熔模精密鑄造技術(shù)

內(nèi)容簡介

《熔模精密鑄造技術(shù)》系統(tǒng)論述了熔模鑄造的發(fā)展概況和基本特點(diǎn)，制模材料和制模工藝，耐火材料與基本性能，水玻璃、硅溶膠和硅酸乙酯三種粘結(jié)劑的特性和制殼工藝，型芯制備，合金熔煉與澆注，鑄件清理精整和熱處理等；《熔模精密鑄造技術(shù)》內(nèi)容側(cè)重于實(shí)際生產(chǎn)工藝與應(yīng)用，并反映了現(xiàn)代熔模精密鑄造工藝與技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。附錄中列入常用原輔材料化學(xué)分析法、常用鋼鐵元素化學(xué)分析法、常用鑄鋼牌號(hào)及化學(xué)成分、以及精密鑄造用主要設(shè)備和材料的國內(nèi)（部分）生產(chǎn)廠家名錄。內(nèi)容豐富，資料翔實(shí)、新穎?！度勰＞荑T造技術(shù)》可供從事熔模鑄造生產(chǎn)、科研技術(shù)人員和大專院校師生閱讀參考，也可作為教材或教學(xué)參考用書。2100433B

計(jì)算機(jī)技術(shù)在熔模精密鑄造中的應(yīng)用，包括鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝制定、壓型、熔模、型殼及型芯制造等的最新成果，展望了計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)未來精鑄業(yè)帶來的巨大變革。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī) 精密鑄造 壓型

熔模精密鑄造生產(chǎn)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但其同時(shí)具有工序多，工藝過程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，影響鑄件質(zhì)量的因素較多的缺點(diǎn)，在一定程度上制約了精密鑄造的應(yīng)用和發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)在精鑄中的應(yīng)用，從精鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝制定到壓型設(shè)計(jì)與制造、蠟?zāi)３尚?、型殼制造、型芯的制造等，給精鑄件的生產(chǎn)帶來了巨大變革。

1.計(jì)算機(jī)技術(shù)數(shù)值模擬技術(shù)在熔模精鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝制定中的應(yīng)用

熔模鑄件向更輕、薄及精整化方向發(fā)展，近年來提出了凈形或近凈形化鑄造，以發(fā)揮熔模鑄造的優(yōu)勢，滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高質(zhì)量零件的需求。這就要求熔模精鑄件的結(jié)構(gòu)更加合理，制定的工藝方案更加優(yōu)化，對(duì)精鑄技術(shù)提出了越來越高的要求。

傳統(tǒng)的精鑄件生產(chǎn)工藝，包括以下5個(gè)步驟：

1）鑄件用戶給鑄造廠下達(dá)設(shè)計(jì)藍(lán)圖；

2）鑄造廠作預(yù)算并從利于生產(chǎn)和降低成本的角度對(duì)設(shè)計(jì)提出改進(jìn)意見；

3）鑄造廠設(shè)計(jì)鑄造工藝裝備；

4）鑄造廠向模具車間或造型車間下達(dá)工裝圖紙；

5）澆注鑄件，鑄件檢驗(yàn)。

在鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壓型設(shè)計(jì)、注蠟工藝參數(shù)制定、澆注系統(tǒng)等過程，傳統(tǒng)的生產(chǎn)主要依靠工程技術(shù)人員的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)的理論依據(jù)。特別對(duì)于復(fù)雜件和重要件，生產(chǎn)中往往要反復(fù)地修改鑄件結(jié)構(gòu)、壓型或鑄造工藝方案來達(dá)到最終的技術(shù)要求，計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和圖形處理能力，能將數(shù)值分析技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、可視化技術(shù)結(jié)合經(jīng)典傳熱、流動(dòng)和凝固理論，通過模擬鑄件充型、凝固及冷卻，分析精密鑄造過程的流場、溫度場和應(yīng)力場，預(yù)測鑄件組織和許多鑄造缺陷如冷隔、縮孔、熱裂和變形等。因此可以通過并行工程，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性、鑄造工藝進(jìn)行模擬，為技術(shù)人員設(shè)計(jì)較合理的鑄件結(jié)構(gòu)和確定合理的工藝方案提供了有效的依據(jù)，從而避免傳統(tǒng)的依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝制定的盲目性，可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，節(jié)約試制成本。數(shù)值模擬過程見示意圖1。

2?？焖贅蛹圃旒夹g(shù)在壓型及熔模制造中的應(yīng)用

快速樣件制造技術(shù)的出現(xiàn)，使壓型和熔模的制造周期大大縮短。所謂快速樣件制造就是首先在計(jì)算機(jī)上，形成熔模鑄件的三維CAD數(shù)據(jù)文件，將之沿高度方向切割成許多薄片，然后按次序制造和組合，最終形成一個(gè)立體形狀的制品。

1）用快速樣件成型方法制造壓型

根據(jù)成型方法，將快速樣件成型方法制造壓型可分為兩種：一種是先用快速樣件制作方法制成樹脂或蠟質(zhì)母模（原型），再用它來翻制環(huán)氧樹脂或硅橡膠壓型。此法生產(chǎn)壓型可以滿足小批量精鑄件生產(chǎn)。如在SLA法制作的塑料母模表面噴涂約2mm厚的金屬層，并在其后部充填環(huán)氧樹脂制成金屬-環(huán)氧樹脂復(fù)合壓型，可以滿足數(shù)百件批量的精鑄件生產(chǎn)。

另一種方法是根據(jù)CAD系統(tǒng)生產(chǎn)的壓型型塊幾何模型，直接由SLA、SLS等法制成樹脂壓型。SLS法制造壓型是將加工對(duì)象由樹脂粉末換成表面帶一薄層熱固性樹脂的鋼粉，經(jīng)激光燒結(jié)后，粘結(jié)成壓型，然后再焙燒制品，將樹脂燒掉，最后以銅液滲入，就可獲得與金屬性能相似的壓型。

2）快速樣件成型方法制造熔模

快速樣件成型方法-SLA法、SLS法、FDM法和LOM法，均可用于快速制造熔模。使用SLS法和FDM法制作的蠟?zāi)?，可以直接用于精鑄件生產(chǎn)用的熔模；LOM法生產(chǎn)的紙制品，需對(duì)其外表面噴涂聚氨酯后，方可作為"熔模"進(jìn)行制殼，或直接將紙制品外涂掛陶瓷型殼，而后將紙模燒掉。SLA法是用新型樹脂生產(chǎn)樹脂模樣，將未固化的樹脂倒出，而形成中空模樣，硬化后，用蠟將樹脂排出口密封，然后裝上蠟質(zhì)澆注系統(tǒng)，就可制殼了。表1 快速樣件制造方法的比較

特點(diǎn)熔融堆積法(FDM)立體平板印刷法(SLA)選擇激光燒結(jié)法(SLS)層合物制造法(LOM)工藝原理熱塑性材料熔融,從活動(dòng)口擠出,冷卻固化成層堆積UV光固化液態(tài)光敏樹脂激光加熱燒結(jié)鋪展的熱塑性材料粉末激光切割片材層,粘合.能源擠出頭加熱器激光器或UV燈或光纖CO2激光器CO2激光器原材料熱塑性材料液態(tài)光敏樹脂熱塑性材料粉末膠粘襯底片材目前常用材料ABS樹脂、尼龍、蠟專用光聚合樹脂樹脂粉、蠟粉紙層 厚（um）最小：50　一般：127-254最?。?0　一般：127-254最?。?0　一般：127最小：94

一般：188制品尺寸精度（mm）±0.127±0.1-0.2±0.2±0.1 3．DSPC法直接制造型殼

直接型殼制造又稱DSPC法，與迄今所有的制殼工藝都有本質(zhì)的不同，主要由型殼設(shè)計(jì)（SDV）和型殼制造（SPU）兩大部分組成。

SDV法是將所制零件的CAD模型轉(zhuǎn)換為型殼的數(shù)字化零件，并顯示在屏幕上，當(dāng)確定好每個(gè)型殼上零件的數(shù)量、型殼壁厚以及收縮率、澆注系統(tǒng)等鑄造參數(shù)后，計(jì)算機(jī)就很快顯示所制鑄件型殼的幾何形狀，并進(jìn)行鑄造工藝的模擬，然后將有關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給SPU。

SPU控制著一個(gè)可以精確上下移動(dòng)的活塞，活塞上連接著一個(gè)料箱；與裝有細(xì)陶瓷粉料斗相連的噴頭，首先在料箱中均勻"噴鋪"一薄層細(xì)陶瓷粉末；另外，計(jì)算機(jī)根據(jù)SPU數(shù)據(jù)控制著一個(gè)噴射印刷頭，從中可以噴射出硅溶膠粘結(jié)劑，當(dāng)印刷頭在料箱中掠過細(xì)陶瓷粉時(shí)，根據(jù)指令"噴"出粘結(jié)劑。這樣在有粘結(jié)劑的區(qū)域，將耐火材料粘在一起，形成型殼的一個(gè)截面，然后活塞向下移動(dòng)，噴頭再噴出一層粉料……。這樣一層一層進(jìn)行，最后制成整體型殼。未被粘結(jié)的耐火材料粉料可對(duì)粘結(jié)層起支撐作用，焙燒后，回收未粘結(jié)的粉末，就可以澆注金屬液了。其工作原理見圖2。DSPC法使熔模鑄造省去了制造壓型、制造蠟?zāi)＜巴繏旃ば?，工藝過程大大簡化，而且由于不用考慮蠟?zāi)Ｗ冃蔚纫蛩?，可制得近凈形零件。利用此工藝的工廠，可在收到定單后的一周內(nèi)交付熔模鑄件。

3. 利用計(jì)算機(jī)控制激光制作陶瓷型芯

許多精鑄件需要制作陶瓷型芯特別是復(fù)雜、精細(xì)的陶瓷型芯，如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)空心葉片等，計(jì)算機(jī)可以根據(jù)CAD數(shù)據(jù)，控制激光束在陶瓷型芯上精確地加工出各種不同結(jié)構(gòu)的型芯，特別是對(duì)于用傳統(tǒng)制芯工藝很難制出的型芯，更顯出其優(yōu)點(diǎn)。

4．并行工程和集成技術(shù)在精鑄業(yè)中的應(yīng)用展望

計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，并行工程和集成技術(shù)在精鑄業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)逐漸廣泛，將成為精鑄業(yè)未來的發(fā)展趨勢。

1）并行工程

并行工程就是將精鑄件用戶與精鑄廠之間建立起緊密聯(lián)系的電子數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)，使用戶和鑄造廠之間進(jìn)行并行的產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)。用戶通過此網(wǎng)向鑄造廠下達(dá)精鑄件的電子化模型圖，鑄造工程師可從計(jì)算機(jī)工作站中看到所生產(chǎn)零件的三維圖象，確定幾組工藝方案后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行工藝方案的數(shù)值模擬，可以顯示出不同工藝條件下可能存在的問題，如熱裂、縮孔等，鑄造工程師再迅速將有缺陷的電子化模型數(shù)據(jù)文件傳遞給用戶和設(shè)計(jì)師，以便作出改進(jìn)而獲得高質(zhì)量鑄件。同樣，壓型、熔模、型殼制造的過程也可以實(shí)現(xiàn)并行，這樣可以極大縮短研制、開發(fā)生產(chǎn)周期，降低成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。

2）集成技術(shù)

對(duì)于一個(gè)未采用CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)的零件或要復(fù)制某一樣件，可以采用CT檢測技術(shù)、數(shù)值模擬和快速樣件制造集成技術(shù)。

CT技術(shù)即計(jì)算機(jī)層析射線攝影法，是一種X射線檢測技術(shù)，能用來獲得零件斷面的二維圖象，將各斷面二維圖象組合，就可以獲得被測對(duì)象的三維立體形態(tài)。利用此技術(shù)，可以精確獲得鑄件的CAD模型數(shù)據(jù)，結(jié)合快速樣件制造和數(shù)值模擬，可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，降低制造型殼的成本。同時(shí)，CT技術(shù)測得的零件形狀，可以用來對(duì)比設(shè)計(jì)鑄件和生產(chǎn)鑄件的尺寸；檢測實(shí)際鑄件和設(shè)計(jì)鑄件的缺陷位置和數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果的符合程度。

結(jié)束語

計(jì)算機(jī)在精鑄業(yè)中的應(yīng)用，克服了精鑄生產(chǎn)過程的缺點(diǎn)，使得精鑄生產(chǎn)技術(shù)更加靈活，適應(yīng)性更強(qiáng)，更適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)對(duì)鑄件快速、優(yōu)質(zhì)、復(fù)雜的要求。

1.計(jì)算機(jī)技術(shù)數(shù)值模擬技術(shù)在熔模精鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝制定中的應(yīng)用，為技術(shù)人員設(shè)計(jì)較合理的鑄件結(jié)構(gòu)和確定合理的工藝方案提供了有效的依據(jù)。

2.快速樣件制造技術(shù)在壓型及熔模制造中的應(yīng)用，使壓型和熔模制造周期大大縮短。

3.DSPC法直接制造型殼，省去了傳統(tǒng)制殼一層一層涂掛型殼的漫長周期。

4.利用計(jì)算機(jī)控制激光制作陶瓷型芯，可以生產(chǎn)出復(fù)雜的陶瓷型芯。

5.計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，并行工程和集成技術(shù)在精鑄業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)逐漸廣泛，將成為精鑄業(yè)未來的發(fā)展趨勢。

本書系《先進(jìn)鑄造技術(shù)叢書》之一，取材新穎豐富。內(nèi)容包括熔模精密鑄造全部工藝過程，反映國內(nèi)外精鑄高新技術(shù)發(fā)展水平和趨勢。重點(diǎn)介紹生產(chǎn)大型、薄壁、高精密和高強(qiáng)度熔模鑄件的制模、制殼、型芯、熔煉、過濾凈化，晶粒組織控制和金屬凝固模擬等最新鑄造技術(shù)的研究成果及其應(yīng)用。本書可供熔模鑄造工作者以及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員參考，亦可作為鑄造專業(yè)學(xué)生的教材。

現(xiàn)代熔模精密鑄造是在古代蠟?zāi)＞荑T造的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。二戰(zhàn)時(shí)期，駐云南保山的盟軍技術(shù)專家見到當(dāng)?shù)厝擞眠@種方法制造工藝品深受啟發(fā)，將其改進(jìn)并用到機(jī)械構(gòu)件的生產(chǎn)上，從此該種技術(shù)在世界各地迅速得到發(fā)展?，F(xiàn)代熔模精密鑄造方法在工業(yè)生產(chǎn)中得到實(shí)際應(yīng)用是在20世紀(jì)40年代。當(dāng)時(shí)航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，要求制造像葉片、葉輪、噴嘴等形狀復(fù)雜，尺寸精確以及表面光潔的耐熱合金零件。由于耐熱合金材料難于機(jī)械加工，零件形狀復(fù)雜，以致不能或難于用其它方法制造，因此需要尋找一種新的精密的成型工藝，于是借鑒古代流傳下來的失蠟精密鑄造，經(jīng)過對(duì)材料和工藝的改進(jìn)，現(xiàn)代熔模精密鑄造方法在古代工藝的基礎(chǔ)上獲得重要的發(fā)展。航空工業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了熔模精密鑄造的應(yīng)用，而熔模精密鑄造的不斷改進(jìn)和完善也為航空工業(yè)進(jìn)一步提高性能創(chuàng)造了有利的條件。 其后這種先進(jìn)的精密鑄造工藝得到巨大的發(fā)展，相繼在航空、汽車、機(jī)床、船舶、內(nèi)燃機(jī)、氣輪機(jī)、電訊儀器、武器、醫(yī)療器械以及刀具等制造工業(yè)中被廣泛采用，同時(shí)也用于工藝美術(shù)品的制造。 近十年來，熔模精密鑄造一直以較高的速度向前發(fā)展著。世界各主要工業(yè)國平均以7%～12%的速度遞增，特殊用途的鑄件將以30%的驚人速度遞增，從而推動(dòng)了熔模精密鑄造蠟開發(fā)技術(shù)的發(fā)展。

熔模鑄造用蠟開發(fā)進(jìn)展

精密鑄造蠟是在熔模精密鑄造中制造零件鑄模的專用材料，是決定鑄件質(zhì)量的重要因素之一。熔模鑄造用蠟品種主要有低溫模料、中溫模料和高溫模料，主要使用的模料是低溫模料和中溫模料。我國進(jìn)口的模料也主要是中溫模料。

美國熔模鑄造技術(shù)水平較高，得益于三大支柱，即先進(jìn)的技術(shù)、優(yōu)質(zhì)的原材料和嚴(yán)格認(rèn)真的操作。如美國熔模鑄造廠每次使用的模料均是模料廠生產(chǎn)的新模料。熔模鑄造廠不對(duì)使用過的模料回收處理，回收的模料送到模料專業(yè)生產(chǎn)廠統(tǒng)一處理。由于模料廠出廠的模料質(zhì)量較高且均一，保障了熔模鑄造廠蠟?zāi)５某叽缇群捅砻尜|(zhì)量，蠟的灰分和雜質(zhì)也得到了控制。國外通常有專業(yè)公司，匯集相關(guān)技術(shù)專業(yè)生產(chǎn)熔模鑄造模料。所生產(chǎn)的模料具有穩(wěn)定性好、收縮率低、表面光潔、強(qiáng)度高、成型性好并針對(duì)不同的零件生產(chǎn)不同性能的模料。國外所生產(chǎn)的模料種類有加填料模料和非加填料模料，并細(xì)分為模型用蠟、修補(bǔ)蠟、可乳化蠟、澆口用蠟、嵌封用蠟的粘結(jié)蠟等。

近幾年來，我國許多單位研制成功了許多系列模料且產(chǎn)品質(zhì)量較高。我國北京正大德技術(shù)開發(fā)中心研制生產(chǎn)了WMⅡ系列模料。該系列模料品種多，可提供用于不同制殼材料、不同脫蠟溫度、不同尺寸形狀的模料，可用于替代進(jìn)口產(chǎn)品。上海市金山模料廠生產(chǎn)WM系列模料，十余個(gè)品種，年產(chǎn)量約200噸。沈陽鑄造研究所研制生產(chǎn)F-01等中溫模料和填料模料。另外，沈陽風(fēng)動(dòng)工具廠、北京油泵油嘴廠、太原晉西機(jī)械廠和成都化工所也生產(chǎn)質(zhì)量較高的蠟基中溫模料。

國外熔模鑄造用蠟的生產(chǎn)品種主要有美國生產(chǎn)的CL-162系列和Master系列模料、英國Dussek Campbell公司生產(chǎn)的Castylene系列模料、日本生產(chǎn)的K系列模料(如K512)和前蘇聯(lián)生產(chǎn)的P-3模料等。

模料性能的優(yōu)劣是由其配方?jīng)Q定的，因此各生產(chǎn)廠非常重視模料配方的研究。