激光快速制造技術(shù)改進了壓鑄模時要求嚴格的溫度區(qū)域內(nèi)的冷卻狀況。各個型芯的冷卻水道設(shè)置的都非常接近工件輪廓。而實現(xiàn)這一點的前提條件是：一種適合于鋁合金壓鑄件大批量生產(chǎn)的耐熱鋼材的研發(fā)成功。這種最新研發(fā)成功的耐熱鋼材可以一層層的熔化、焊接起來。利用這種材料制造的模具型芯和型腔已成功的通過了大批量試生產(chǎn)的檢驗。

    激光快速制造技術(shù)彌補了激光燒結(jié)工藝中的不足。現(xiàn)代激光技術(shù)的應(yīng)用，采用了專門研發(fā)的、申請了專利保護的激光照射方案，使用了標準鋼材粉末為原料的技術(shù)，獲得了巨大的成功，可制造出無收縮的、幾乎是百分之百密實的零部件。現(xiàn)在，在使用正品原材料的情況下可以制作大型的零件，如強力冷卻的模具型芯。所用材料的特性與大批量生產(chǎn)時所用的鋼材相同，使制造出來的零件滿足了大批量生產(chǎn)的條件。鋁合金鑄造廠采用這種工藝技術(shù)為汽車生產(chǎn)廠制造鋁合金材料的壓鑄模具。

圖1  帶靠近工件輪廓冷卻水道的模具型芯。由于實現(xiàn)了最佳的冷
卻，因此使四缸曲軸箱壓鑄過程的生產(chǎn)能力和質(zhì)量都得到了提高

    激光快速制造技術(shù)是一種“常規(guī)的”生產(chǎn)制造工藝，它使得所有可以焊接的金屬材料，如不銹鋼、耐熱鋼和調(diào)質(zhì)鋼，按照一層層焊接的方式制作出一個工件，借助于激光幫助使單介質(zhì)的金屬粉末熔化后焊接在一起的方法。在這一層層的焊接過程中，每一層金屬粉末都會完全熔化；金屬粉末的涂覆厚度在20~50μm之間。這種加工制造原理開啟了激光制造與傳統(tǒng)模具制造之間的大門。因此，這種技術(shù)目前主要用于壓鑄模具生產(chǎn)制造領(lǐng)域中。而邁出的第一步是鋁合金鑄造廠與壓鑄模具生產(chǎn)廠之間在四缸發(fā)動機曲軸箱壓鑄模具中的合作。

具有冷卻功能的型芯

    制造鋁合金壓鑄模具型芯以使用可逐層焊接的耐熱鋼材料為前提。Concept Laser公司研發(fā)的這種材料通過了質(zhì)量認證。他們的研發(fā)成果是一種被稱之為CL 60 DG的金屬材料，具有與1.2709號耐熱鋼材相同的機械性能，主要適合于生產(chǎn)制造可冷卻的模具型芯。這種鋼材的特點在于擁有很好的韌性，抗拉強度可達1800N/mm2，淬火硬度可達HRC 54。采用激光快速制造工藝技術(shù)后，可在型芯溫度敏感部位制造出靠近工件輪廓表面的冷卻水道。從而縮短了模具的冷卻時間，明顯延長了模具的使用壽命。由兩家合作伙伴進行的在大批量生產(chǎn)條件下的試生產(chǎn)結(jié)果表明：這種試制的冷卻型芯能明顯的提高產(chǎn)品質(zhì)量。

    在一系列的試驗中，進行了在實際負載條件下的澆鑄實體測試，并將試驗結(jié)果按照工件結(jié)構(gòu)進行了詳細的信息反饋。在成功的完成試驗之后，人們開始利用冷卻型芯壓鑄模具的發(fā)動機機體在大批量生產(chǎn)條件下的試生產(chǎn)（圖2）。所用的冷卻型芯是在Concept Laser公司的M3 Linear激光設(shè)備上逐層制造的。這種逐層制造完全是自動進行的，激光快速制造設(shè)備工作時原則上是不需要操作人員的。在完成冷卻型芯的制造之后，只需人工清理一下型芯，安裝到模具中即可。

圖2  靠近模具型芯輪廓表面的冷卻通道。它是采用激光快速制造技術(shù)制成的

    這個試驗的目的在于檢驗冷卻型芯的使用壽命和熱裂紋傾向（圖3）。迄今為止進行的試驗結(jié)果都十分令人滿意。放置在壓鑄模具澆道口附近的冷卻型芯在完成了10萬件以上的澆鑄后仍然保持著很好的狀態(tài)。而傳統(tǒng)的型芯在完成這么多鑄件的澆鑄后，會出現(xiàn)明顯的過燒裂紋。

（a）

（b）
圖3  安裝時的試驗型芯（a），澆鑄使用71282次后的型芯（b）。
經(jīng)多次使用后，與模具澆道范圍內(nèi)的澆道孔相反的型芯沒有可見裂紋

    在完成104個樣件的澆鑄后，試驗的冷卻型芯具有與普通型芯完全相同的性能，沒有出現(xiàn)裂紋、不光潔和不平整的現(xiàn)象。在完成1905次澆鑄后，情況仍然如此。在這個階段中，主要采用的是砂型鑄造工藝。在完成55964次澆鑄后，冷卻型芯仍然處于很好的狀況。與壓鑄模具中安放型芯的孔腔相比，冷卻型芯一直沒有出現(xiàn)過燒裂紋。在完成71282件鑄件的澆鑄后，冷卻型芯加工后的狀態(tài)仍然沒有非常大的變化，只是孔腔的裂紋發(fā)展的更大了。

    在成功的完成試生產(chǎn)之后，就開始進行大批量試生產(chǎn)。試驗的目的是驗證大批量生產(chǎn)時冷卻型芯的狀況。在這一試驗計劃中，鋁合金鑄造廠的模具生產(chǎn)車間在一種四缸發(fā)動機曲軸箱爆震傳感器處使用了這種靠近工件輪廓表面的冷卻型芯。這就確定了在壓鑄模具的什么位置上使用激光快速制造技術(shù)制成的冷卻型芯。具體的位置是在鑄件推桿的爆震傳感器安裝的位置上（圖4）。應(yīng)在很短的時間內(nèi)完成冷卻型芯的更換工作，以保證大批量壓鑄生產(chǎn)的澆鑄過程不發(fā)生中斷。在更換冷卻型芯時，壓鑄模具一直保留在壓鑄機床上。為了保證試驗具有實際指導(dǎo)意義，使用的試驗都是在大批量生產(chǎn)的條件下進行的。

圖4  四缸曲軸箱爆震傳感器范圍內(nèi)使用的靠近工件輪廓
的冷卻型芯。它可以在不取下鑄造模具的情況下進行更換

均勻的溫度分布

    試驗首先要解決的問題是澆鑄數(shù)量與冷卻型芯狀態(tài)和使用壽命之間的關(guān)系，冷卻型芯有油冷和水冷的差異，以及油冷和水冷時機體爆震傳感器處的澆鑄質(zhì)量。大量的試驗結(jié)果表明：激光快速制造技術(shù)制作的靠近工件輪廓表面的冷卻型芯具有很多優(yōu)點。

    由于減少了分模劑的噴涂時間，整個壓鑄生產(chǎn)循環(huán)也相應(yīng)縮短了，因為模具型芯與鑄件的溫度差△T較小。較小的溫度差也減小了冷卻型芯的熱負荷。在采用了這樣的溫度控制措施之后，也大大的減少了過燒裂紋發(fā)生的危險性。另外，由于節(jié)省了分模劑的使用也使得模具更加清潔，減少了排污和清潔的費用。試驗證明：激光快速制造技術(shù)制作的冷卻型芯與普通型芯之間的溫度差很大（圖5）。熱圖像照片表明：僅靠噴涂分模劑進行冷卻還不足以充分冷卻壓鑄模具。

圖5  帶有靠近輪廓冷卻系統(tǒng)的模具推桿溫度分布圖。冷
卻型芯（點P5）在沖洗前（a圖）和后（b圖）的溫度比較：
P5點的溫度下降了16.46K，其他點處的溫度下降了181.97K

    按照鋁合金壓鑄生產(chǎn)廠的計劃是單獨對冷卻型芯進行的溫度監(jiān)控，并在壓鑄模推桿的與工作循環(huán)無關(guān)的過程中實施監(jiān)控。冷卻型芯的安裝的位置省略了O型密封圈，避免了出現(xiàn)泄露的潛在可能。靠近輪廓表面冷卻型芯的優(yōu)點是，冷卻通道可以自由的按照工件輪廓形狀制造。對冷卻通道的生產(chǎn)加工技術(shù)沒有任何的限制。從而可以利用激光快速制造技術(shù)最合理的處理冷卻通道與鑄件頂出器之間的關(guān)系。而通常情況下，一般的加工設(shè)備只能加工直冷卻孔。

    制造模具的冷卻對鑄件的質(zhì)量起著決定性的影響。而激光快速制造技術(shù)制作的靠近工件輪廓表面的冷卻通道使得模具的溫度變化很小，因此對提高鑄件質(zhì)量非常有利。它減少了模具的磨損；壓鑄模具的使用壽命明顯提高；加速了對溫度高達700℃液體鋁合金的冷卻，從而也減少了鑄件縮松和縮孔的產(chǎn)生。

應(yīng)用新領(lǐng)域

    在汽車生產(chǎn)制造業(yè)中激光快速制造技術(shù)是一種批量生產(chǎn)制造技術(shù)。它是汽車模具制造中產(chǎn)品樣試到批試之間的連接過渡的接口。對于模具生產(chǎn)制造廠來講，其質(zhì)量和經(jīng)濟性方面的優(yōu)點非常明顯：

（1） 采用靠近工件輪廓表面的冷卻型芯之后，壓鑄模具的生產(chǎn)效率明顯提高。

（2） 優(yōu)化的冷卻效應(yīng)大大降低了鑄件的變形。

（3） 減少了鑄件的縮松和縮孔，明顯提高了壓鑄件的質(zhì)量和功能。

（4） 可以預(yù)加工制造輪廓形狀復(fù)雜的模具型芯。

（5） 采用激光快速制造技術(shù)制造模具型芯的時間更短，自動化程度更高。

（6） 激光快速制造工藝技術(shù)的編程耗費降到了最低，柔性化大大提高。

（7） 具有專利技術(shù)的混合制造方法可以制作大型的模具型芯。從而也擴大了激光快速制造工藝技術(shù)在模具、工具制造領(lǐng)域中的應(yīng)用。

圖6  四缸發(fā)動機曲軸箱大批量生產(chǎn)所用的耐熱鋼壓鑄模具，爆
震傳感器處的型芯。型芯的外型尺寸為110mm×80mm×100mm

    多年共同合作的項目終于進入了壓鑄模具大批量生產(chǎn)的實用階段。未來，汽車生產(chǎn)廠可以在其模具制造領(lǐng)域中廣泛的采用這一技術(shù)，同時也可以在其他生產(chǎn)領(lǐng)域中借鑒使用。新設(shè)計制造的模具將帶有冷卻性能更好的型芯。而在制作這些型芯時，使用的是激光快速制造工藝技術(shù)（圖6）。