熔模铸造

第一章熔模精密铸造熔模精密铸造特点及工艺过程铸件工艺设计及工装设计模样材料及熔模的制造壳型材料及壳型工艺熔模铸造型芯熔模铸件的浇注一、熔模精密铸造特点及工艺过程1、定义熔模精密铸造——简称“熔模铸造”。Net-shapeinvestmentcasting采用熔模材料（通常为低熔点的材料如蜡料）制成熔模样件并组成模组，然后在模组表面上涂料（耐火材料），待干燥固化后，将模组加热熔出模料形成中空型壳，经高温烧结后浇注金属液体，清理后得到铸件。由于熔模材料通常为蜡基材料，因此又称“失蜡铸造”。工艺流程压型制造熔模样件制造组装模组型壳制造、脱蜡、焙烧填砂、浇注熔模铸造的历史熔模铸造的历史可以追溯到4000多年前，最早发源的国家有埃及、中国和印度，然后传到非洲和欧洲其它国家。在古代熔模铸造主要是用来做一些艺术品和装饰品；19世纪末期，牙医用熔模铸造工艺，结合离心浇注技术生产牙科铸件；20世纪30年代珠宝行业也采用这项技术，美国用来生产喷气涡轮航空发动机叶片；后来逐渐开始发展成为一项工业技术。熔模铸造的历史我国的失蜡法至迟起源于春秋时期。河南淅川下寺2号楚墓出土的春秋时代的铜禁是迄今所知的最早的失蜡法铸件。春秋中期我国的失蜡法已经比较成熟。战国、秦汉以后，失蜡法更为流行，尤其是隋唐至明、清期间，铸造青铜器采用的多是失蜡法。熔模铸造的历史但是我国熔模铸造业是20世纪50年代末才开始建立，起步较晚。1988年后，随着改革开放的深入，引进外资给熔模铸造业带来显著变化，近20年我国熔模铸造业产量与产值迅速提高，出口逐年增长。戒指树熔模铸造典型产品应用实例艺术人头像航空发动机叶片2、熔模精密铸造的工艺流程主要包括制作蜡模、壳型制造、壳型焙烧与浇注等。制作蜡模将糊状蜡料(常用的低熔点蜡基模料为50%石蜡加50%硬脂酸)用压蜡机压入模型，凝固后取出，得到蜡模。在铸造小型零件时，常将很多蜡模粘在蜡质的浇注系统上组成蜡模组。制作型壳将蜡模组浸入涂料（石英粉加水玻璃粘结剂）中，取出后在上面撒一层硅砂，再放入硬化剂（如氯化铵溶液）中进行硬化。反复进行挂涂料、撒砂、硬化4～10次，这样就在蜡模组表面形成由多层耐火材料构成的坚硬型壳。然后将带有蜡模组的型壳放入80～90℃的热水或蒸汽中，使蜡模熔化并从浇注系统流出，于是就得到一个没有分型面的型壳。再经过烘干，以去除水分及残蜡并使型壳强度进一步提高。壳型焙烧、浇注将型壳放入砂箱，四周填入干砂捣实，再装炉焙烧(800～1000℃)。将型壳从炉中取出后，趁热(600～700℃)进行浇注。冷却凝固后清除型壳，便得到一组带有浇注系统的铸件，再经清理、检验就可得到合格的熔模铸件。3、熔模铸造的优点：1）熔模铸件尺寸精度高（CT4-CT6）；表面粗糙度低由于采用的蜡模尺寸精确、表面光洁，因此获得的熔模铸件尺寸精度高（CT4-CT6）；表面粗糙度低（Ra1.6-6.3μm）。减少了铸件的切削加工余量。2)适合于铸造某些形状、结构复杂的铸件模型熔失后的铸型无分型面，无需通常的起模、下芯、合型等工序，可以铸造出薄壁铸件（铸钢件最小壁厚可达0.3mm）、铸出孔最小直径达1mm以下，重量小至1g的铸件以及传统砂型铸造、锻压、切削加工等方法等难以制造出的形状复杂的铸件，如叶轮、空心叶片等。且加工余量小，显著提高了金属材料的利用率。3）合金材料不受限制。采用的壳型耐火度高，因此适用于制造各种合金如碳钢、合金钢、不锈钢、铝合金、铜合金、钛合金及镍基高温合金等铸件。4）宜于保证铸件内部质量。铸件采用强度较高、表面光滑的型壳作为与液体金属直接接触的型腔，因此，不易产生掉砂现象减少，宜于保证铸件内部质量。5）适合于大、小批量生产。大批量生产一般采用金属压型，模具成本低、寿命高。小批量生产时了可采用价格低廉的石膏压型。是一种近净成形工艺4、熔模铸造也存在一定缺点，主要有:l)熔模铸造工艺过程复杂、工序多，影响铸件质量的工艺因素多，必须严格控制各种原材料及各项工艺操作才能够稳定生产。2)铸件不易过大，以免影响尺寸精度。3)生产周期较长。4)铸件冷却速度慢，容易引起铸件晶粒粗大，碳钢铸件还容易形成表面脱层。随着技术的发展，熔模铸造的缺点得到不断改进。自从四十年代后期，采用多层型壳，使生产周期缩短，材料消耗减少，生产成本降低。陶瓷型芯以及可溶型芯的采用，又有利于使熔模铸件的形状更加不受限制。新的模料、耐火材料、粘结剂的研制和发展；真空熔模技术、表面孕育细化技术、定向结晶、热等静压及先进检测技术的采用，更有利于进一步提高和保证精密铸件的质量，扩大它的应用范围。热等静压处理前后铸件断面照片5、熔模铸件尺寸公差及表面粗糙度1）尺寸公差及其影响因素熔模铸件一般尺寸精度达CT4~6级，高精度可达CT3铸件尺寸公差与铸件基本尺寸有关，与铸造方法有关。影响熔模铸件尺寸公差的因素铸件结构形状和大小压型生产工艺如冷却时结构是否阻碍收缩、铸件壁厚及差异、铸件尺寸大小等分型方案如：分型面选择、注蜡口位置大小等工艺参数如：综合收缩率大小（合金和蜡模收缩及型壳膨胀）加工精度制模制壳浇注模料种类、性能压制参数：蜡温、压注时间、压力和蜡流速度型芯种类耐火材料种类制壳参数：型壳层数、脱蜡方法金属材质浇注条件：型壳温度、浇注温度和速度、冷却方式、浇注系统等注意：熔模铸件尺寸准确度与稳定性（精密度）是有差别的。尺寸准确度：铸件上某个尺寸其众多测量值的平均值偏离名义尺寸的程度。尺寸准确度差主要是因压型设计时综合收缩率赋值不当而造成的，可通过反复修磨调整。尺寸稳定性（精密度）：反映尺寸波动或分散的程度，属随机误差。其尺寸不稳定的主要原因是工艺控制不严。而尺寸精确度（精度）则是准确度和稳定性（精密度）的综合，常以公差代表。2）熔模铸件的表面粗糙度表面粗糙度指铸件表面高低不平的程度。熔模表面粗糙度型壳表面粗糙度金属液复印性压型表面粗糙度面层要有足够的强度其它模料种类、性能压制参数：蜡温、压注时间、压力和蜡流速度型芯种类耐火材料种类金属材质浇注条件：型壳温度、浇注温度和速度、冷却方式、浇注系统等面层涂料的润湿性（涂挂性面层涂层的致密度（面层涂料应有足够高的粉液比）撒砂不可穿透面层压型工艺参数如：蜡温、型温、压力、保压时间、蜡流方向及速度影响熔模铸件表面粗糙度的因素6、近净形熔模铸造的关键技术要点“必要的条件，严格的工艺”（1）高精度和低粗糙度的压制熔模的模具，一般要求其精度为铸件精度的1/6。如近净形熔模铸造叶片的型面透光为±0.127mm，故要求压蜡模具的型面透光为±0.025mm。模具内腔的粗糙度为0.1μm以下。（2）有获得高精度和低粗糙度熔模的模料和合理的制模工艺，以确保熔模精度和粗糙度。熔模的热稳定性要求达到40℃，熔模的粗糙度要求达0.4μm～0.2μm。（3）有获得优质型壳的面层和加固层耐火材料，相应黏结剂及合理制壳工艺，以确保型壳具有低粗糙度和高抗变形能力。实践证明，面层耐火材料要求具有高纯度、高耐火度、对铸造合金具有高化学稳定性。（4）制模和制壳车间具有恒温、恒湿和良好的通风条件。以确保熔模尺寸稳定，型壳干燥条件稳定。一般要求制模车间的温度控制在20～25℃；制壳车间要求25～28℃，湿度为60%～80%，对硅溶胶型壳的干燥，希望使用热风干燥，要求温度为28～30℃，湿度为40%～50%。（5）有合理的浇注工艺，尽量采用低型壳浇注温度和高的型壳焙烧温度，利于降低铸件厚薄部分的温差，减少铸件热应力变形。（6）有严格的制模、制壳、脱模、焙烧和熔化浇注工艺，以及确保工艺可控性的工装和设备。二、熔模铸件工艺设计从熔模铸造生产工艺角度出发，针对零件的结构和使用性能的要求，确定合理的铸造工艺方案，采取必要的工艺措施，保证生产出质量优良、价格低廉的熔模铸件。设计过程中要确保铸件质量的可靠性、生产工艺的可行性和简易性以及经济合理性。铸件结构设计浇注系统设计压型设计1、铸件结构设计目的：对一些零件图做必要修改，得到适合熔模铸造特点的最合理的铸件结构。（1）铸件结构的合理性铸件结构是否合理，对于铸件质量、生产工艺的可行性和简易性以及生产成本等影响很大。根据生产实际，总结出铸件结构合理性的几条基本原则。不合理合理a）易于从压型中取模不合理合理b）易于抽芯不合理合理不合理合理c）壁厚均匀，减少热节不合理合理d）避免大平面不合理合理e）减少不通孔不合理合理f）简化压型加工不合理合理g）设计必要的工艺筋①防止环形件、框型件变形设计的工艺筋②防止铸件开口部位变形而设计的工艺筋③减少大平面，防止壳形变形h）设计必要的工艺孔①防止大平面型壳变形设计工艺孔②减少热节、防止缩孔设计工艺孔（2）铸件结构要素及工艺参数选定①最小壁厚由于熔模铸造的型壳内表面光洁，并且一般为热型壳浇注，因此熔模铸件壁厚允许设计得较薄。，最小壁厚与合金种类及铸件轮廓尺寸有关。铸件材料铸件轮廓尺寸＞10~50＞50~100＞100~200＞200~500＞350铸件最小壁厚推荐值最小值推荐值最小值推荐值最小值推荐值最小值推荐值最小值铅锡合金1.0~1.50.71.5~2.01.02.0~3.01.52.5~3.52.03.0~4.02.5锌合金1.5~2.01.02.0~3.01.52.5~3.52.03.0~4.02.53.5~5.03.0铸铁1.5~2.01.02.0~3.51.52.5~4.02.03.0~4.52.54.0~5.03.5铜合金2.0~2.51.52.5~4.02.03.0~4.02.53.0~5.03.04.0~6.03.5镁合金2.0~2.51.52.5~4.02.03.0~4.02.53.5~5.03.04.0~6.03.5铝合金2.0~2.51.52.5~4.02.03.0~5.02.53.5~6.03.04.0~7.03.5碳钢2.0~2.51.52.5~4.02.03.0~5.02.53.5~6.03.04.0~7.04.0高温合金0.9~2.00.61.5~3.00.82.0~4.01.0————熔模铸件的最小壁厚（单位：mm）r=(d+δ)/kR=r+(d+δ)/2r——转角内圆角mm；R——转角外圆角mmd,δ——连接壁的壁厚；k——转角的圆角系数，根据角度大小按图选取。13590450②圆角一般情况下铸件上各转角处都设计成圆角，否则容易产生裂纹、缩松。铸件上内圆角和外圆角按下式计算为了便于取模，抽芯，在拔模面应设有铸造斜度，铸造斜度的取值如下。取值铸造斜度面高h/mm非加工面斜度外表面内表面≤200º20´1º20-500º15´0º30´50-1000º10´0º30´1000º10´0º15´熔模铸件的铸造斜度③铸造斜度④最小铸出孔熔模铸件上细而长的孔，由于制壳时孔内部不易上涂料和撒砂，所以一般孔径d＜2.5～3.0mm，孔高与孔径比h/d＞5的通孔和h/d＞2.5～3.0的不通孔不予铸出。特殊要求的小而复杂的孔和内腔，可采用陶瓷型芯或石英玻璃管型芯铸出。孔的直径最大孔深通孔不通孔3-55~10≈5＞5~10＞10~30＞5~15＞10~20＞30~60＞15~25＞20~40＞60~120＞25~50＞40~60＞120~200＞50~80＞60~100＞200~300＞80~100＞100＞300~350＞100~120最小铸出孔的孔径与深度（单位：mm）铸件最大尺寸≤50＞50~120＞120~250＞250~400＞400~630单面加工余量0.50.5~0.11.0~1.51.5~2.02.0~3.0浇口面加工余量2.0~4.0熔模铸件车、铣单面加工余量（单位mm）⑤加工余量熔模铸件的加工余量与铸件大小及加工方法有关。大铸件及易变形和带大平面的铸件，加工余量应大些。碳钢熔模铸件表面会有0.3～0.5mm脱碳层，若铸件加工面上不允许脱碳层存在，应适当放大加工余量。影响熔模铸件尺寸的收缩因素包括合金的收缩；模料的收缩；型壳的膨胀等，这几方面综合的影响称为熔模铸件的综合线收缩率。⑥线收缩率2、熔模铸造浇注系统设计1）浇注系统作