑄型，在砂型的內(nèi)表面涂敷或浸漬涂料之后就可用于澆注金屬。
2 PCM工藝的特點(diǎn)
同傳統(tǒng)鑄型制造技術(shù)相比，PCM工藝具有無可比擬的優(yōu)越性，它不僅使鑄造過程高度自動(dòng)化、敏捷化，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，而且在技術(shù)上突破了傳統(tǒng)工藝的許多障礙，使設(shè)計(jì)、制造的約束條件大大減少。具體表現(xiàn)在以下方面：
2.1 造型時(shí)間短
利用傳統(tǒng)的方法制造鑄型必須先加工模樣，無論是普通加工還是數(shù)控加工，模樣的制造周期都比較長。對(duì)于大中型鑄件來說，鑄型的制造周期一般以月為單位計(jì)算。由于采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理，PCM工藝的信息處理過程一般只需花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)至幾十個(gè)小時(shí)。所以從制造時(shí)間上來看，該工藝具有傳統(tǒng)造型方法無法比擬的優(yōu)越性。
2.2 制造成本低
PCM工藝的自動(dòng)化程度高，其設(shè)備一次性投資較大，其它生產(chǎn)條件如原砂、樹脂等原材料的準(zhǔn)備過程與傳統(tǒng)的自硬樹脂砂造型工藝相同。然而又由于它造型無需模樣，對(duì)于一些大型、復(fù)雜鑄件，模具的成本又較高，所以其收益是明顯的。
2.3 一體化制造
由于傳統(tǒng)造型需要起模，因此一般要求沿鑄件最大截面處(分型面)將其分開，也就是采用分型造型。這樣往往限制了鑄件設(shè)計(jì)的自由度，某些表面和內(nèi)腔復(fù)雜的鑄型不得不采用多個(gè)分型面，使造型、合箱裝配過程的難度大大增加，分型造型使鑄件產(chǎn)生“飛邊”，導(dǎo)致機(jī)加工量增大。
PCM工藝采用離散/堆積成形原理，沒有起模過程，所以分型面的設(shè)計(jì)并不是主要障礙。分型面的設(shè)計(jì)甚至可以根據(jù)需要不設(shè)置在鑄件的最大截面處，而是設(shè)在鑄件的非關(guān)鍵部位，對(duì)于某些鑄件，完全可以采用一體化制造方法，即上下型同時(shí)成形。一體化造型最顯著的優(yōu)點(diǎn)是省去了合箱裝配的定位過程，減少了設(shè)計(jì)約束和機(jī)加工量，使鑄件的尺寸精度更容易控制。
2.4 型、芯同時(shí)成形
傳統(tǒng)工藝出于起模的考慮，型腔內(nèi)部一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成芯，型、芯分開制造，然后再將二者裝配起來，裝配過程需要準(zhǔn)確的定位，還必須考慮芯子的穩(wěn)定性。PCM工藝制造的鑄型，型和芯是同時(shí)堆積而成，無需裝配，位置精度更易保證。
2.5 易于制造含自由曲面的鑄型
傳統(tǒng)工藝中，采用普通加工方法制造模樣的精度難以保證;數(shù)控加工編程復(fù)雜，另外涉及刀具干涉等問題。所以傳統(tǒng)工藝不適合制造含自由曲面或曲線的鑄件。而基于離散/堆積成形原理的PCM工藝，不存在成形的幾何約束，因而能夠很容易地實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀的造型。
2.6 造型材料廉價(jià)易得
PCM工藝所使用的造型材料是普通的鑄造用砂，價(jià)格低廉，來源廣泛;而粘結(jié)劑和催化劑也是非常普通的化學(xué)材料，成本不高。因此，對(duì)于國內(nèi)外眾多的樹脂砂鑄造廠家來說，該工藝不僅成本低廉、而且容易推廣，因而具有很強(qiáng)的吸引力。
綜上所述，PCM工藝在技術(shù)上的優(yōu)勢是相當(dāng)明顯的，無需模具，能夠快速、柔性、準(zhǔn)確地制造內(nèi)腔、表面較為復(fù)雜的鑄件，特別適合單件、小批量、形狀復(fù)雜的大中型鑄件的生產(chǎn)以及新產(chǎn)品的試制。但是它也有缺點(diǎn)，主要是設(shè)備投資大，不適合大批量生產(chǎn)。最能適于生產(chǎn)柔性很高的小批量或單件生產(chǎn)。
3 PCM工藝設(shè)備
設(shè)備是工藝研究和實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)與基本前提。PCM設(shè)備是一個(gè)由機(jī)械、電子、材料、計(jì)算機(jī)軟硬件等技術(shù)高度集成的復(fù)雜的機(jī)械電子學(xué)產(chǎn)品。機(jī)械電子學(xué)產(chǎn)品是電子技術(shù)(控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù))與機(jī)械領(lǐng)域緊密結(jié)合的產(chǎn)物，是在機(jī)械電子學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類產(chǎn)品。一般認(rèn)為機(jī)械電子學(xué)產(chǎn)品是指在機(jī)構(gòu)的主功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)了電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置和電子設(shè)備以及軟件等有機(jī)結(jié)合起來構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。
圖2 PCM設(shè)備設(shè)計(jì)流程圖
按照工藝流程可以將PCM技術(shù)劃分為四個(gè)順序基本子過程：信息處理過程、造型過程、后處理過程和澆注過程(如圖2)。其中，信息處理過程是為造型過程準(zhǔn)備好相應(yīng)的控制程序(數(shù)控代碼)文件;造型過程利用信息處理過程所生成的數(shù)控代碼，驅(qū)動(dòng)造型設(shè)備，完成鑄型的數(shù)控加工;后處理過程旨在提高鑄型表面質(zhì)量和澆注工藝性能，為澆注過程創(chuàng)造條件;澆注過程則是把完成后處理的鑄型運(yùn)往澆注車間，將高溫熔融的液態(tài)金屬注入鑄型的澆注系統(tǒng)和型腔內(nèi)部，最終凝固形成具有一定表面質(zhì)量、精度和復(fù)雜程度的合格鑄件。
PCM工藝商品化設(shè)備為PCM-1200型，見圖3。
圖3 PCM-1200型設(shè)備外形圖
PCM-1200型設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 PCM-1200技術(shù)參數(shù)
4、典型案例
圖3 PCM工藝制造的鑄形和鑄件
圖3 葉輪鑄型及葉輪產(chǎn)的實(shí)例，它是用于渤海某海上鉆井平臺(tái)上的水泵葉輪的鑄型和鑄件。由于該葉輪是異型葉輪，所以需要重新設(shè)計(jì)。使用傳統(tǒng)工藝，包括制模、造型和鑄造，需要兩個(gè)月。采用PCM工藝，從設(shè)計(jì)到鑄件完成，只用了2個(gè)星期，大大快于傳統(tǒng)工藝，分層厚度為0.3mm。據(jù)測量，鑄件尺寸精度達(dá)到CT9~CT8級(jí)，表面粗糙度達(dá)到Ra25~12.5μm(表面輪廓算術(shù)平均偏差)，完全可以滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。
