1 國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀
1.1 母模的快速制造技術(shù)[1-4]
快速制造(rapid manufacturing，簡(jiǎn)稱RM)是基于離散－堆積成形原理的先進(jìn)制造技術(shù)的總稱。英國(guó)Loughborough大學(xué)的P.M.Dickens等人指出，RM最重要的獲益是：①產(chǎn)品制造工藝簡(jiǎn)單；②產(chǎn)品制造時(shí)間縮短；③產(chǎn)品的制造成本降低。實(shí)際上，RM還具有增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)自由度、實(shí)行及時(shí)制造和異地制造等好處。
目前，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)在制造業(yè)發(fā)展中占據(jù)核心地位，圍繞這個(gè)方面，研究如何應(yīng)用快速制造技術(shù)顯得非常重要。其中，快速原型技術(shù)（rapid prototyping ，簡(jiǎn)稱RP）是RM大家族中最先產(chǎn)生的制造技術(shù),每年的RP發(fā)展報(bào)告中，T. T. Wohlers都強(qiáng)調(diào)RM的重要性。
因此，陶瓷型鑄造用母模制造也應(yīng)與快速制造技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)。美國(guó)3D Systems公司推出的一種Quick Casting工藝，它利用立體光刻(SLA)工藝獲得零件/模具的半中空RP原型，然后在原型的外表面掛漿，使一定厚度和粒度的陶瓷殼層緊緊地包裹在原型的外面，再放入高溫爐中燒掉半中空原型，得到中空的陶瓷型殼，即可用于精密鑄造。澆鑄后得到的金屬模具還需進(jìn)行必要的機(jī)加工，使其表面質(zhì)量和尺寸精度達(dá)到要求。該方法的優(yōu)點(diǎn)是用SLA原型代替原來(lái)精密鑄造中的蠟型，從而大大提高了鑄造原型的精度，并大大加快了制造速度。國(guó)內(nèi)采用西安交通大學(xué)激光快速成型中心的SLA-RP（600）系統(tǒng)制造的快速成型樹(shù)脂模和陶瓷型精密鑄造技術(shù)結(jié)合，所生產(chǎn)的金屬（ZG25）模具尺寸精度達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CT3～4級(jí)，表面粗糙度Ra3.2μm，可用于實(shí)際生產(chǎn)。清華大學(xué)也生產(chǎn)出LOM1015型機(jī)器，以LOM紙?jiān)蜑槟改＃捎贸墒斓奶沾尚凸に嚕晒ιa(chǎn)出合金鑄鐵汽車(chē)空壓機(jī)蓋的沖壓模具鑲塊。清華大學(xué)還提出無(wú)焙燒陶瓷型制模(unbaked ceramic mould tooling)，該技術(shù)首先以RP原型為母模，將RP原型翻制為硅膠模，再由硅膠模翻制陶瓷型，通過(guò)陶瓷型精鑄得到金屬模具。另外，他們還設(shè)計(jì)制造了超大型的LOM-1600分層實(shí)體制造系統(tǒng)，其成型空間為1600mm×800mm×700mm,為實(shí)現(xiàn)大型模具快速制造奠定了基礎(chǔ)。
1.2 硅酸乙酯無(wú)酒精水解工藝
⑴ 粉液混合無(wú)酒精水解工藝[5-7]
該工藝可不用酒精溶劑，而是用耐火粉料作分散介質(zhì)，使硅酸乙酯與水在耐火材料表面潤(rùn)濕，充分接觸，在催化劑的作用下水解。如銅陵金輝銅工藝品有限責(zé)任公司應(yīng)用該工藝成功鑄造了1.38m高的毗盧遮娜佛銅像等。
⑵ 超聲波攪拌無(wú)酒精水解工藝[8]
應(yīng)用超聲波攪拌硅酸乙酯和水的混合液體，液體劇烈翻騰，產(chǎn)生大量的小氣泡，實(shí)現(xiàn)兩者“無(wú)限”互溶，在催化劑作用下，硅酸乙酯充分水解。如采用該工藝制造的子午線輪胎模具，品質(zhì)達(dá)到技術(shù)要求等。
1.3 陶瓷型制備新工藝
近年來(lái)，西北工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、重慶大學(xué)及武漢機(jī)械工藝研究所等大專院校和科研單位相繼開(kāi)展了陶瓷型制備新工藝的研究，如薄壁陶瓷型、涂敷漿砂制備陶瓷型、噴涂法制備陶瓷型和復(fù)合陶瓷型等[9-12]，如表1所示。
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Tab.1 Some new ceramic mold prepare process
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名稱
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特點(diǎn)
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生產(chǎn)實(shí)踐
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薄壁
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1.可降低陶瓷型的厚度、熱阻和收縮率；
2.可提高陶瓷型的冷卻速度、強(qiáng)度、表面質(zhì)量和尺寸精度。
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汽車(chē)萬(wàn)向節(jié)熱鍛模、自行車(chē)曲柄輥鍛模、大型葉輪等。
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涂敷漿砂
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1.可隨型操作，造型不受產(chǎn)品大小和形狀的限制；
2.澆注不受合金種類的限制；
3.應(yīng)用范圍廣、工藝操作簡(jiǎn)單和生產(chǎn)成本低。
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武漢21t千年吉祥鐘、地藏菩薩銅像、中華和鐘的中央大鐔鐘等。
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噴涂法
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1.可節(jié)省陶瓷漿料、陶瓷型薄且厚度均勻；
2.陶瓷型表面粗糙度低；
3.可避免產(chǎn)生氣泡，適合大型模具制造。
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復(fù)合
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1.可縮短成型周期；
2.降低生產(chǎn)成本。
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2 陶瓷型鑄造的發(fā)展趨勢(shì)
當(dāng)前，工業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)是產(chǎn)品品種多、更新快和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈等。因此，陶瓷型鑄造技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，21世紀(jì)陶瓷型鑄造將沿著如下幾個(gè)方向發(fā)展：
2.1 普及CAD技術(shù)，結(jié)合快速原型制造（RPM）技術(shù)的母模制造
根據(jù)零件CAD模型，快速自動(dòng)完成復(fù)雜的三維實(shí)體(模型)制造PRM技術(shù)可直接或間接用于模具制造，具有技術(shù)先進(jìn)、成本較低、設(shè)計(jì)制造周期短和精度適中等特點(diǎn)。從模具的概念設(shè)計(jì)到制造完成，僅為傳統(tǒng)加工方法所需時(shí)間的1/3和成本的1/4左右。因此，陶瓷型鑄造與快速原型制造技術(shù)結(jié)合，將是陶瓷型鑄造技術(shù)進(jìn)一步深入發(fā)展的方向。
2.2 陶瓷型制備新工藝
目前，陶瓷型制備新工藝中應(yīng)用最廣泛的應(yīng)屬薄壁陶瓷型，其次涂敷漿砂制備陶瓷型也得到了較好的推廣，還有噴涂法制備陶瓷型和復(fù)合陶瓷型等，見(jiàn)表1。
2.3 結(jié)合實(shí)型鑄造的制備工藝
實(shí)型鑄造是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種精密成型技術(shù)，用泡末聚苯乙烯塑料代替鑄模進(jìn)行造型，生產(chǎn)的鑄件品質(zhì)較好，鑄件壁厚公差達(dá)到0.15 mm，表面粗糙度Ra25μm。在模具制造過(guò)程中，有較高技術(shù)要求且非加工的型腔采用陶瓷型鑄造工藝，其余部分可以采用實(shí)型鑄造工藝，這樣，既保證了重要工作面的粗糙度和尺寸精度，又簡(jiǎn)化了制造工藝。
2.4 研磨拋光技術(shù)的應(yīng)用
模具表面品質(zhì)對(duì)模具使用壽命、制作外觀品質(zhì)等方面均有較大影響，我國(guó)目前仍以手工研磨拋光為主，品質(zhì)不穩(wěn)定，故采用機(jī)械拋光為好。而數(shù)控研磨機(jī)可實(shí)現(xiàn)三維曲面模具的自動(dòng)化研磨拋光，特種研磨與拋光方法如擠壓衍磨、電化學(xué)拋光、超聲拋光以及復(fù)合拋光等效果更好，可以明顯提高模具的表面品質(zhì)。
2.5 可替代硅酸乙酯水解液粘結(jié)劑的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究
20世紀(jì)60年代，硅溶膠作為粘結(jié)劑應(yīng)用于鑄造領(lǐng)域，立即以其無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)逐步取代了曾經(jīng)廣泛使用的制備工藝復(fù)雜、有污染和成本高的硅酸乙酯水解液[13，14]。從此，英、美、法、日等國(guó)的熔模鑄造業(yè)迅速而廣泛地采用硅溶膠，就連一直堅(jiān)持采用硅酸乙酯水解液的俄國(guó)從80年代末就慢慢采用硅溶膠，并取得了良好的效果。目前，國(guó)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用硅溶膠于熔模鑄造中，而因硅溶膠是水基粘結(jié)劑，其漿料的膠凝硬化時(shí)間很長(zhǎng)且不易脫模等影響它在陶瓷型鑄造中的應(yīng)用。有少數(shù)關(guān)于以硅溶膠為粘結(jié)劑可澆注成型陶瓷型芯的報(bào)道[15，16]。
硅溶膠以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)（如價(jià)格低廉、無(wú)需水解工序，不存在VOC問(wèn)題、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、漿料性能穩(wěn)定和廢棄的陶瓷漿料可重復(fù)利用[17]等）受到大多數(shù)專家和鑄造企業(yè)的廣泛青睞，一系列的快干硅溶膠應(yīng)運(yùn)而生。1994年杜邦公司首先推出Ludox® SK系列硅溶膠，1997年Rolls Royce公司采用Ludox® SK系列硅溶膠進(jìn)行大量生產(chǎn)；其次是Remet公司的Remasol® ADBOND系列，特別是2001年推出的ADBOND® 3301；1997年清華大學(xué)和宇達(dá)化工有限公司合作開(kāi)發(fā)研制了FS-30快干硅溶膠（現(xiàn)稱FS-Ⅰ），隨后的FS-Ⅱ和FS-Ⅲ型快干硅溶膠，東莞某公司SKP-27型快干硅溶膠等[18-24]。
綜上所述，硅溶膠和快干硅溶膠都是熔模鑄造目前應(yīng)用較廣泛也是較合適的粘結(jié)劑，是硅酸乙酯水解液良好替代品。因此，硅溶膠和快干硅溶膠即將也是陶瓷型鑄造較合適的粘結(jié)劑。
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