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SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 卓越工程師模塊課程設計 論文題目：熔模精密鑄造課程設計 小組成員：柳真晶，周世杰，冀浩 專 業(yè): 材料科學與工程 指導教師: 董安平 學院(系):材料科學與工程學院  目錄 1. 緒論…………………………………………………………………………………………4 1.1熔模鑄造基本原理和工藝過程……………………………………………………………4 1.2熔模鑄造的特點及應用領域………………………………………………………………5 1.3 熔模鑄造（高端鑄件）國內外發(fā)展現狀…………………………………………………6 1.4選題簡介……………………………………………………………………………………9 2. 鑄件工藝流程設計…………………………………………………………………………9 2.1模具的設計與制造…………………………………………………………………………9 2.2澆注系統(tǒng)的設計與模擬……………………………………………………………………11 2.2.1澆注系統(tǒng)的設計…………………………………………………………………………11 2.2.2 澆注系統(tǒng)的模擬分析……………………………………………………………………11 2.3 3D打印與制備蠟模…………………………………………………………………………14 2.4 制殼…………………………………………………………………………………………15 2.4.1 制殼原材料………………………………………………………………………………15 2.4.2 制殼工藝…………………………………………………………………………………15 2.4.3 制殼步驟…………………………………………………………………………………17 2.5 澆注…………………………………………………………………………………………17 2.5.1 脫蠟………………………………………………………………………………………17 2.5.2 焙燒………………………………………………………………………………………19 2.5.3 澆注………………………………………………………………………………………19 2.5.4 熔煉鑄件的清理…………………………………………………………………………20 2.6 后處理………………………………………………………………………………………20 2.6.1 噴砂………………………………………………………………………………………21 2.6.2 酸洗………………………………………………………………………………………21 2.6.3 修正（機加工）…………………………………………………………………………21 2.6.4 熱處理……………………………………………………………………………………21 2.7 檢驗…………………………………………………………………………………………22 3． 總結…………………………………………………………………………………………22 4． 體會與建議…………………………………………………………………………………22 參考文獻…………………………………………………………………………………………23 致謝………………………………………………………………………………………………23 1. 緒論 1.1 熔模鑄造基本原理和工藝過程 當今世界航空、航天和汽車工業(yè)得到迅速發(fā)展，新一代高推重比航空發(fā)動機、飛機、汽車零部件以及機載設備等對其結構和重量的要求已變得十分苛刻，因此21世紀鑄件的發(fā)展趨勢是“精密化、輕量化、近無余量鑄件和零缺陷鑄件”，而鑄件的輕量化和精密化要求鑄件朝著“無余量、薄壁、高精度、高性能、大型復雜、整體化”的方向發(fā)展。 熔模鑄造是特種鑄造典型工藝之一，采用該方法制得的鑄件精度和光潔度都比較高，可有效地實現毛坯精化，甚至無余量，故又稱為熔模精密鑄造，是一種近凈形的金屬液態(tài)成形工藝。熔模鑄造工藝是用易熔材料制成可熔性模型（簡稱熔模），在其上涂掛若干層特制的耐火涂料，經過干燥和硬化形成一個整體型殼，從型殼中熔掉模型，放入焙燒爐中高溫焙燒，然后在型殼中澆注熔融金屬而得到鑄件。圖1為熔模鑄造工藝流程。[1][2] 圖1 熔模鑄造工藝流程 1.2 熔模鑄造的特點及應用領域 與其他鑄造方法相比，熔模鑄造具有以下顯著的優(yōu)點。 （1） 尺寸精度高、表面粗糙度低 熔模鑄件的尺寸精度可達到4~6級，表面粗糙度可達到 Ra0.4~3.2μm，可大大減少鑄件的切削加工余量，并可實現無余量鑄造。 （2） 鑄件結構復雜 由于蠟模直接賦予鑄件形狀，特別是陶瓷型芯的使用，使得復雜內腔得以實現；不用開型取模，避免了取模對復雜鑄型的制約；采用熱殼澆注，金屬充型能力強，可以完成復雜鑄型的澆注。 （3） 適用合金廣 各種合金材料，如碳素結構鋼、不銹鋼、合金鋼、鑄鐵、鋁合金、銅合金、鑄造高溫合金、鎂合金、鈦合金和貴金屬等材料都可用于熔模鑄造生產。難以進行鍛造、焊接和切削加工的合金材料特別適宜用熔模鑄造方法生產。 （4） 批量靈活 熔模鑄造的工裝模具可采用多種材料和工藝方法制造，因此同時適用于大批量生產和小批量生產，大批量生產采用金屬壓型，小批量生產可采用易熔合金壓型等，樣品研制可直接采用快速原型代替蠟模。 當然，熔模鑄造也存在一定的缺點，如工藝流程繁瑣，生產周期長，鑄件尺寸不能太大以及鑄件冷卻速度較慢等[3]。 由于熔模鑄造能實現高精度的復雜成形，在高端鑄件的制造方面占據著優(yōu)勢地位，特別是能夠澆注高溫合金和鈦合金，使得該工藝在航空及工業(yè)燃氣輪機領域發(fā)揮了重要作用，典型鑄件如航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機渦輪葉片、航空發(fā)動機的整體機匣等。除此之外，高溫合金、鈦合金和鋁合金熔模鑄造技術還在其他領域中得到應用，如汽車渦輪增壓器渦輪和電子儀表框架，這些鑄件相對一般商用熔模鑄件，技術水平要求高，附加值大，被劃為高附加值熔模鑄件，也可稱為高端鑄件。在我國，還存在一類以生產各種不銹鋼、碳鋼鑄件的企業(yè)群體，主要生產出口國際市場的一般商用鑄件，如不銹鋼高爾夫球頭、管接頭、泵、閥、五金件、一般及其零件等[4]。 1.3 熔模鑄造（高端鑄件）國內外發(fā)展現狀 熔模鑄造的歷史可追溯到 4000 年前，但早期僅應用于鑄造藝術品和裝飾品。二戰(zhàn)時期，美國工程師奧斯汀受傳統(tǒng)失蠟法制造工藝品的啟發(fā)，創(chuàng)造了現代熔模鑄造法，并應用于機械零件的生產。此后，該技術在世界范圍內得到迅速發(fā)展。1991年以前，在發(fā)達國家及地區(qū)，軍工和航空產品占熔模鑄造銷售額的50%到70%。隨著蘇聯解體和冷的戰(zhàn)結束，行業(yè)結構發(fā)生了重大變化，民用精鑄件用量攀升，國在精密鑄造技術方面取得了重大進展。為提高產品競爭能力，各國在縮短生產周期、擴大產品領域、提高產品質量、降低成本、改善環(huán)境等方面技術發(fā)展較快。 我國于20世紀50年代初期，通過引進前蘇聯技術，開始發(fā)展現代熔模精，密鑄造技術。70年代，研究主要集中在水玻璃型殼的快速制殼，新的硬化劑的開發(fā)，同時完善硅酸乙酯、開發(fā)硅溶膠、改善模料性能、提高制芯技術等精密鑄造工藝方法研究；80年代，從國外引進了無余量熔模精密鑄造生產線，開始了全面的技術吸收、消化和發(fā)展；90年代則實現了熔模鑄造產量的大幅度提升。下面，將從高溫合金、鋁合金以及鈦合金熔模鑄造三個方面，詳細討論國內外發(fā)展現狀。 （1） 高溫合金 航空發(fā)動機渦輪葉片是典型高溫合金熔模鑄件。上世紀80年代以來，國外對渦輪工作葉片和導向葉片的結構、材料及制造技術進行了深入的革命性研究，已相繼研制出具有高效氣冷效果的葉片冷卻系統(tǒng)、材料和制造技術，制造的部件已經通過發(fā)動機的全面考核，如多孔層板合金件、多孔層板合金鑄造的單晶葉片、超氣冷空心葉片、微疊層復合材料葉片以及相應的發(fā)散冷卻（Lamilloy）、鑄冷（Cast Cool）、超氣冷（Super cooling）等用于超級氣冷空心葉片制造的新技術。 我國于20世紀50年代從前蘇聯引進了石蠟-硬脂酸模料和水玻璃-石英型殼加礬土水泥的濕法造型工藝，開始了航空熔模鑄件的研制歷程。我國在1966年研制成功第一代空心鎳基高溫合金渦輪葉片，于70年代末成功鑄造出符合發(fā)動機性能要求的低壓一級空心導向葉片。而高溫合金近凈形熔模精密鑄造技術是在上世紀70年代末期80年代初期形成的，早期的研究技術水平與國外同時期先進水平相當。迄今已經形成了以等軸晶、定向柱晶和單晶凝固結晶特征的葉片近凈形熔模精密鑄造技術、整體葉盤類控晶鑄造技術和中小型復雜薄壁結構件整鑄技術體系和研究保障條件。北京航空材料研究院近幾年系統(tǒng)研究高效氣冷單晶渦輪葉片近凈形熔模精密鑄造技術、雙性能整體葉盤近凈形熔模精密鑄造技術、大型復雜薄壁結構件近凈形熔模精密鑄造等前沿技術，迄今已經在關鍵技術上取得突破：針對雙層壁和其他復雜薄壁件結構的特點，在現有熔模材料上進行降粘和增強改性研究，并引入激光快速成形工藝對新型結構件整鑄技術快速研究，形成新型熔模材料體系和熔模成形工藝；針對單晶葉片、整體葉盤和大型復雜薄壁結構件開展了凝固結晶過程控制的基礎技術研究，形成針對葉片單晶生長、整體葉盤定向柱晶/等軸細晶復合生長、大流阻下致密充填與晶粒度復合控制的技術。 總的來說，經過長期的努力，我國航空發(fā)動機葉片熔模鑄造有了長足的進步，但與國際先進水平尚存在不小的差距，特別是單晶葉片制造技術方面，國際上單晶葉片已經批量配備到航空發(fā)動機中，而我國在合金、工藝、設備等方面尚需進一步研究和提升[5]。 （2） 鋁合金 鋁合金具有比強度高、 比剛度高和抗疲勞性能優(yōu)異的性能，是理想的結構材料。用鋁合金替代鋼鐵可大大減輕產品的質量和增加結構的穩(wěn)定性，在航空、航天、汽車、船舶、兵器、電子等行業(yè)已大量使用，特別是近年來越來越多地采用了鋁合金熔模精密鑄件。隨著現代工業(yè)及鑄造新技術的發(fā)展，對鋁合金鑄件的需求量越來越大，要求也越來越高，要求鑄件尺寸精確、表面質量和內部冶金質量好，表面粗糙度一般要求Ra在0.8～3.2 μm之間，并且向大型、薄壁、復雜、整體的方向發(fā)展。 目前，鋁合金精密鑄造技術在國外發(fā)達國家中發(fā)展較為迅速。鋁合金熔模鑄造可同時生產小件和大件，最大輪廓尺寸可達到1.8 m，最小壁厚可降到 2 mm，最大鑄件的重量接近 1000 kg。尺寸精度也越來越高：在 25.4 mm 內，公差可以達到0.125 mm；從 25.4 mm 到 254 mm 每增加 25.4 mm，公差增加 0.05 mm；尺寸大于 254 mm 時每增加 25.4 mm，公差增加0.127 mm。表面粗糙度 Ra 最高可達到約 0.63μm(相當7~8水平)，熔模鑄件的力學性能也在不斷提高。同時，各種模料輔助技術也發(fā)展較快，如日本研究的水溶性模料，可適用于在壓力范圍在0.7~1.5 MPa之內的壓鑄成型，美國TEM-PCRAFT生產的V-3002 型壓蠟機的最大合型力可達到3000 kN。 近20年來，國內對鋁合金精密鑄造技術也開展了大量的研究工作，在一些領域雖然取得了長足的進步，但與國外先進水平相比，仍然還有不小的差距。主要表現為：鋁合金精密鑄造專業(yè)化生產程度低；鋁合金精密鑄造生產設備和配套技術落后；鑄件尺寸、尺寸精度、復雜程度和表面質量不高；鑄件機械性能低；生產周期長等。目前還滿足不了航空、航天領域對鋁合金精密鑄件更高的性能要求[6]。 （3） 鈦合金 鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性能好等優(yōu)點，已成為一種優(yōu)良的航空航天結構材料。近來年隨著國內外航天事業(yè)的飛速發(fā)展，鈦合金成形技術已經成為人們研究的熱點。熔模鑄造是鈦合金最成功、也是應用最廣泛的近凈形成形技術，它具有鑄件的表面粗糙度好、尺寸精度高等優(yōu)點，可顯著提高原材料的利用率（可達75%~90%）。 20世紀70年代初，美國PCC公司與德國的MTU發(fā)動機公司合作，采用氧化物陶瓷型殼整體精鑄出直徑800mm的RB199發(fā)動機的中間機匣，從而開創(chuàng)了生產大型薄壁復雜鈦合金整體精鑄件的新紀元。美國第四代殲擊機F-22使用了大量的鈦合金鑄件，其中許多為關鍵部位的承力結構件。美國的AMAIC計劃也在研究薄壁鈦合金結構件，目的是生產厚度為0.9~1.3mm 的Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo的精鑄件，這個厚度要比現在的降低30%~50%。近年來，國外在積極發(fā)展新型鈦合金及鈦鋁金屬間化合物成分優(yōu)化設計及力學性能的同時，加強了對新型鈦合金及金屬間化合物熔化原理、凝固行為、熔體凈化工藝的研究，并重點開發(fā)了鈦合金、鈦鋁金屬間化合物的近無余量的精密鑄造工藝及關鍵技術。 我國目前也有許多研究院致力于鈦和鈦合金精密鑄造技術的研發(fā)，如北京航空材料研究院、沈陽鑄造研究所、洛陽船舶材料研究所、中科院沈陽金屬研究所、哈爾濱工業(yè)大學等單位。北京航空材料研究院曾采用引進技術成功澆鑄出尺寸為630mm300mm130 mm，最小壁厚僅為2.5 mm的某飛機用的復雜的框形結構。 未來，國內關于鈦和鈦合金精密鑄造研究將集中在以下方向： ①鈦合金鑄件的生產成本限制了它在航空航天工業(yè)上的應用，因此鈦合金的發(fā)展將主要放在如何降低成本上，造型材料和真空熔煉是生產中的高成本環(huán)節(jié)，應進一步加大此方面的研究； ②鈦合金鑄件將越來越多地應用在易疲勞、易斷裂等關鍵部位，加大鈦合金研發(fā)，將是鈦合金發(fā)展的又一大趨勢； ③由于鑄造鈦合金在鑄造過程中經常存在鑄造應力、組織性能不均勻等問題，為確保鑄件的使用質量，針對鈦合金鑄件開發(fā)熱等靜壓和熱處理技術研究顯得尤為重要； ④熔模鑄造只能生產中小型鑄件，應尋求一種生產更大型、更凈形、更高效鑄件的工藝，提高鈦合金鑄件的生產能力； ⑤進一步擴大計算機模擬凝固技術在鈦合金鑄造中的應用，以提高鑄件質量，減小鑄件的廢品率。[7][8] 1.4 選題簡介 本次課程設計，旨在了解熔模精密鑄造的整體流程及工藝，對于熔模精密鑄造有初步的認識，熟悉相關實驗操作，培養(yǎng)實踐的能力，在實踐中加深對熔模鑄造工藝流程和技術的理解。 具體而言，首先由指導老師董安平老師向我們介紹了熔模精鑄的含義、工藝流程、發(fā)展現狀及前景，并對實驗室的具體設備和科學研究情況進行了介紹。接下來，采用冀浩同學提供的3d鼠標模型為藍本，九個同學分為三個小組，分別對應負責鼠標按鍵、上蓋、下蓋的鑄造工作。從而通過一系列步驟將3d模型變?yōu)閷嵨?。我們小組負責的是鼠標上蓋部分的熔模精密鑄造。 2. 鑄件工藝流程設計 2.1 模具的設計與制造 對于本次熔模精密鑄造課程設計，由冀浩同學提供的鼠標3D模型為基礎（見圖2），選取其中三個主要構件，分別為按鍵，上蓋，下蓋，來作為三個鑄件，分給三個小組進行分別鑄造。經過分析發(fā)現原有模型尺寸過小太薄，不便于熔模鑄造，從而對于模型進行修改，鼠標的外形尺寸放大2.5倍，壁厚放大1.5倍，從而基本滿足鑄造要求。 圖2 整體鼠標3d模型 其中，我們小組負責熔模鑄造的部件是上蓋，見圖3。其中鑄件的蠟模模型由指導老師董老師找相關公司3d打印得到的樹脂模型，見圖4。 圖3 鼠標上蓋部分3d模型圖 圖4 鼠標上蓋實際3D打印出的模型 得到的3d打印實物為上面的白色結構，接下來我們要為其設計澆注系統(tǒng)，并對設計好的澆注系統(tǒng)的進行模擬和合理性評估，從而獲得我們的澆注系統(tǒng)。 2.2 澆注系統(tǒng)的設計與模擬 2.2.1 澆注系統(tǒng)的設計 鑄件在澆注過程中最大的問題首先是解決鑄件的充型問題。在澆注系統(tǒng)設計的時候要注意澆、冒口的系統(tǒng)設計，同時要考慮到真空設備的能力，型殼裝箱預熱的方式，澆注過程中的速度以及鑄件澆注后的保溫等問題。因此在正式生產試驗前，設計了澆注系統(tǒng)，設計了一個澆口和2個冒口。由于本鑄件相對比較簡單，所以在設計之后直接進行了模擬。澆注系統(tǒng)設計圖如圖5所示。 圖5 澆注系統(tǒng)設計模擬圖 2.2.2 澆注系統(tǒng)的模擬分析 針對以上設計的澆注系統(tǒng)，我們對其澆注過程和凝固過程進行了計算機模擬，采用ProCAST軟件（ProCAST 軟件是由美國 USE 公司開發(fā)的鑄造過程的模擬軟件采用基于有限元的數值計算和綜合求解的方法,對鑄件充型、凝固和冷卻過程等提供模擬，提供了很多模塊和工程工具來滿足鑄造工業(yè)最富挑戰(zhàn)的需求?；趶姶蟮挠邢拊治觯軌蝾A測嚴重畸變和殘余應力，并能用于半固態(tài)成形，吹芯工藝，離心鑄造，消失模鑄造、連續(xù)鑄造等特殊工藝）。首先對于整體澆注系統(tǒng)進行了有限元網格劃分，見下圖。 圖6 網格劃分 之后，對于其澆注過程進行了模擬。見下圖。 圖7 t=0.2s時模擬澆注情況 圖8 t=4s時模擬澆注情況 從圖中可以發(fā)現，4秒時已經澆注完畢，而由于延遲，其實真實時間會更快。從而可以說明澆注幾乎是瞬間完成的。接下來，就是鑄件的冷卻過程了。以下圖捕捉了幾個模擬時鑄件冷卻過程中的瞬間。 圖9 t=44 s時模擬冷卻情況 圖10 t=1404 s時模擬冷卻情況 圖11 t=1604 s時模擬冷卻情況 從以上幾個圖中，可知，鑄件冷卻現實從兩側薄壁處開始的，這與常識相符。并且冷卻時間較長。最終冷卻后鑄件的縮松情況見下圖，可以發(fā)現出現縮松最嚴重區(qū)域集中在澆口處，鑄件本身縮松產生率較小。從而符合要求。綜上所述，設計的澆注系統(tǒng)合理，可以實際使用。 圖12 整體示意圖 圖13 剖面圖 2.3 3D打印與制備蠟模 3D打?。?DP)即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。 3D打印通常是采用數字技術材料打印機來實現的。常在模具制造、工業(yè)設計等領域被用于制造模型，后逐漸用于一些產品的直接制造，已經有使用這種技術打印而成的零部件。該技術在珠寶、鞋類、工業(yè)設計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領域都有所應用。 將設計出的試樣在軟件中繪制出來，再利用3D打印技術將試樣打印出來，我們此處為董老師委托相關公司打印制作。之后在實驗室中，根據設計好的澆注系統(tǒng)，在3d打印出的樹脂模型的基礎上進行壓蠟。壓蠟主要是運用已經壓好的不同型號的圓柱體蠟，將澆注系統(tǒng)以鑄造蠟為原材料，通過手工制作的方式做好，并添加排蠟口和一些必要的修補。最終得到的蠟模如下圖示。 圖14 蠟模 2.4 制殼 2.4.1 制殼原材料 熔模精密鑄造制殼使用原材料包括硅溶膠、鋯粉（砂）、莫來粉（砂）、消泡劑（主要是醇類與有機硅類，用于消泡、抑泡）、潤濕劑（主要是醚類非離子表面活性劑，用于降低界面張力，滲透濕潤）、殺菌劑（用于控制細菌含量，延長漿料有效使用時間）、氨水（調整漿料PH值，延長漿料有效使用時間）、蒸餾水（調整漿料SiO2%，補充蒸發(fā)水分，延長漿料有效使用時間）。 漿料使用前應重點檢測流杯黏度、PH值、比重，其次檢測二氧化硅含量、總固含量、漿料壽命、細菌含量、涂片重量、透氣性、強度（濕強度、干強度、高溫強度）。依照檢測結果判斷漿料質量。 2.4.2 制殼工藝 目前國內精鑄行業(yè)中廣泛運用的四種制殼工藝分別是水玻璃型殼、復合型殼、硅溶膠-低溫蠟型殼、硅溶膠-中溫蠟型殼，所得精鑄件質量由低到高。 1）水玻璃型殼。這一工藝在國內已有近50年的生產歷史其廠點數至今仍在我國精鑄廠家中占有相當比重。多年來由背層型殼耐火材料的改進和新型硬化劑的推廣應用，水玻璃型殼強度有了成倍增長，鑄件表面質量、尺寸精度及成品率有了很大提高。低廉的成本、最短的生產周期、優(yōu)良的脫殼性能及高透氣性至今仍是其他任何型殼工藝所不及的。 存在的主要問題： ①水玻璃粘結劑固有的缺點是Na2O含量高，型殼高溫強度、抗蠕變能力遠不及硅溶劑型殼。加之面層耐火料采用價低質次、粒度級配不良的石英砂（粉），因而必須不能獲得高質量的精鑄件。 ②型殼生產條件差，缺乏嚴格的生產過程及參數的控制。由于硬化劑的強腐蝕性，除塵設備簡陋，很少車間有恒溫、恒濕、除塵的生產環(huán)境。影響型殼和鑄件質量的涂料配制、硬化、風干、脫蠟等工序，極少按行業(yè)規(guī)定的操作規(guī)范嚴格控制。型殼風干處的溫度、濕度、風速等更是不加控制，故常在高、低溫或梅雨季節(jié)發(fā)生批量報廢的質量事故?？傊蟛糠止S停留在手工作坊階段，靠技藝而不是靠科學的質量管理進行生產。這是水玻璃型殼數十年來鑄件質量不穩(wěn)定、廢品率、返修率高的重要原因之一。 2）復合型殼。目前不少工廠將第一、二層改用鋯英粉及莫來石粉，硅溶膠型殼。背層仍要用原有水玻璃型殼工藝。它是結合硅溶膠型殼的優(yōu)良表面質量和水玻璃低成本、短周期的優(yōu)點的一種改進方案。與水玻璃型殼相比，其鑄件表面質量有了很大提高，表面粗糙度降低、表面缺陷減少、返修率下降。生產周期與水玻璃型殼相近。 存在的主要問題： ①由于背層保留了水玻璃粘結劑，故其型殼整體高溫強度、抗蠕變能力比硅溶膠型殼低，澆注的鑄件尺寸精度及形位公差均比不上硅溶膠型殼。 ②透氣性不如水玻璃型殼也不如硅溶膠型殼，型殼高溫強度不及硅溶膠型殼，易造成廢品。 ③復合型殼鑄件質量穩(wěn)定性比水玻璃好，但遠不如硅溶膠型殼。 ④復合型殼由于采用價高的鋯英粉作面層，其型殼成本是水玻璃型殼的4.5倍，若背層采用莫來石砂粉，其型殼成本與硅溶膠型殼成本相差無幾，其成本低的優(yōu)勢并不明顯。 ⑤復合型殼不能使用中溫蠟料。中溫蠟不能使用熱水脫蠟。在高壓釜中脫蠟時，由于高溫、高壓，中溫蠟液會與背層中的水玻璃及殘留硬化劑產生劇烈的皂化反應，不經回收處理無法回用。 3）硅溶膠-低溫蠟型殼。低溫蠟成型容易、設備簡單，蠟模表面粗糙度相差不大，工藝比復合型殼質量穩(wěn)定，尤其是鑄件尺寸精度高，因它沒有水玻璃存在，型殼高溫性能好，焙燒后型殼透氣性高，抗蠕變能力強，既可適用于薄壁件，復雜結構的中小件，又可生產重達 50~100kg的特大件。 存在的主要問題： ①由于采用低溫蠟，大部分型殼在水中脫蠟，難免有皂化物殘留進入型殼中易產生鑄件表面夾雜，返修率稍高。 ②制殼生產周期長是它的最大缺點和不足，尤其在生產大件，有深孔、深槽件時，每層干燥常用24~48h。 ③硅溶膠型殼（低溫蠟）型殼成本較水玻璃型殼高5倍，比復合型殼高17%。鑄件成本相應較高。 4）硅溶膠-中溫蠟型殼。國際上通用的精鑄件生產工藝，它具有最高的鑄件質量、最低的返修率，特別適合于表面粗糙度要求高，尺寸精度高的中小件、特小件。存在的主要問題： ①成本高，其型殼生產成本是水玻璃型殼的8倍。比低溫蠟硅溶膠型殼也高也25%。 ②生產周期與低溫蠟硅膠溶膠型殼相同，比水玻璃及復合型殼長得多。 ③生產中大件往往要采用中溫液態(tài)蠟及高壓注蠟，厚壁蠟模易縮凹，鑄件尺寸精度并不太高。中大件對尺寸精度、表面粗糙度要求也沒有小件那么高，故中大件較少采用硅溶膠（中溫蠟）型殼。 2.4.3 制殼步驟 ①配制涂料，模組的除油和脫脂：由于模組為石蠟，他們具有憎水性，因此用肥皂水貨表面活性劑改善涂掛性 ②上涂料和撒砂：涂料要均勻，不可缺涂、局部堆積或積存氣泡。（方法：模組在涂料中不斷的翻轉和上下移動）；撒砂是為了增強型殼和固定涂料，可防止涂料干燥時因為收縮而產生穿透性裂紋，撒砂用材料應與配置涂料耐火材料相同（相同的膨脹系數） ③型殼干燥和硬化。 ④重復以上步驟直至型殼完成。下圖是最終效果。 圖15 制殼效果圖 2.5 澆注 2.5.1 脫蠟 熔失熔模的過程統(tǒng)稱為脫蠟，是熔模鑄造的主要工序之一。脫蠟的方法有多種如：有機溶劑法、熱水脫蠟法、高壓蒸汽脫蠟法、閃燒脫蠟法、微波脫蠟法、熱砂脫蠟法等，目前應用最廣泛的為高壓蒸汽脫蠟法，而水玻璃型殼多采用熱水脫蠟法。無論是何種脫蠟方法，要點都是高溫快速脫蠟，以保證型殼在脫蠟過程中不開裂。 型殼制成后一般要停放一段時間后（2~4h）方可進行脫蠟。本次實驗采用高壓蒸汽脫蠟法。 下兩圖是脫蠟后的效果。可以觀察到型殼外表面結實，內表面很光滑。 圖16 脫蠟后實物圖A 圖17 脫蠟后實物圖B 2.5.2 焙燒 焙燒的目的是去除揮發(fā)物（水，殘余蠟料、皂化物）去除之后留下的空隙提供透氣性；使粘接劑、耐火材料發(fā)生反應，改善力學性能（高溫下）；減少澆注時的溫差，提高充型能力，避免脹型。 如需造型（填砂）澆注，在焙燒之前，先將脫模后的型殼埋箱內的砂粒之中，再裝爐焙燒。如采用高強度型殼時，可不必造型而將脫模后的型殼直接焙燒。焙燒時逐步增加爐溫，將型殼加熱至800 -1000 ℃，保溫一段時間，即可進行澆注。 2.5.3 澆注 熔模鑄造時常用的澆注方法有：1）熱型重力澆注 這是用得最廣泛的一種澆注形式，即型殼從焙燒爐中取出后，在高溫下進行由澆注。此時金屬在型殼中冷卻較慢，能在流動性較高的情況下充填鑄型，故鑄件能很好復制型腔的形狀，提高了鑄件的精度。但鑄件在熱型中的緩慢冷卻會使晶粒粗大，這就降低了鑄件的機械性能。在澆注碳鋼鑄件時，冷卻較慢的鑄件表面還易氧化和脫碳，從而降低了鑄件的表面硬度、光潔度和尺寸精度。2）真空吸氣澆注 將型殼放在真空澆注箱中，通過型殼中的微小孔隙吸走型腔中的氣體，使液態(tài)金屬能更好地充填型腔，復制型腔的形狀，提高鑄件精度，防止氣孔、澆不足的缺陷。該法已在國外應用。3）壓力下結晶 將型殼放在壓力罐內進行澆注，結束后，立即封閉壓力罐，向罐內通入高壓空氣或惰性氣體，使鑄件在壓力下凝固，以增大鑄件的致密度。在國外最大壓力已達150atm。4）定向結晶（定向凝固） 一些熔模鑄件如渦輪機葉片、 磁鋼等，如果它們的結晶組織是按一定方向排列的柱狀晶，它們的工作性能便可提高很多，所以熔模鑄造定向結晶技術正迅速地得到發(fā)展。 本次試驗采用傾轉式熱型重力澆注。下圖為澆鑄過程。 圖18 澆注過程 圖19 澆注后實物圖 2.5.4 熔煉鑄件的清理 熔模鑄件清理的內容主要包括：從鑄件上清除型殼；自澆冒系統(tǒng)上取下鑄件；去除鑄件上所粘附的型殼耐火材料；鑄件熱處理后的清理，如除氧化皮、盡邊和切割澆口殘余等。獲得的鑄件如下圖示。 圖20 鑄件實物圖 2.6 后處理 2.6.1 噴砂 利用高速砂流的沖擊作用清理和粗化基體表面的過程叫做噴砂。采用壓縮空氣為動力，以形成高速噴射束將噴料（銅礦砂、石英砂、金剛砂、鐵砂、海南砂）高速噴射到需要處理的工件表面，使工件表面的外表面的外表或形狀發(fā)生變化，由于磨料對工件表面的沖擊和切削作用，使工件的表面獲得一定的清潔度和不同的粗糙度，使工件表面的機械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲勞性，增加了它和涂層之間的附著力，延長了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和裝飾。下圖為噴砂操作圖。 圖21 噴砂操作圖 2.6.2 酸洗 利用酸溶液去除鋼鐵表面上的氧化皮和銹蝕物的方法稱為酸洗。是清潔金屬表面的一種方法。通常與預膜一起進行。一般將制件浸入硫酸等的水溶液，以除去金屬表面的氧化物等薄膜。是電鍍、搪瓷、軋制等工藝的前處理或中間處理。 2.6.3 修正（機加工） 機加工是機械加工的簡稱，是指通過機械精確加工去除材料的加工工藝。機械加工主要有手動加工和數控加工兩大類。 熔模鑄造鑄件除了切除冒口、平整鑄件表面外，還要根據設計加工出熔模鑄造無法直接澆鑄出的細節(jié)部分，比如孔、槽等。 2.6.4 熱處理 熱處理是將金屬材料放在一定的介質內加熱、保溫、冷卻，通過改變材料表面或內部的晶相組織結構，來改變其性能的一種金屬熱加工工藝，包括正火、退火、回火、淬火等。 熔模鑄造鑄件進行熱處理是為了消除內應力、改善機械性能。 2.7 檢驗 熔模鑄造工序多，工藝過程復雜，影響鑄件質量因素多。據英國熔模鑄造協會統(tǒng)計熔模鑄件常見缺陷有49種之多。影響鑄件缺陷的主要因素有：易熔模質量、型殼質量和金屬液質量等。 ①鑄件尺寸超過規(guī)定的公差范圍稱鑄件尺寸超差。這是熔模鑄件的一個重要缺陷，將造成鑄件報廢。將熔模鑄造工序中影響鑄件尺寸變化的因素歸納起來主要有五方面：鑄件結構、形狀和大小；壓型；制易熔模；型殼和澆注工藝。 ②熔模鑄件表面應光潔、表面粗糙度應為Ra3.2~0.8μm。表面粗糙是指熔模鑄件粗糙度達不到要求。熔模鑄件表面粗糙度與壓型質量、熔模、制殼、焙燒、澆注和清理各工序均有密切的關系，影響因素很多。 ③表面缺陷有：粘砂、夾砂、鼠尾、凹陷、桔子皮缺陷、癩蛤蟆皮缺陷、鼓脹、毛刺、金屬珠等等，是熔模鑄造常見缺陷。 ④孔洞類缺陷有：氣孔、多孔性氣性、縮孔、縮松等缺陷，是熔模鑄造常見缺陷。 ⑤裂紋與變形。 ⑥其他缺陷：砂眼、渣孔、冷隔、欠鑄、跑火、表面脫碳等。為了檢查上述缺陷，工業(yè)上主要采用了兩種方法：X線檢驗與尺寸檢驗。 3 總結 經過上面一系列步驟，我們完成了我們小組負責的鼠標上蓋部分的從設計、模擬到實驗的整個熔模精鑄過程，并獲得了最終的鑄件。 4 體會與建議 通過整個實驗的進行和課程設計報告的撰寫，對于熔模精密鑄造有了較為全面的了解，對于整個鑄造過程有了直觀的認識。在課程設計進行之前，對于熔模鑄造基本上一無所知。而通過完成課程設計，不僅對于熔模鑄造有了一定的認識，也發(fā)現那些看似高大上的一個個航空用的高溫合金鑄件，也是可以通過努力一步一步生產出來的?？傊?，我們收獲良多。 至于建議的話，我們這次蠟模是采用的3d打印模型直接獲得，由于這些模型是委托公司制作，成本也較高。之后可以讓學生自己動手在已有的基本形狀（長方體，圓柱等）基礎上自己拼接制作成蠟模，這樣既節(jié)約了經費也可進一步鍛煉學生的動手能力。還有就是，實驗中我們對于澆注過程的模擬還不是太了解，之后時間允許的話，老師可以再多介紹下相關軟件和操作之類的知識。 參考文獻 [1]紀小虎.鋁合金薄壁件熔模精密鑄造研究[D].合肥工業(yè)大學,2013. 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