第2章 快速成型技术及其在铸造中的应用
2.1 引 言
快速成型（Rapid Prototyping-RP）技术是国际上新开发的一项高科技成果，简称快速成型技术。它的核心技术是计算机技术和材料技术。快速成型技术摒弃了传统的机械加工方法，根据CAD生成的零件几何信息，控制三维数控成型系统，通过激光束或其它方法将材料堆积而形成零件的。用这种方法成型，无需进行费时、耗资的模具或专用工具的设计和机械加工，极大地提高了生产效率和制造柔性。
从制造原理上讲，快速成型（RP）技术一改“去除”为“堆积”的加工原理，给制造技术带来了革命性的飞跃式发展。基于RP原理的快速制造技术经十几年的发展，在创新设计、反求工程、快速制模各方面都有了长足的进步。RP技术的应用可大大加快产品开发速度，缩短制造周期，降低开发成本。 现代市场竞争的特点是多品种、小批量、短周期，要求企业对市场能快速响应并不断推出新产品占领市场，如新型电话机的市场寿命仅6个月，又如台湾和日本摩托车行业，每三个月就推出一种新型摩托车投入市场，摩托车几万辆就需改型。二十世纪九十年代以来，在信息互联网支持下，由快速设计、反求工程、快速成形、快速制模等构成的快速制造技术取得很大进展。
快速成形技术最早产生于二十世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的Alan J.
Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美国UVP公司的Charles W. Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983)，在不同的地点各自独立地提出了RP的概念，即用分层制造产生三维实体的思想。Charles W. Hull 在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为Stereolithography Apparatus (SLA)的完整系统SLA-1，1986年该系统获得专利，这是RP发展的一个里程碑。同年，Charles W. Hull和UVP的股东们一起建立了3D System公司。与此同时，其它的成形原理及相应的成形系统也相继开发成功。1984年Michael Feygin提出了薄材叠层（Laminated Object Manufacturing，以下简称LOM）的方法，并于1985年组建Helisys公司，1992年推出第一台商业成形系统LOM-1015。1986年，美国Texas大学的研究生C. Deckard提出了选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)的思想，稍后组建了DTM公司，于1992年开发了基于SLS的商业成形系统Sinterstation。Scott Crump在1988年提出了熔融成形(Fused Deposition Modeling，简称FDM)的思想，1992年开发了第一台商业机型3D-Modeler。自从80年代中期SLA光成形技术发展以来到90年代后期，出现了几十种不同的RP技术，除前述几种外，典型的还有3DP等。但是，SLA、LOM、SLS和FDM四种技术，目前仍然是RP技术的主流。
第六章 铸造加工
概念：型砂（或型芯砂）是铸造砂型（或型芯）的材料，型芯砂又叫芯砂或泥芯砂。
二者的区别：砂型用来形成铸件的外部形状，而泥芯用来形成铸件的内腔或简化造型工艺。
型（芯）砂的用量：一吨合格铸件约需5吨左右型砂。
一、型（芯）应具备的性能
1、可塑性 指型砂在外力作用下变形，当外力去除后能完整地保持所赋予的形状的能力。可塑性好的型（芯）砂，手感柔软，易成形，易起模。
2、强度 在外力作用下，型砂不变形、不破碎的能力称为强度。型（芯）砂的强度不足，则在造型（芯）、合箱、搬运过程中会引起塌箱，而当浇注时则将在金属液的作用下使铸型表面破坏，导致铸件产生砂眼等缺陷。
3、透气性 型（芯）砂能让气体通过的能力称为透气性。透气性差的型（芯）砂将使铸件内产生气孔，或使铸件表面质量受影响。
4、耐火性 型（芯）砂经受高温液体金属作用后，不被烧焦、不熔融、不软化的能力称为耐火性。型（芯）砂耐火性低，则铸件表面出现沾砂，并且难以进行切削加工。
5、退让性 型（芯）砂随着铸件收缩而减少其体积的能力称为退让性。型（芯）砂的退让性差，会阻碍铸件凝固后的继续收缩，易引起铸件变形或产生裂纹。
6、溃散性 铸件冷凝后，型（芯）砂容易从铸件上清除的性能称为溃散性。型（芯）砂溃散性差增大了铸件清砂的难度。
二、型（芯）砂的组成
型（芯）砂是由原砂+粘结剂+附加物组成。
原砂的主要成分为 SiO2。
合格的原砂，其杂质（K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3等）含量要少，粒度要适当（用于铸铁件为70-140目；用于铸钢件为40-70目；用于有色合金铸件为140-220目）。
粘结剂包括粘土类，油类和其它类粘结剂。
粘土类粘结剂有膨润土、白泥等，其主要成分是硅酸铝。
油类粘结剂有桐油、亚麻仁油、棉子油等，主要用来做芯砂的粘结剂。
其它类型的粘结剂包括纸浆废液、水玻璃、糊精和合脂、树脂等，均可作为
型（芯）砂的粘结剂。
思考题
1、什么叫砂型、型砂？
2、砂型紧实度不足会出现什么问题？
3、砂型的微孔半径和孔隙率的关系图示？
4、孔隙率在很大程度上决定着铸型的那些性能？
5、影响多孔系的孔隙率和微孔尺寸的主要因素有哪些？
6、砂型的主要工作条件是什么？接触区及其影响因素？
7、影响传热的因素有那些？
8、砂型与比热容的因素？
9、砂型实效热导率与温度的关系？
10、砂型（干，湿）在受热过程中的水分迁移现象。
1）分析上述曲线的物理意义，影响水分凝聚区厚度的因素。
2）凝聚区的湿压强度及变形率的影响因素。
11、铸型膨胀的影响因素有哪些？
12、分析夹砂结疤缺陷形成的机理及防止措施。
13、毛刺？形成的机理及防止措施。
14、砂眼？形成的机理及防止措施。
15、型壁移动？影响因素和防止措施。
16、侵入性气孔？形成条件、机理及防止措施。
17、反应性气孔？形成的机理及防止。
18、机械粘砂和化学粘砂？形成条件，影响因素及防止措施。
19、湿砂的性能要求及检测原理。
20、湿型砂用原材料及其对型砂性能的影响。（硅砂？颗粒组成（AFS细度、累计曲线）、形状、硅砂的烧结点？非石英质原砂？附加物？种类）
21、粘土？活化处理及方法。（表面电荷和交换性阳离子）
22、粘土的矿物分，结晶特征，吸附水分，粘结机理。（“桥”说，“表面联结”机理）
23、粘土受热后的变化。（典型脱水曲线，差热曲线）
24、粘土的鉴别方法。
25、粘土的膨润值、吸水比与热湿拉强度的关系。
26、膨润土焙烧温度与湿强度的关系。
27、粘土的吸附水分有哪几种？特性？影响结合水量的因素？
28、铸铁件和铸钢件在配方性能特点上有哪些区别？
29、有色合金铝、镁件在型砂配方上有何性能特点？
30、高压造型的砂型有何特点？（在性能上）
31、旧砂有何特性？砂处理的目的？
32、湿型砂的混制工艺如何控制？
33、钠水玻璃模数的意义。
34、钠水玻璃的模数、密度、含固量和粘度之间的关系？
第2章 铸造成形
铸造是液态金属成形的方法，铸造过程是熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属在重力、压力、离心力、电磁力等外力场的作用下充满铸型，凝固后获得一定形状与性能铸件的产生过程。
铸造成形具有产生成本低，工艺灵活性大，不受零件尺寸大小及形状结构复杂程度的限制等优点。
知识点：
1. 合金的铸造性能
2. 砂型铸造工艺分析
3. 铸造工艺图的绘制
重点：
常用铸造合金的铸造性能分析，砂型铸造的基本造型方法，正确选择浇注位置和分型面，确定铸造工艺方案及绘制铸造工艺图。
2.1 合金的铸造性能
2.1.1 金属的充型
液态金属充满铸型，获得尺寸精准、轮廓清晰的铸件，取决于金属的充型能力。
金属的充型能力不足时，铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷。浇不足使铸件未能获得完整的形状；冷隔使铸件存在未完全熔合的垂直接缝。
金属的充型能力取决于金属液本身的流动能力，同时又受铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响。
影响金属的充型能力的因素有合金的流动性、铸型的蓄热系数、铸型温度、铸型中的气体、浇注温度、充型压力、浇注系统的结构、铸件的厚度、铸件的复杂程度等。
2.1.2 合金的凝固
液态合金的结晶凝固在很大程度上决定了铸件的铸态组织及某些铸造缺陷的形成，对铸件质量，特别是铸件力学性能起决定性的作用。
铸件的凝固方式可分为逐层凝固方式、体积凝固方式（糊状凝固方式）、中间凝固方式三种类型，见图2-1所示。
大部分的金属材料是以中间凝固方式凝固的。
2.1.3 合金的收缩
1. 合金的收缩及影响因素
铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩。收缩是铸件中许多缺陷（如缩孔、缩松、裂纹、变形、残余应力等）产生的根本原因。铸钢的收缩最大，灰铸铁的收缩最小。
影响收缩的因数主要有化学成分、浇注温度、铸件结构、铸型条件。
2. 缩孔及缩松
铸件凝固后常常在某些部位上出现孔洞，大而集中的孔洞称为缩孔，小而分散的孔洞称为及缩松。 缩孔和缩松将使铸件的力学性能、气密性、物理化学性能大大降低，甚至成为废品，是极其有害的铸造缺陷之一。
