1熔模鑄造 定義 用熔模材料 通常為低熔點的材料如蠟料 制成熔模樣件并組成模組 然后在模組表面上涂料 耐火材料 待干燥固化后 將模組加熱熔出模料形成中空型殼 經高溫燒結后澆注金屬液體 清理后得到鑄件 由于熔模材料通常為蠟基材料 因此又稱 失蠟鑄造 1 1概述 工藝流程 壓型制造 熔模樣件制造 組裝模組 型殼制造 脫蠟 焙燒 填砂 澆注 觀看影片 1 鑄件尺寸精度高 CT4 CT7 表面粗糙度低 Ra1 6 6 3 m 減少了鑄件的切削加工余量 甚至可實現近凈型鑄造 2 能生產形狀復雜的薄壁鑄件 如前機匣 由內 外環和14件葉片組成 如發動機葉片 葉型的最小壁厚可達0 7mm 熔模鑄造的特點 4 熔模鑄造存在一定局限性 工藝流程煩瑣 生產周期長 鑄件尺寸不宜太大 3 合金材料不受限制 鋼鐵 銅 鋁 鈦 鎂等 熔點高的鎳基高溫合金 鋅 錫等低熔點金屬 熔模鑄造典型產品應用實例 1 2熔模鑄件工藝設計 1 2 1鑄件結構設計 目的就是對于一些零件圖做必要修改 得到適合熔模鑄造特點的最合理的鑄件結構 一 鑄件結構的合理性鑄件結構是否合理 對于鑄件質量 生產工藝的可行性和簡易性以及生產成本等影響很大 根據生產實際 總結出鑄件結構合理性的幾條基本原則 不合理 合理 1 易于從壓型中取模 不合理 合理 2 易于抽芯 不合理 合理 不合理 合理 3 壁厚均勻 減少熱節 不合理 合理 4 避免大平面 不合理 合理 5 減少不通孔 不合理 合理 6 簡化壓型加工 不合理 合理 7 設計必要的工藝筋 A 防止環形件 框型件變形設計的工藝筋 B 防止鑄件開口部位變形而設計的工藝筋 C 減少大平面 防止殼形變形 8 設計必要的工藝孔 A 防止大平面型殼變形設計工藝孔 B 減少熱節 防止縮孔設計工藝孔 由于熔模鑄造的型殼內表面光潔 并且一般為熱型殼澆注 因此熔模鑄件壁厚允許設計得較薄 最小壁厚與合金種類及鑄件輪廓尺寸有關 二 鑄件結構要素及工藝參數選定 1 最小壁厚 熔模鑄件的最小壁厚 單位 mm r d kR r d 2r 轉角內圓角mm R 轉角外圓角mmd 連接壁的壁厚 k 轉角的圓角系數 根據角度大小接圖選取 13590450 2 圓角 一般情況下鑄件上各轉角處都設計成圓角 否則容易產生裂紋 縮松 鑄件上內圓角和外圓角按下式計算 為了便于取模 抽芯 在拔模面應設有鑄造斜度 鑄造斜度的取值如下 熔模鑄件的鑄造斜度 3 鑄造斜度 最小鑄出孔的孔徑與深度 單位 mm 4 最小鑄出孔 熔模鑄件單面加工余量 單位mm 5 加工余量 影響熔模鑄件尺寸的收縮因素包括合金的收縮 模料的收縮 型殼的膨脹等 這幾方面綜合的影響稱為熔模鑄件的綜合線收縮率 6 線收縮率 1 2 2熔模鑄造澆注系統設計 一 澆注系統作用1 把液體金屬引入型腔注意充型平穩 避免金屬液氧化和卷入氣體 保證不產生冷隔和澆不足缺陷 2 補充液體金屬凝固時體積收縮澆注系統應能保證補縮時通道暢通 并保證能提供給鑄件必要的補縮金屬液 避免鑄件產生縮孔 疏松 3 在組焊與制殼時起支撐易熔模和型殼作用 要求有足夠強度 防止制殼過程中易熔模脫落 4 在熔化易熔模時 起液體模料流出的通道作用 澆注系統應能保證排除模料通暢 二 澆注系統結構 按澆注系統組成分為 1 直澆道一內澆道結構形式 直澆道兼起冒口作用 操作方便 但排渣不利 2 橫澆道一內澆道結構形式 常用于頂注 有利于順序凝固 3 直澆道一橫澆道一內澆道結構形式 按合金液注入鑄件部位分為 1 頂注式 合金液從型腔的頂部注入 鑄件自下而上凝固 合金液易飛濺 排氣不暢 適用于高度較低的鑄件 2 側注式 合金液從型腔側面注入 鑄件補縮好 應用較廣泛 3 底注式 合金液型腔底部平穩注入 不易產生夾渣 氣孔 不利于順序凝固 需增設冒口 三 澆注系統計算 步驟 1 確定澆注系統形式 封閉式或開放式 2 計算內澆道尺寸 3 根據澆注系統形式 計算直澆道 橫澆道的尺寸 1 澆注系統形式的確定 封閉式或開放式澆注系統是按照直澆道 橫澆道 內澆道的尺寸比例劃分的 S內 S橫 S直 封閉式澆注系統 優點 1 金屬液完全充滿澆注系統 可防止金屬液卷入氣體 2 有較好擋渣能力缺點 進入型腔流速高 產生噴濺和沖砂 氧化 優點 因為金屬液不能充滿澆注系統 金屬液流動平穩 充型快 缺點 擋渣效果差 S直 S橫 S內 開放式澆注系統 此法依據鑄件上熱節圓直徑或熱節圓截面積 由下式確定內澆道直徑或內澆道截面積 D內 0 6 1 0 D節S內 0 4 0 9 S節式中 D內 內澆道直徑 mmD節 鑄件上熱節圓直徑 mmS內 內澆道截面積 mm2S節 鑄件上熱節圓截面積 mm2這種方法簡單 但精度差 因為比例系數取值范圍較大 2 內澆道尺寸的確定 a 比例系數法 熱節圓直徑的求法 該方法是根據補縮需要 把鑄件熱節換算成一個圓柱體單元 并令該單元與鑄件熱節具有相同凝固模數和重量 此單元圓柱體的直徑稱為當量熱節直徑 那么 內澆道尺寸的大小就以此當量直徑為基礎 推導出一個計算公式 b 當量熱節法 式中d 內澆道尺寸 mmK 重量系數Dc 當量熱節直徑 mm當內澆道為圓截面時 則d即為內澆道直徑 當鑄件熱節部位的截面形狀為長方形斷面axb時 可由圖求得當量熱節圓直徑Dc K為重量系數 根據鑄件重量W和Dc 由圖查出 d k Dc 當量熱節圓直徑Dc的求法 重量系數K的求法 1 鑄件熱節部位截面axb 16mm 30mm2 由圖查當量熱節直徑Dc 用直尺連接a 30mm b 16mm 兩點交Dc線于一點 即得Dc 21mm 當量熱節法計算舉例 制動凸輪鑄件如圖所示 鑄件重230g 3 根據鑄件重量W 230g Dc 21mm 查圖求重量系數K 用直尺連接W Dc兩點交K線于一點 該點為K 0 89 4 根據d K Dc 可求得d 0 89 21 18 8mm5 當采用矩形內澆道時 先定矩形某一邊尺寸a 16mm 然后返過來應用圖 由a 16 d 18 8查得b 23mm 于是內澆道截面尺寸定為16 23mm 1 3壓型種類及制造方法 壓型 用來制造易熔模的模具 壓型腔的尺寸精度 表面粗糙度和壓型結構 直接影響易熔模的生產效率和壓型制造成本 1 3 1壓型的種類 按壓型材料分為 金屬壓型和非金屬壓型 金屬壓型又分為 鋼模 鋁合金模 易熔合金模壓型 非金屬壓型分為石膏壓型 硅橡膠壓型 環氧樹脂壓型等 各種壓型的特點及應用范圍如表所示 常用壓型類型 1 3 2壓型組成 壓型主要由型體 型芯 定位元件 鎖緊機構 抽芯機構 起模機構組成 手工壓蠟的壓型結構圖 由底座14 右半型1 左半型3 和蓋板8四塊組成內腔由型芯2形成 1 4易熔模制造 易熔模簡稱熔模 熔模的質量影響鑄件的尺寸精度及表面粗糙度 易熔模制造工藝流程如圖所示 1 熔化溫度和凝固溫度區間兼顧模料耐熱性要求并考慮到工藝操作方便 熔化溫度常選在50 80 之間 凝固溫度區間以5 10 為宜 1 4 1模料 一 對模料的基本要求 概括為工作性能要求和工藝性能要求 3 收縮率模料熱脹冷縮小 才能提高熔模尺寸精度 也才能減少脫臘時因模料膨脹引起的型殼脹裂現象 因此模料的線收縮率是模料重要的性能指標之一 一般應小于1 優質模料線收縮率僅為0 3 0 5 2 耐熱性模料耐熱性是指溫度升高時其抗軟化變形的能力 它影響著熔模和鑄件的精度 通常用熱變形量來表示 要求35 溫度時模量熱變形量 H35 2 2mm 4 強度為保證生產過程中不損壞 熔模需要有一定強度 模料強度多以抗彎強度表示 一般模料抗彎強度應不低于2 0MPa 最好為5 0 8 0MPa 5 硬度為保持熔模表面質量 模料應有足夠的硬度 以防表面損傷 模料硬度常以針入度表示 常為4 6度 1度 10 1mm 6 粘度和流動性為便于脫模和模料回收 模料粘度不能太大 在90 附近的粘度應為3 10 3 3 10 2Pa S 為得到清晰的熔模 模料應具有良好的流動性 7 灰分模料灼燒后的殘留物稱灰分 它將影響鑄件的質量 也是模料最重要的指標之一 一般模料灰分的質量分數應低于0 05 蠟基模料由石蠟和硬脂酸兩種材料組成 石蠟屬烴蠟 為飽和固體碳氫化合物的混合物 分子式通式為CnH2n 2 n為17 36 n越大 石蠟熔點越高 硬度越高 熱穩定性越好 收縮也越小 按熔點石蠟可分為56 58 60 62 64 66 70等牌號 熔模鑄造多使用58 64石蠟 二 模料的種類 1 蠟基模料 硬脂酸的分子式為C17H35COOH 是以動植物油脂為原材料 經加壓蒸餾和水解制得 由于硬脂酸比碳原子數相同的石蠟熔點高 故其熱穩定性好 收縮性較小 此外硬脂酸 是極性分子 有利改善模料的涂掛性 樹脂基模料的基體組成是樹脂 與蠟基模料相比具有強度和熱穩定性高 收縮小的優點 可用于生產高精度鑄件 用于渦輪葉片等航空件及高精度機械零件生產 2 樹脂基模料 一 制模時模料狀態采用壓力制模工藝時 模料有三種狀態 液態 糊狀 膏狀 前者稱液態壓注 后兩者稱為膏態壓注 蠟膏制備方法 1 4 2制模工藝 三 制模工藝參數將已配制好的蠟膏 在壓力下注入壓型 冷凝后從壓型中取出熔模 影響著熔模質量的工藝參數有壓射蠟溫 壓型溫度 壓射壓力 保壓時間和起模時間 1 壓射蠟溫和壓型溫度壓注熔模時模料的溫度為壓射蠟溫 壓射蠟溫和壓型溫度的變化對制出的熔模表面粗糙度和尺寸變化明顯 壓射蠟溫和壓型溫度偏高 熔模表面粗糙度較低 但收縮較大 反之 熔模表面粗糙 收縮較小 2 壓射壓力適當提高模料的壓射壓力 有利于減小熔模收縮率 提高熔模尺寸精度 3 保壓時間和起模時間模料充滿壓型型腔后 保壓的時間愈長則熔模的線收縮率愈小 熔模在壓型中停留冷卻的時間稱起模時間 取模時間過短 熔模易變形 表面會出現 鼓泡 一 型殼組成及結構熔模鑄造有實體型殼和多層型殼兩種鑄型 除石膏型采用實體鑄型外 一般都用多層型殼 型殼是由黏結劑 耐火粉料和撒砂材料等 經浸涂料 撒砂 干燥硬化 脫蠟和焙燒等工序制成 從宏觀上看 型殼除硅凝膠和耐火粉 砂這些固相外 還存在氣孔和裂隙 它是一種多相的非均質體系 1 5型殼制造 1 5 1型殼概述 型殼的組成與耐火制品和陶瓷有相似之處 但型殼焙燒溫度不高 保溫時間不長 澆注溫度雖高 作用時間很短 所以型殼的燒結程度達不到陶瓷和耐火制品 二 型殼主要性能為保證生產出優質鑄件 對型殼有一系列性能要求 強度 抗變形能力 透氣性 線量變化 導熱性 熱震穩定性 熱化學穩定性等 常溫強度又稱濕強度 它是指制好型殼后型殼的強度 它取決于型殼黏結劑干燥和硬化的程度等 如果濕強度太低 脫蠟過程中型殼就會開裂或變形 高溫強度是指焙燒或澆注時型殼的強度 取決于黏結劑中硅凝膠在高溫下形成硅氧鍵 以及高溫下黏結劑與耐火材料的反應產物 高溫強度不足的型殼在焙燒和澆注時就會發生變形或破裂 殘留強度是指澆注后型殼脫殼時的強度 它影響著鑄件清理的難易程度 殘留強度過高 清理困難 并易因清理使鑄件變形或破壞 型殼強度 一 石英是一種資源豐富 價格低廉的耐火材料 熔模精鑄通常采用的是經機械加工粉碎的石英砂 粉 石英中 SiO2量愈高 其他雜物含量愈低則耐火度愈高 SiO2溶點為1713 1 5 2制殼用耐火材料 二 電熔剛玉電熔剛玉就是a A12O3 熔點高 2050 密度大 結構致密 導熱性好 熱膨脹小 是熔模鑄造的良好耐火材料 但由于資源短缺 價格昂貴 目前僅應用于耐火高合金鋼 不銹鋼及鎂合金等精鑄件的制殼材料 三 鋯砂 鋯英石 鋯砂又稱硅酸鋯或鋯英石 分子式為ZrO2 SiO2 或Zr SiO2 理論組成 質量分數 為67 23 ZrO2 32 77 SiO2 熱膨脹性小 蓄熱能力大 耐火度高 作為面層材料具有細化晶粒的作用 故常用做表面層涂料及撒砂材料 多用于不銹鋼精鑄件的生產 三種黏結劑簡述黏結劑是熔模鑄造制殼用的主要原材料 它直接影響著型殼及鑄件質量 生產周期和成本 1939年熔模鑄造工業在美國產生時就采用醇基硅酸乙酯水解液做黏結劑 1960年又引入水基硅溶膠黏結劑 長期以來 美 英 法 德 日等國熔模鑄造均采用這兩種黏結劑 20世紀50年代 前蘇聯在生產精度要求不高的汽車 拖拉機零件時 為降低生產成本采用水玻璃作為黏結劑 并將此工藝推廣到中國 波蘭 捷克等國 以上三種黏結劑在中國現均有使用 1 6 3制殼用黏結劑 1 5 4硅溶膠型殼的制備 一 制殼原理制殼過程是硅酸膠體膠凝的過程 涂料中的黏結劑把耐火粉料及撒砂黏結在模組外邊 形成所需形狀的型殼 硅溶膠型殼采用干燥硬化 即讓型殼干燥 水分蒸發 使硅溶膠濃度增加 達到膠凝臨界濃度時 硅溶膠則膠凝 每制一層型殼有三個工序 上涂料 撒砂 干燥 如此反復多次就可得到所需厚度的多層型殼 二 各工序目的及注意事項 1 上涂料涂料的浸涂是制殼的關鍵工序之一 各處都要均勻涂上涂料 浸涂面層涂料時 要根據熔模的結構特點在涂料桶中轉動或上下移動 防止熔模