快速成形技术在铸造生产中的应用

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快速成形技术在铸造生产中的应用

  1 快速成形技术

# S: Q+ A1 m8 H- e   20世纪80年代后期发展起来的快速成形(Rapid Prototyping，简称RP)技术，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。快速成形技术是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，是集计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。
  2 快速成形技术原理
$ B, R: e. a4 }$ ~& ^  快速成形技术是先进制造技术的重要分支，它不仅体现在制造思想和实现方法上有了突破，更重要的是在制作零件的质量、性能、大小和制作速度等方面，也取得了很大的进展。它是建立在CAD/CAM技术、激光技术、数控技术和材料科学的基础上，基于离散/堆积成形原理的成形方法。其基本原理是：任何三维零件都可看成是许多二维平面沿某一坐标方向叠加而成，因此可先将CAD系统内三维实体模型离散成一系列平面几何信息，采用粘接、熔结、聚合作用或化学反应等手段，逐层有选择地固化液体（或粘接固体）材料，从而快速堆积制作出所要求形状的零部件（或模样）。制造方式是不断地把材料按照需要添加在未完成的工件上，直至零件制作完毕。即所谓“使材料生长而不是去掉材料的制造过程”，其实现的流程如图1所示。

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图1 RP的离散/堆积成形流程

  3 典型的快速成形技术
  快速成形技术按原型的成形方式分为：立体印刷（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、叠层实体制造（LOM）、融积成形（FDM）、三维印刷（3DP）等。
  1 立体印刷（SLA） 立体印刷（Stereo Lithography Apparatus，简称SLA）又称之为激光立体造型或激光立体光刻。是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的，这种液态材料在一定波长和强度的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。SLA工作原理图如图2所示。
  首先由CAD系统对准备制造的零件进行三维实体造型设计，再由专门的计算机切片软件将三维CAD模型切割成若干薄层平面图形数据。

  图2所示的容器中，盛有在紫外光照射下可固化的液态树脂，如环氧树脂、乙烯酸树脂或丙烯酸树脂，不同树脂样件的机械特性不同。立体印刷开始时，升降台通常下降到距液面不到1mm（相当于CAD模型最下一层切片的厚度）处。随后x-y激光扫描器根据第一层（即最下一层）切片的平面几何信息对液面扫描，液面这一层被激光照射到的那部分液态树脂由于光聚合作用而固化在升降台上。接着升降装置又带动升降台使其下降相当于第二层切片厚度的高度，x-y激光扫描器再按照第二层切片的平面几何信息对液面扫描，使新一层液态树脂固化并紧紧粘在前一层已固化的树脂上，如此重复进行直至整个三维零件制作完成。

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图2 立体光刻装置示意图

  SLA方法是目前快速成形技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。SLA工艺成形的零件精度较高，多年的研究改进了截面扫描方式和树脂成形性能，使该工艺的加工精度能达到0.1mm。但这种方法也有自身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、有的光固化树脂有一定的毒性等。  2 选择性激光烧结（SLS） 选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，简称SLS)是用二氧化碳类红外激光对已预热（或未预热）的金属粉末或者塑料粉末一层层地扫描加热，使其达到烧结温度，最后烧结出由金属或塑料制成的立体结构。
* e0 V0 C( I  Y3 s8 m2 z  选择性激光烧结与立体印刷的生产过程相似，首先还是由CAD/CAM系统根据CAD模型各层切片的平面几何信息生成x-y激光束在各层粉末上的数控运动指令。制作过程如图3所示，随着工作台的分步下降，将粉末一层一层地撒在工作台上，再用平整滚将粉末滚平、压实，每层粉末的厚度均对应于CAD模型的切片厚度。各层上经激光扫描加热的粉末被烧连到基体上，而未被激光扫描的粉末仍留在原处起支撑作用，直至烧结出整个零件。   SLS工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件，特别是可以制造金属零件，这使SLS工艺颇具吸引力。SLS工艺无需加支撑，因为未烧结的粉末起到了支撑的作用。

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图3 选择性激光烧结示意图

  3 叠层实体制造（LOM） 叠层实体制造（Laminated Object Manufacturing，简称LOM）又名分层（或层压）实体制造，它的生产程序与前述两种方法相近，其主要特点是根据CAD模型各层切片的平面几何信息对箔材（通常为纸）进行分层实体切割。如图4所示的装置由供料轴和收料轴不断传送箔材。工作时激光器发出的CO2激光束进行x-y切割运动，将铺在升降台上的一层箔材切成最下一层切片的平面轮廓。随后升降台下降一层高度，箔材供料轴和收料轴又传送新的一层箔材，铺上并用热压辊碾压使其牢固地粘在已成型的箔材上，激光束再次进行切割运动切出第二层平面轮廓，如此重复直至整个三维零件制作完成。   LOM工艺只须在箔材或者纸上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此成形厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑。
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图4 叠层实体制造示意图

  4 融积成形（FDM） 融积成形（Fused Deposition Modeling，简称FDM），其成形材料可用铸造石蜡、尼龙（聚酯塑料）、ABS塑料及医用MABS塑料，可实现塑料零件无注塑成形制造。
5 X' T( Z- L+ f2 j/ P, h% U   FDM融积成形系统采用专用喷头，成形材料以丝状供料，材料在喷头内被加热熔化，喷头直接由计算机控制沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出沉积成实体零件的一超薄层，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。整个模样从基座开始，由下而上逐层堆积生成，如图5所示。

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图5 融积成形示意图

   FDM工艺不用激光器件，因此使用、维护简单，成本较低，无毒无味和运行稳定可靠，适合办公室环境使用，符合环保要求。用石蜡成形的零件原型，可以直接用于熔模铸造。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。由于以FDM工艺为代表的熔融材料堆积成形工艺具有一些显著优点，该类工艺发展非常迅速。
  5 三维印刷（3DP） 三维印刷（Three Dimension Printing，简称3DP）工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面，如图6所示。用粘结剂粘接的零件强度较低，还须后处理。先烧掉粘结剂，然后在高温下渗入金属，使零件致密化，提高强度。

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图6 三维印刷示意图

该工艺已被美国的Soligen公司以DSPC(Direct Shell Production Casting)名义商品化，用以制造铸造用的陶瓷壳体和芯子。
  4 快速成形技术在铸造上的应用   快速成形与铸造相结合的产物是快速铸造技术（Quick Casting，简称QC），这种快速铸造使得多种材料、任何形状复杂、内部结构精细的铸件都能生产出来，产品开发周期短、精度高，大大地提高了企业获取订单的竞争力，RP为实现铸造的短周期、多品种、低成本、高精度提供了一个快速响应技术，显示出了强大的生命力和巨大的应用潜力。快速成形技术在铸造上的应用如图7所示。

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图7 快速成形技术在铸造上的应用

1 直接铸造法  直接铸造法主要是指由RP技术直接一步成形铸造用的型壳、型芯，型壳、型芯经处理后，即可进行金属浇注，铸造出金属零件。由于从原型到金属零件不经过造型转化，故称直接铸造法。该类工艺方法一般用于单件、复杂零件的制造。 （1）直接壳型铸造：直接壳型铸造是利用激光选择性烧结对以反应性树脂包覆的陶瓷粉进行烧结，可以一步制成铸造用的型壳、型芯的方法。在CAD环境中，直接将零件模样转换为壳型，再配以浇注系统。型壳的厚度可取5～10mm，烧结过程中，非零件部分进行烧结，零件部分仍是粉末。烧结完成后将粉末倒出，再经固化处理就获得铸造用的型壳，进行浇注后即可制得金属零件。用此方法，省去传统精密铸造多种工艺过程，是传统铸造的重大变革。它的最大优点是速度快，不需要任何模具，甚至不需画图，设计工程师通过计算机网络将资料送到铸造车间的系统中便可完成型壳的设计与制作。该工艺的不足之处主要是零件表面粗糙度值较高。其关键技术是型壳厚度、型壳表面粗糙度及固化处理工艺。    近几年开发研制的激光快速自动成形系统，还可以利用铸造覆膜砂直接进行选择性激光烧结，制作铸造壳型和壳芯，使这一技术在铸造上的应用得到更进一步的发展。 （2）直接制模铸造：直接制模铸造（Direct Shell Production Casting，缩写为DSPC），其成形方法不是采用激光进行选择性烧结，而是采用粘结剂进行选择性粘接。把CAD模型转换成模壳，然后以类似于熔模铸造的工艺，制造出金属零件。从设计到成品零件出厂前后只要10天，是金属零件设计和制造上的一个突破。
8 Z5 I  H' ]! P  直接制模铸造来源于三维印刷快速成形技术，生产过程如图8所示。

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图8 直接制模铸造的过程

a) CAD 设计好的零件模型 b) 模壳设计装置构造模壳设计 c) 模壳制造装置上表面沉积薄层陶瓷粉 d) 喷墨头喷射微滴粘结剂
e) 过程重复出所有的薄层 f) 取走模壳处的疏松粉 g) 燃烧模壳注入熔融金属 h) 分开模壳露出完成的零件

' ?7 s" G) O6 i8 g- v! Y* G* V1）将工件原形CAD模型输入型壳设计装置，生成用于浇注铸件的壳型的电子模样（包括铸件收缩余量、铸造圆角、加工余量、壳型型腔数目、浇注系统等），进行充型凝固模拟，预测铸造时可能出现的各种问题，完善模型并确定壳型和壳芯的厚度等尺寸，以确定所需制壳材料的重量等参数，如图8a、b所示。
6 ?3 W& I) a8 {+ J& U$ u# F- n: Q* C2）把电子模样输至模壳制造装置，由电子模样制成固体的三维陶瓷模壳。
- v3 \! n: F0 l  {. G① 在模壳制造装置上表面沉积一层薄薄的细刚玉粉，由平整辊压平其表面。
9 y" Z( T" d' N3 p- n② 由按指令在x-y平面移动的喷头向刚玉粉层表面喷射由压电陶瓷振动雾化并通过电场而带电的硅胶液粘结剂微滴，使形成型壳厚度的刚玉粉层固化，未被粘接的刚玉粉则留做后面沉积层的支撑。反复进行①和②操作直至构成整个三维壳型，如图8c～e所示。
' ?/ G5 c! v& c3）去除型壳内外的未被粘接的粉料；然后像熔模铸造一样烘干、烧结型壳，浇注金属液，获得与原形CAD模型形状、尺寸相同的铸件，如图8f～h所示。
; U2 e2 Q: S" o. f直接制模铸造从设计到零件交货的周期如图9所示。
: S$ h3 q. \2 a7 k直接制模铸造使熔模铸造成为金属成形方法中更具吸引力的工艺，因为它是一种柔性、环保工艺，几乎所有的复杂外形以及某些复杂的内部结构都能制作。

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图9 直接制模铸造的周期

  该工艺的成形材料也可以是铸造用砂，直接制得铸造用的砂型，浇注后即可获得金属零件。该方法由于设备运行费用低，成形尺寸大，成形材料便宜，适合用于单件大型复杂零件的铸造。
+ l$ M& L9 c% }( O0 f% S( ?5 ?4 n& Y- ~  2 一次转制法  一次转制法主要是指由RP技术（如FDM法、LOM法、SLS法、SLA法等）提供的原型作为母模，可直接与普通砂型铸造、熔模铸造、消失模铸造与真空铸造等铸造工艺结合，制造金属零件。由于从原型到金属零件要经过一次转化，故称一次转制法。该类工艺方法一般用于单件、小批量零件生产。
(1) 普通砂型铸造用模样的快速成型  选用适当的树脂材料制得原型模样，再进行表面喷镀，或者是用LOM法制得原型，然后将模样直接安装在模板、芯盒上使用。在制作砂型铸造用模样时，还将铸造工艺专用软件与快速成形技术相结合。首先用铸造工艺专用软件在为欲制作的零件加上加工余量、起模斜度、铸造圆角等。将有关数据一起送入快速成形机中即可自动制作出所需零件的模样。制成的模样可以用来拼装模板，也可以代替传统木模用于手工砂型铸造，过大的模样可以分段制作后再组合。为了节省树脂和上机时间，模样背面通常都制成蜂窝状结构，采用这种结构有时可节省材料70%。模样表面厚度和蜂窝状结构的具体尺寸根据模样承受的压力来决定。为了提高模样的耐磨性，可在树脂模样表面喷涂铝合金或特氟隆塑料。用这种工艺生产的一件直径445mm、高55mm的模样，表层厚度1mm，背部蜂窝状结构厚15mm，在呋喃树脂砂造型线上使用114次后表面发生局部剥离，到180次后经局部修整仍可继续使用。在模样尺寸精度方面也是令人满意的，使用该系统生产了近200套模具，未发生一次尺寸精度超差的情况。在某次抽查的模样的20个尺寸中，偏差在-0.62%～+0.9%之间。
0 H6 {4 h6 c% n# i/ d) Y2 A+ W8 c  LOM纸质原型具有与木模同等水平的强度，等同甚至更优的耐磨性能，可与木模一样进行钻孔等机械加工，也可以进行刮腻子等修饰加工、其硬度、强度数据列于表1中。因此，以此代替木模，不仅适用于单件铸造生产，而且也能适用于小批量铸造生产。实践中已有使用300次以上仍可继续使用的实例（用于铸造机枪子弹）。美国福特汽车公司用LOM法制造长685mm的汽车曲轴模样，先分3块制作，然后再拼装成砂型铸造用的模板，尺寸精度达到±0.13mm。 表1  模样肖氏硬度比较表（5次平均值）及模样强度比较

试  料 ; G  j1 c4 ^9 W& I: j	硬度/HS	受压强度/MPa 9 @0 A0 \3 {% Q, ~- u
LOM模样垂直于纸面 $ z! m. `" h3 H* ELOM模样平行于纸面 9 J0 p/ C4 t6 r3 I. q铝模 7 U! R) F* c; }) ~2 k. P( W杉木模 " n& y8 I' B  H松木模 ' b6 T/ j2 D+ Y# l/ a! I柳安木模 + y* c" i: t" S5 {3 F2 V; l* b1 w: b1 i	45 9 }( V* h, u; f5 n17 & |4 z- n& _& e: v0 }40 30 20 : k' X5 z& a! \- B9 Y7 H25	66 66 2 p9 ]/ G1 H, l9 \153 69 $ l& a; _! y; \) H/ R81 8 B* I& o9 x2 S. K7 v" ]— ; F5 C' `+ V' p! b! `5 P& b

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  此外，因其具有优越的强度和造型精度，故还可以用做大型木模。例如，大型卡车驱动机构外壳零件的铸模，其外形尺寸为760mm×600mm×280mm。
# m+ K3 x2 V' M: j, W  可见，使用这种方法制作模样有如下几个优点：制作周期以及消耗工时都大大降低，可以实现无人化操作，不需要熟练的模样工，可减少模样保管场地等。
  2）精密铸造用熔模的快速成形  几乎所有的快速成形技术制作的原型都可以作为熔模铸造的熔失模，各种快速成形技术用于铸造的优缺点比较见表2。
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表2  主要快速原型技术用于铸造的优缺点对比

方 法	立体印刷			选择性激光烧结		融积成型	叠层实体制造
材料 7 I) P) o( x! L7 i% V  o熔模铸造适应性 铸造方法 烧（熔）前膨胀性 7 d  p, M( S9 V, \* O烧（熔）的时间 烧（熔）后残留物 ! B, d; n5 f# F' C, Y0 b铸件表面光洁程度 5 [6 s# u, `" z	环氧类 3 O7 R6 f% v$ p1 u$ t* O+ j1 c1 m中等/好 砂型/型壳 高 中等/快 0 c7 I7 M1 O6 v3 ]: G. q, ]7 f低 高	乙烯类 3 w3 ]- H0 t7 ]" Y9 ]- Y低 3 E. @1 B. o0 U; D砂型/型壳 高 0 ^/ u/ S( x: I& {& Z2 k* B慢 : U4 c- C" U& |$ f; ?中等/高 高 ( m5 M$ Q: J5 d( f2 c; w# v	丙烯类 1 |8 R6 a3 Z8 ~' s+ s低 砂型 5 C2 ]- l+ d- ^- A! Z9 C高 慢 中等/高 高 / ~2 q/ a$ D- N# _) @	聚碳酸脂 好 6 x4 s! n6 G. R# [: e. d砂型/型壳 中等/低 ( G8 n& g0 t4 y快 低 9 f/ c! B" w9 d* v( S! h一般 9 w# T/ n7 j; p	石蜡 极好 砂型/型壳 可忽略 快 无 差 1 y3 P0 S2 B  A* Y5 q	石蜡 中等/好 砂型/型壳 可忽略 ( v( j# O3 o- a- a; ]& e9 r快 无 " q; ^5 L  T! h/ X' @' W4 F  x差	纸 + I5 S+ E9 d6 H, h中等/好   x6 v9 R; F9 B5 k3 g; u砂型/型壳 低 ( }6 z. W$ G2 k& @0 K- _6 F. b慢 2 n0 w3 ]& w8 A3 H2 c高 般

    SLA成形材料是丙烯酸脂或环氧树脂等热固性光敏树脂。这些材料只能烧失掉，不能加热熔化。所以成形树脂模样外涂覆陶瓷耐火材料后焙烧，将模样烧掉而剩下陶瓷壳体，将型壳加入背砂浇注金属液，冷却后即可得金属件，该法制作的制件表面光洁。SLA制作的模样最初并不能用于熔模铸造生产。这是由于树脂聚合物模样在结壳后脱模燃烧时的膨胀会导致型壳破裂。经过不断改进，开发出专门为熔模铸造生产设计的机型，制作的树脂模样是中空的，或用薄到1mm的肋在三个正交方向互相连接起来的支撑网格来构成其中的中空部分，其外壁开有引流孔将中部未硬化的树脂排出。这样在结壳后燃烧脱模时中空模样首先向内塌缩而不会使型壳开裂。专门为其开发的环氧型树脂，粘度低，在制作中空模样时，从引流孔排除多余树脂时间短，即使是相当复杂的模样也只需2～3min。用这种树脂制作的中空模样壁可以很薄（0.3～0.5mm），刚性好，变形小，而且树脂模样与制壳材料浸润性好，制成的型壳浇注出的铸件表面光洁。此外这种树脂燃烧性能好，燃烧1g模样残留灰渣仅为10μg。

   SLS成形材料可以是熔模铸造用蜡粉、聚碳酸脂、尼龙、ABS塑料等。石蜡、聚碳酸脂等热塑性材料，加热后可完全熔化，很适合于熔模铸造。由蜡粉制成的模样可直接进入后续的熔模铸造工序。聚碳酸脂模制作快、强度高、表面粗糙度值低，现已逐步用其代替石蜡模。聚碳酸脂粉末烧结成的中空模样用于熔模铸造生产也很有前途。这种模样对温度变化不敏感，强度高，在制作过程中变形和脆断少，在最后燃烧脱蜡工序中残留灰分少。现在还在研究开发其他粉末材料，如聚苯乙烯和PMMA，其烧结温度低、强度高、燃烧快、灰分更少。

   用选择性激光烧结工艺制成的原型尺寸在使用蜡粉时可达±（0.13～0.25）mm，表面粗糙度均方根值在3.048～4.064μm之间。使用蜡粉时垂直方向的成形速度为12.7mm/h，使用聚碳酸脂粉末时为25.4mm/h。尽管SLS制作表面粗糙度值高于其他快速成形技术制件，但聚碳酸脂的模可通过在其表面涂蜡而改善。据统计有30％的模样采用该法制模，如北美就有50多家铸造厂采用本法生产熔模铸造铸件。一家公司用其试制一个新气缸盖仅用4周时间和12000美元。而若用普通砂型方法试制，则需用16周时间和75000美元。

   FDM主要使用热塑性材料或石蜡。该法用于铸件生产的原理与SLS原理相同，但用于铸造过程最理想。它可以采用灰分含量很低的工业标准铸造石蜡，制造表面粗糙度值较低，符合标准的精铸蜡模。由于采用通常的铸造石蜡可快速从壳体除蜡，但所得铸件表面粗糙度值比SLS制件高。

+ t+ ^* q. y# l# z   LOM用纸张叠层所制原型，也可作为熔模铸造的熔失模，但它易受潮并在蒸汽环境中发出气味，因此原型在作为熔模铸造使用前要将其表面喷涂一层起保护作用的聚氨脂。加热焙烧时模样会留下少量灰分，有可能会引起铸件表面质量问题。    需特别指出的是：DSPC含义是直接制模铸造，它通过电子模型制成固体的三维陶瓷模壳。该工艺与熔模铸造制壳工艺有本质不同，它直接利用计算机辅助设计的数据自动制造陶瓷壳，而无需模具或压型，使熔模铸造省去了制压型、蜡模以及涂挂涂料的工序，大大缩短了熔模铸件的生产周期；也不用考虑蜡模变形等因素的影响。因此，不仅可制得近净形零件，并能制造出中空的零件。使用该法的工厂可在收到订单后一周内可交付高精度的铸件。

（3）实型铸造消失模的快速成形：立体印刷SLA、叠层实体制造LOM、融积成型FDM等生成的树脂或热塑性材料原型均可以采用实型铸造工艺直接生产铸件。将涂有耐火材料的成型模样放置于密封并充满干砂的箱体中，抽掉箱中空气，使砂型紧实；将熔化的金属液通过特殊的浇冒口系统进入砂型中，烧掉模样并取代其位置而形成金属零件。但由于烧掉模样时而残留下少量的灰分，所以直接影响零件的表面质量。
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   选择性激光烧结新研究开发聚苯乙烯和PMMA粉末，其烧结温度低、强度高、燃烧快、灰分少。用其烧结而成的聚苯乙烯或PMMA模样可作为实型铸造的消失模。

  3 二次转制法   
  二次转制法主要是指由RP技术（如FDM法、LOM法、SLS法、SLA法等）提供的原型作母模，可浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料，构成软模具，再用软模具与熔模铸造、陶瓷型铸造、石膏型铸造和涂料转移法精密铸造等铸造工艺结合，制造金属零件。由于从原型到金属零件要经过二次或二次以上工艺转化，故称二次转制法。该类工艺方法一般用于批量零件制造。该技术的关键是原型翻制软模具的尺寸精度和表面粗糙度的保证及模具的定位。

5 各种快速成形技术在铸造上应用的比较

  快速成形技术与铸造技术相结合生产金属零件的最佳技术路线及较适合的零件种类，可归纳为表3。

表3  快速铸造最佳技术路线及适用范围

成形方法	生产金属零件的最佳技术路线   I, T: A3 A* l4 j- r; ?	较适合的金属零件种类 / r( Y: E5 X& g! L
SLA ) }3 y' J/ E( M; lLOM 9 s+ |1 ^/ w# i' X+ a' ^" _' GSLS FDM DSPC , X, x5 t' i( H	SLA原型（零件形）→熔模铸造→铸件 LOM原型（零件形）→石膏型（或陶瓷型）→铸件 & Q# ~+ J$ \9 F% ]. n$ K3 b2 ?SLS原型（陶瓷壳型）→铸件 : M* K- h# ^. `FDM原型（零件形）→熔模铸造→铸件 . j: J1 _. a/ w. q# s. ]; z用FDM直接生成低熔点金属零件 ) z4 r( y! E) \) C0 x. ~$ d) rDSPC原型（陶瓷壳型或砂型）→铸件	中等复杂程度的中小型铸件 ! o$ B. Y, p7 A. u+ l, P0 _简单或中等复杂程度的金属模具和大中型铸件 中小型复杂铸件 ) V& |* i9 U$ I( ^2 ~中等复杂程度的中小型铸件 % t6 @0 S+ S1 {5 L. |9 Y* u中等复杂程度的中小型铸件 * u3 k* R" K8 K# y; W9 P/ @大中小型复杂铸件

[tr]  对SLA，SLS，LOM，FDM四种原型生产的精铸件精度和表面粗糙度进行比较。
3 w8 |# ?+ r) a
, _- G5 m& w4 n% a 1 铸件精度比较  测定、统计不同快速成形样件在xy平面内及z轴方向测量误差与样件长度的关系，以及误差密度分布。样件xy平面内误差与样件长度的关系图如图10所示。综合分析各个图可知SLA原型所生产样件误差最小、误差密度集中。

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图10 样件在xy平面内测量误差与其尺寸大小的关系

a) SLA误差  b) SLS误差  c) LOM误差  d) FDM误差

2 铸件表面粗糙度比较  测试件上表面、斜面和竖直面的表面粗糙度，统计结果见表4。从数据看，LOM原型生产的样件有最低的整体表面粗糙度值，其各方向的表面粗糙度（Ra）分别为1.5μm、2.2μm、1.7μm。其次是SLA原型生产的件，其表面粗糙度值相对也较小。

表4 几种不同快速成形原型生产样件的表面粗糙度Ra   (单位：μm)

	LOM	SLS	FDM	SLA
上表面 3 d+ `. P$ ^3 ^5 u8 s6 f  |斜面（45°） , D) J' R1 J3 ]$ M% n竖直面 8 C/ N, v* _) \/ k9 H	1.5 / E, G; C- T1 G1 r% W9 u2.2 % I; A' E  s. i- b# z! m1.7 % g+ J. T) s9 [1 r5 H8 e	5.6 % C6 M4 k. s) F. f  a: |4 l5 r4.5 ; [2 L; _! z( u& r8 ~8.2	14.5 11.4 % b: L+ O$ t4 B7 s9 h" O" N* T9.5	0.6 % G% P2 g5 O3 _% Z6.9 4.6 ( m) e, T" U2 o; P  c

  在工业生产中，选择快速原型除考虑他们对快速金属铸件精度和表面粗糙度的影响外，还得考虑其成本等因素。从目前情况看，SLA原型的成本较高，做小件时可使用；生产大铸件时，LOM、SLS原型则可能是较佳的选择。

  6 应用举例

  1.基于快速成形的熔模铸造 熔模铸造是快速成形技术与铸造技术相结合快速制造金属零件和模具最常用的工艺，SLA、SLS、FDM、LOM原型均可用于熔模铸造，表2已对各种快速成形工艺用于熔模铸造的优缺点对比。同一种RP原型其熔模铸造的工艺方案也有多种选择，下面以LOM原型艺术人头像为例进行多种熔模铸造工艺方案的分析对比，如图11所示。

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图11  艺术人头像的多种熔模铸造工艺方案

1—凸纸型2—蜡浇口3—型壳涂料层4—金属液5—浇包6—石膏压型7—压板
; v. F- d: M6 C' H8—凹纸型9—喷陶瓷10—压蜡嘴11—环氧树脂压型12—锡铋合金压型13—耐高温硅橡胶压型

（1）方案a：用凸纸模代替蜡模，粘上蜡浇口，直接涂料结壳，经高温焙烧，烧掉纸模，留下中空型壳进行浇注。该方案的实施条件是要求纸模易燃烧、含杂质少。试验表明，纸模中含有质量分数为4.93%～5.11%的水分及7.39%～8.00%的灰分，因此在焙烧中，纸模将产生大量气体，引起型壳胀裂，并且焙烧后在型壳中残留较多的灰渣，不易清除干净，易导致精铸件产生夹渣等缺陷。并且每次浇注都要烧失纸模，其成本也较高。

（2）方案b：用凸纸模当母模，复制石膏型压型，用石膏压型压制蜡模，再用蜡模涂料结壳，经脱蜡、焙烧得到中空型壳，最后进行浇注。因石膏压型导热性差，蜡模冷凝速度慢，生产率低，且使用寿命低，故该方案只适合单件、小批量生产。

（3）方案c：对凹纸型工作表面进行喷陶瓷材料等表面处理，然后用经表面处理过的纸型做压型，进行压蜡、涂料结壳等精铸过程。表面处理可提高纸型工作面的耐磨性，防止纸型脱胶分层，降低表面粗糙度值，以提高压蜡次数和改善蜡模表面质量。缺点是需增加表面处理设备费用，形状复杂的压型型腔喷涂后的打磨、抛光较困难，且因喷涂层一般较薄，其背面仍然是导热性差的纸型，也存在蜡模冷凝慢和生产率低的缺点。

（4）方案d：用凸纸模复制环氧树脂压型，并进行压蜡、结壳等过程。因环氧树脂也存在导热性差所引起的一系列弊病，还易老化、变形，影响压型和蜡模尺寸精度，故应用较少。
# T9 ^" w& {+ P
（5）方案e： 用凹纸型复制石膏凸型，然后在石膏凸型上复制Sn-Bi合金压型，再用Sn-Bi合金压型压制蜡模，用于精铸件生产。Sn-Bi合金压型具有导热性好，压型寿命长，型腔表面光滑，复用性好的优点，广泛用于精密铸造生产中。但该方案中的压型是由复制的石膏凸型再次复制而得到的，多次复制不仅增加压型制造周期和生产成本，还使压型精度降低。
1 B3 S8 c0 O2 c! u8 q. a$ W4 J7 }
（6）方案f：用凹纸型复制耐高温硫化硅橡胶凸型，并浇注复制Sn-Bi合金压型，用于精铸件的生产。该方案与方案e相似，但耐高温硫化硅橡胶的成本较高。
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9 _; L- d% }: t; @+ \( ?+ ]- t（7）方案g：用凸纸模作为母模，直接用液态Sn-Bi合金浇注，复制出Sn-Bi合金压型。与方案e及方案f相比，不仅具有上述优点，而且省去了用石膏型或硅橡胶进行中间过渡复制的中间环节，是最快制造金属压型的工艺，也是技术难度较大的工艺，虽然纸在Sn-Bi合金液的冲刷和热作用下，尚不足以着火、燃烧和碳化，但浇注温度过高时，纸型中的水分和热溶胶会产生较大的发气量，并使纸型分层脱胶，影响铸件表面粗糙度，因此在保证充型的前提下，尽量降低浇注温度。若采用耐高温的箔材制造原型，将会收到更好的效果。

  2. 基于快速成形的陶瓷型铸造  快速成形技术与陶瓷型精密铸造技术相结合的方法为快速金属零件制造的最有效途径之一。  （1）基于快速成形的陶瓷型铸造的特点。它具有快速成形与陶瓷型铸造的双重特点：   
   1）不受零件形状的限制。
/ M3 u1 n0 G8 B   2）铸件表面光洁，尺寸精度高。
   3）零件的细微部分能够被完整地刻化出来。
   4）陶瓷型铸造的铸件不受合金种类、铸件重量和尺寸的限制。特别是对铸钢件的生产，无论是大件还是小件，陶瓷型铸造都是比较理想的方法。
   5）成形由CAD数据控制，模样修改方便。    （2）基于快速成形的陶瓷型铸造的工艺过程见图12所示。 http://www.china-machine.com/zzlmweb/xjsxgy/f22.files/image20.jpg
图12  基于快速成形的陶瓷型铸造的工艺过程  

   1) 在三维CAD造型系统中完成铸件的三维实体模样设计。生成模样STL文件。
   2) 对模样的STL文件进行处理，分层、加支撑。
   3) 快速成形机在已得到的模样分层、支撑文件控制下制造出模样的树脂原型。
3 U' N9 O* R0 N; n   4) 直接在原型上挂浆、制作陶瓷壳。在室温下放置2h左右，从陶瓷壳中取出原型。
" N( [' Y$ d+ l9 P# u5 G8 j   5) 将陶瓷壳在加热炉内焙烧（200℃）5h后取出，自然冷却。
7 Q' K: q2 S  \5 U6 C& x8 @/ `   6) 浇注金属，得到铸件。
9 J' j2 S) u% @. W8 [+ F   7) 对铸件进行清砂等后续工艺处理，得到金属铸件。
   8) 对铸件进行尺寸、力学性能检验。
     若不合格，修改CAD模型重新制作。

  （3）铸件生产：铸件的CAD模型顶视图如图13所示，轮廓尺寸为125mm×62mm×50mm，尖角分别为35.5°和13.7°。铸件的树脂原型如图14所示。
0 h/ A0 i* }# [+ ?: U

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图13  CAD模型顶视图

http://www.china-machine.com/zzlmweb/xjsxgy/f22.files/image039.jpg

图14  树脂原型图

  陶瓷型的配料如下：
7 x/ k6 _- m- U! I: S8 p 1）耐火材料，见表5。 表5  耐火材料

硅石粉（硅砂）100g，其中
粒径/mm % ^7 k1 D2 K" B! h含量/g 4 ^# P$ z1 i& R: {( }$ u	0.600～0.300 < 15	0.300～0.150 8 ?, W) j1 [  P9 Z30 2 M( ~5 Y$ _0 e' k, m2 ]	0.530 6 J3 w& N7 y. _% h7 O& v55 " ^9 ^) @% p8 l8 E# ~

2）粘结剂—硅酸乙脂水解液
① 硅酸乙脂水解液配方的体积分数为：硅酸乙脂58.1%；蒸馏水8.75%；无水乙醇32.5%；其占粉料重量的0.5%～0.6%。
4 @* A% [( e: J1 @  E, I% ~ ②（MgO）占粉料重量的2%～3%。
③粉液比，硅石粉（g）/水解液（mL）=2～3。
! g( k' l. k1 y5 x: ^" K* i- H ④焙烧温度200℃（不喷烧）。

3）固化剂，纯MgO使硬化时间延长到约1h，这样可以明显提高强度，有利于起模。浇注金属选用w(C)=0.4%的中碳钢，浇注温度为1600℃，铸件在砂箱中冷却10h后开箱清砂，测量铸件的粗糙度和尺寸，铸件的表面粗糙度达到Ra=3.2μm，尺寸精度0.3mm/100mm。并且所有细微特征都能够清晰地复制到铸件上，铸件照片如图15所示。

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图15 铸件照片

  3 基于快速成形的石膏型铸造  以某薄壁、复杂结构件——安装架（见图16）为例，介绍基于快速成形的石膏型铸造的工艺过程：

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图16  铸件图

     

   选定融积成形技术FDM作为安装架铸件蜡样的成形手段，成形材料采用熔模铸造石蜡ICW04，其软化温度为80℃，属松香基中温蜡料。

- o7 s+ x6 M6 U% k8 d0 A3 z3 i

  1) 将安装架蜡样图样转换成CAD数据，并在CAD工作站上生成三维立体图形，然后输入到UNIX工作站，而FDM软件将模型数据处理为水平分层数据，传递给FDM快速成形机。
5 I$ y4 N. _  l2 G, E  2) 在FDM快速成形机内，半流动石蜡从FDM喷头挤出，沉积形成一超薄层（层厚0.03mm，宽度2.5mm），整个模样从安装架的基底座面开始，自下而上逐层生成，如图17所示。此生成过程每件需7h左右。
2 ?8 e# q- f% `  M

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图17  蜡样照片

  3）蜡样的后处理：用丙酮作为抛光液，手工抛光蜡样，表面粗糙度为Ra=6.4～3.2μm。
# O- i9 z( H$ o6 `" `  ^6 t" w  4）检验蜡样，符合图样要求。
4 T; J! p" Q( v2 i  5）对安装架FDM蜡样进行精铸工艺方案设计，并组焊浇冒系统，如图18所示。
! V6 {! t: h* B$ t

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图18  工艺方案简图

6）在真空下（33.3Pa），配制石膏浆料，搅拌时间2～3min。
! X% w; F8 b6 F/ f" o2 ^: A$ u- m( C7）模组在弱碱性肥皂水中，洗涤、浸泡、除污。
" B: K7 u9 k$ J* v% j8）固定模组，浇灌石膏型，浇灌全过程在真空下进行，浇灌室要求1min内达到20Pa，浇灌完后，迅速破真空，以利充型、复制。铸型应静置1.5h。
7 w% u! Q9 T; T7 m& {; I! q9）在低温（88～105℃），慢速（脱模时间2～3h），低压（脱模蒸气压≤0.1MPa）的条件下对铸型脱蜡。
10）石膏型自然干燥2d。
11）铸型高温焙烧：焙烧温度700℃，焙烧时间16～18h。
- w6 \. W1 J; `# q" ^0 `7 A12）石膏型转入310℃的电阻保温炉内，保温4～6h，等待浇注。
; l! p0 ^1 h; `: q5 g$ ]) I13）熔化ZL101A，精炼除气。
14）铸型在真空下浇注，并迅速破真空，加压，持压（0.7MPa），铸件在压力下结晶，凝固。
15）铸件清理，校正，冰冷处理。
& Q7 l! g7 |/ d/ k16）铸件经T7热处理。
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8 j6 z" r1 \" c  `8 `   FDM蜡样经石膏型精密铸造后，所得的安装架铸件照片如图19所示，其表面粗糙度、尺寸符合图样要求，铸件质量满足设计要求。生产周期缩短40%以上，成本降低20%以上。
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图19  铸件照片

  4 基于快速成形的涂料转移法精密铸造  基于快速成形的涂料转移法精密铸造就是在RP（LOM或SLA）原型或硅橡胶模样（以RP原型为模样，翻制出的过渡原型）表面涂覆涂料（刷涂、淋涂或喷涂），在涂层背面迅速填加树脂砂或水玻璃砂，涂层可以很好地转移到砂型、砂芯表面，而且涂层可以很好地精确复制出模样的外形或内腔的形状，可以明显提高铸件的尺寸精度。制造获得砂型后，浇注高温金属液，凝固后经表面处理，制造获得精确成形的金属零件或模具，其工艺流程如图20所示。

（1）基于快速成形的涂料转移法精密铸造的特点
  1）涂层不占据零件或模具的尺寸空间，所以也称为基于快速成形的非占位涂料转移法精密铸造。 http://www.china-machine.com/zzlmweb/xjsxgy/f22.files/image21.jpg
图20  基于快速成形的涂料转移法精密铸造模样的工艺流程

  2）涂层能牢固地附着在砂型（芯）上，有较大的附着强度，并且涂层具有较高的强度、硬度、耐高温和耐侵蚀性能，表面无裂纹。
  3）与熔模铸造相比，没有蜡模的变形，可以明显提高铸件的尺寸精度；与石膏型精铸比较，没有石膏膨胀和收缩引起的尺寸偏差及耐火度低的不足；与陶瓷型精铸相比，没有陶瓷型难以清理、尺寸精度低的缺点。
  4）成形产品尺寸精度高，可以获得较低的表面粗糙度值。
% \6 T; M" G5 H" J% T5 F6 |# c: F  5）适应范围广，可以铸造铜、铸铁和铸钢件。
  6）生产周期短、成本低，与表面处理相结合可用于快速制造铸造模样。
  Y/ E8 e5 T; u) o（2）基于快速成形的涂料转移法精密铸造的工艺过程
  1）制作RP（LOM或SLA）原型，或用原型翻制无收缩硅橡胶软模。
2 K& p, B! z9 ~1 q+ T  @: ]  2）将RP原型或硅橡胶软模固定在造型平板上。
  3）放置砂箱。
& b( J1 ?8 c, t- r$ B  4）涂抹分型剂。
, D3 z5 a& H4 n$ C) ~  5）在模样上刷涂、淋涂涂料（涂层1～3mm）
  6）加树脂砂或水玻璃砂造型，固化后，涂层自发地转移至型芯表面，脱去模样后便得到上好涂料的型芯。
1 d) T+ o0 B$ T' y* R2 o7 p  7）喷烧型芯表面，烧去残留的有机溶剂和水分。
# _& B$ C% J  g  8）合型、浇注、清理，制造出产品。
（3）基于快速成形的涂料转移法精密铸造金属模样
5 P6 w1 c" `) x0 k( l- Q! \  1）涂料的配制与涂覆工艺：涂料主要由耐火材料、载液、粘结剂和添加剂组成。耐火材料主要以不同目数的硅石粉和莫来石粉为主，采用醇基材料作载液，硅酸乙脂做粘结剂，添加适量的氢氧化物作为添加剂混制快干涂料。
% ]2 R& \3 y/ ~5 k+ d  涂料的涂覆方法主要有刷涂、流涂、淋涂、喷涂、浸涂和静电粉末喷涂等。对于单件、小批量零件的非连续生产，采用刷涂与流涂工艺相结合，涂覆效果好。
  2）翻制硅橡胶软模：对于形状简单、易于造型取模的零件，可直接将制造的RP原型作为母模用于造型；对于形状复杂、难于造型取模的零件，用RP原型翻制无收缩硅橡胶软模。硅橡胶具有易于使用、复印性能好、耐腐蚀、使用寿命长、易于取模和适应范围广等特点，广泛用于模样和过渡模样制造。
, Y. P' o6 s  k+ m# I5 j2 L  3）造型和浇注：在RP原型或硅橡胶中间过渡软模表面薄薄涂覆一层脱模剂（可以用缝纫机油代替），然后在模样表面涂刷涂料，迅速填加树脂砂或水玻璃砂（树脂、水玻璃加入量稍高于传统的树脂砂和水玻璃砂铸造），紧实固化后，涂层自发地转移至型芯表面，脱去模样便得到上好涂料的型芯。用喷灯喷烧型芯表面，烧去残留的有机溶剂和水分。随后进行合型、浇注，即可获得金属零件或模样。对于模样需进行表面处理，使其表面具有防粘、防蚀或润滑等特种功能，可进一步提高模样的寿命和功效。
, M% x/ ^$ }- |" @   采用该工艺技术制作的部分铸造模样种类和数量见表6。铸造模样达到的精度见表7。

表6  铸造模样种类和数量

序号	铸造模样种类 ! Z6 T+ ~3 [1 p9 {- w6 W6 ^* J3 i	使用单位 7 W) V) e: ^9 r	种类 ; z7 z! Z5 G1 K  e	数量
1 2 3 4 3 q& |' g; U% d2 A' j/ Y9 F0 C5 6 N! Y( k+ {+ Y1 o/ B2 ]6 7	摩托车避振筒金属样 ) `  G4 A) I' H0 P, Z, H2 {车用液压阀体金属样 + x6 e& n$ p5 h1 B* J) u% k. C  }桑塔纳轿车制动钳模样 ! b8 J+ S1 X9 m, O4 M. ~  b$ s桑塔纳轿车制动器模样 / K7 y% ~% G! o6 ]3 v桑塔纳轿车曲轴模样 * ], i- \; T# a# O" D. c% _6 j桑塔纳轿车凸轮轴模样 V6发动机曲轴铸造模样 & R6 @4 e* n; c0 \5 e6 |	上海汽车工业总公司 # |9 E/ V/ f5 n0 A$ |( Y' ~上海立新液压件厂 0 a  ^7 C# H8 r& f! q7 i& z, R上海汽车工业总公司 ; X5 N4 J+ ~/ w. w  |/ c' O上海汽车工业总公司 上海汽车工业总公司 0 \5 F" z. m: v4 T# Z# U上海汽车工业总公司 6 `5 E2 l5 D* c- J, I- c2 E0 Q美国某汽车公司	3 - l6 `/ d3 _$ l: ^' D3 , r, B- k) Y) Q6 o6 Y6 {2 2 $ [2 C) m# o" J2 ' L! Q2 I' F& l/ }# N3 E2 2	24 4 C0 F! y0 i% N; y' n+ t) ?" c4 e* n24 3 I6 X! L* n# A3 E3 v16 9 l' j4 z  Q+ X8 X40   _0 H, R" k% F. j* t40 80 ) i. H" U5 ~/ n7 R+ t- v5 j8

表7  铸造模样达到精度要求

铸造模样尺寸范围/mm	铸造模样精度/mm	表面粗糙度Ra/μm 5 v! ^# q5 O7 l$ ]5 S* N' s& v$ u1 {
10～200 200～500 1 S! z7 f, ?& g( p500～2000	±0.2 0 V, ?! J+ [8 y8 n8 q±0.3 3 r" f2 j+ n% Q9 V±0.5 ! Q' p& O% [  B' k: G) X- g9 t	3.2 # R+ p' c. m  q: \6.3 - N  z" W7 n* d- Y7 h" [) u, {& H6.3 ( X8 n+ ~9 z# H

    制作的曲轴铸造模样如图21所示，其制作周期与数控加工的比较见表8，可见铸造模样利用快速成形的涂料转移法精密铸造在制作成批的复杂曲面模样时优势特别显著，加工20块模样只要20d，而采用数控加工，考虑成批生产，即使利用电加工机床进行修整和考虑数控编程只要进行一次，生产一块也需20d左右，加工20块模样至少需半年时间。

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图21  曲轴铸造模样
注：A～D尺寸见表9     曲轴模样的尺寸精度见表9，从实测结果看，模样的精度完全符合要求，对曲面加工来说，加工只不过是为钳工修整提供一个样板和控制点；采用数控加工，虽然加工精度高，但加工后还需要钳工修整，清除残留的刀痕，上下模需要配做。采用基于快速成形的涂料转移法精密铸造，工件成型后只要少量修整，尺寸基本一致，不必成对配做，可以任意互换。 表8  曲轴铸造模样制作周期比较

数控加工（加工1块）		快速成形的涂料转移法精密铸造（加工20块）
工  序	时间/d	工  序	时间/d
数控编程 下    料 . ~- B, f' Z3 {! N加工中心加工 + _- p( t6 H/ S1 N/ c. ^! i# [4 P手工修整	5 2 / @) J3 R0 v' N7 s10 20   M4 ]" @: a, z8 u' j6 [	铸  造 2 c9 u6 W9 }5 M' X, L9 J清  理 加工（分型面和孔）	9 2 [' }, B4 M3 |1 10 4 V( {1 j; ?: J. h% c2 g6 c; f. [
合  计	37	合  计	20

                               表9  曲轴模样的尺寸精度实测结果            （单位：mm）
2 W+ C- g9 \/ B7 Y$ m- z' m  [

模样编号	A尺寸设计为225.1	B尺寸设计为75.1	C尺寸设计为185.8	D尺寸设计为223.0
	实测    绝对 尺寸    误差	实测    绝对 ( `7 l% U! j7 r/ o尺寸    误差	实测    绝对 尺寸    误差	实测    绝对 ( \! [% \9 V. @尺寸    误差
1a 2a 3a 4a 1b 2b 3b 4b	224.90         – 0.20 224.95         – 0.15 225.01         – 0.09 225.01         – 0.09 225.01         – 0.09 224.95         – 0.15 225.11           0.01 224.99         – 0.01	75.21          0.11 75.29          0.19 75.22          0.12 75.33          0.23 75.19          0.09 75.14          0.04 75.20          0.10 75.25          0.15	185.80           0.00 185.70         – 0.10 185.85            0.05 185.79         – 0.01 185.71         – 0.09 185.77         – 0.03 185.75         – 0.05 185.64         – 0.16	222.87          – 0.13 222.90          – 0.10 222.97          – 0.03 222.91          – 0.08 223.04             0.04 222.90          – 0.10 222.96          – 0.04 222.94         – 0.06

注：A、B、C、D尺寸见图21。     可见该工艺适应性强、重复性好，加工周期短、制造成本低，特别适用于曲面复杂、线型多变、而金属切削难以加工的铸造模样、芯盒、金属型和压铸模等的制造，具有广阔的应用前景。