熔模精密鑄造課程設(shè)計(jì)

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SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 卓越工程師模塊課程設(shè)計(jì) 論文題目：熔模精密鑄造課程設(shè)計(jì) 小組成員：柳真晶，周世杰，冀浩 專 業(yè): 材料科學(xué)與工程 指導(dǎo)教師: 董安平 學(xué)院(系):材料科學(xué)與工程學(xué)院  目錄 1. 緒論…………………………………………………………………………………………4 1.1熔模鑄造基本原理和工藝過(guò)程……………………………………………………………4 1.2熔模鑄造的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域………………………………………………………………5 1.3 熔模鑄造（高端鑄件）國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀…………………………………………………6 1.4選題簡(jiǎn)介……………………………………………………………………………………9 2. 鑄件工藝流程設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………9 2.1模具的設(shè)計(jì)與制造…………………………………………………………………………9 2.2澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與模擬……………………………………………………………………11 2.2.1澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………11 2.2.2 澆注系統(tǒng)的模擬分析……………………………………………………………………11 2.3 3D打印與制備蠟?zāi)！?4 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(jī)加工）…………………………………………………………………………21 2.6.4 熱處理……………………………………………………………………………………21 2.7 檢驗(yàn)…………………………………………………………………………………………22 3． 總結(jié)…………………………………………………………………………………………22 4． 體會(huì)與建議…………………………………………………………………………………22 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………………23 致謝………………………………………………………………………………………………23 1. 緒論 1.1 熔模鑄造基本原理和工藝過(guò)程 當(dāng)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(dòng)機(jī)、飛機(jī)、汽車零部件以及機(jī)載設(shè)備等對(duì)其結(jié)構(gòu)和重量的要求已變得十分苛刻，因此21世紀(jì)鑄件的發(fā)展趨勢(shì)是“精密化、輕量化、近無(wú)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(wú)余量、薄壁、高精度、高性能、大型復(fù)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(shí)現(xiàn)毛坯精化，甚至無(wú)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(jiǎn)稱熔模），在其上涂掛若干層特制的耐火涂料，經(jīng)過(guò)干燥和硬化形成一個(gè)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(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域 與其他鑄造方法相比，熔模鑄造具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)。 （1） 尺寸精度高、表面粗糙度低 熔模鑄件的尺寸精度可達(dá)到4~6級(jí)，表面粗糙度可達(dá)到 Ra0.4~3.2μm，可大大減少鑄件的切削加工余量，并可實(shí)現(xiàn)無(wú)余量鑄造。 （2） 鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜 由于蠟?zāi)Ｖ苯淤x予鑄件形狀，特別是陶瓷型芯的使用，使得復(fù)雜內(nèi)腔得以實(shí)現(xiàn)；不用開(kāi)型取模，避免了取模對(duì)復(fù)雜鑄型的制約；采用熱殼澆注，金屬充型能力強(qiáng)，可以完成復(fù)雜鑄型的澆注。 （3） 適用合金廣 各種合金材料，如碳素結(jié)構(gòu)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(chǎn)。難以進(jìn)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(chǎn)。 （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(shí)適用于大批量生產(chǎn)和小批量生產(chǎn)，大批量生產(chǎn)采用金屬壓型，小批量生產(chǎn)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?zāi)！? 當(dāng)然，熔模鑄造也存在一定的缺點(diǎn)，如工藝流程繁瑣，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，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(shí)現(xiàn)高精度的復(fù)雜成形，在高端鑄件的制造方面占據(jù)著優(yōu)勢(shì)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?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，典型鑄件如航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體機(jī)匣等。除此之外，高溫合金、鈦合金和鋁合金熔模鑄造技術(shù)還在其他領(lǐng)域中得到應(yīng)用，如汽車渦輪增壓器渦輪和電子儀表框架，這些鑄件相對(duì)一般商用熔模鑄件，技術(shù)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(guó)，還存在一類以生產(chǎn)各種不銹鋼、碳鋼鑄件的企業(yè)群體，主要生產(chǎn)出口國(guó)際市場(chǎng)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(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 熔模鑄造的歷史可追溯到 4000 年前，但早期僅應(yīng)用于鑄造藝術(shù)品和裝飾品。二戰(zhàn)時(shí)期，美國(guó)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(xiàn)代熔模鑄造法，并應(yīng)用于機(jī)械零件的生產(chǎn)。此后，該技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展。1991年以前，在發(fā)達(dá)國(guó)家及地區(qū)，軍工和航空產(chǎn)品占熔模鑄造銷售額的50%到70%。隨著蘇聯(lián)解體和冷的戰(zhàn)結(jié)束，行業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，民用精鑄件用量攀升，國(guó)在精密鑄造技術(shù)方面取得了重大進(jìn)展。為提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力，各國(guó)在縮短生產(chǎn)周期、擴(kuò)大產(chǎn)品領(lǐng)域、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、改善環(huán)境等方面技術(shù)發(fā)展較快。 我國(guó)于20世紀(jì)50年代初期，通過(guò)引進(jìn)前蘇聯(lián)技術(shù)，開(kāi)始發(fā)展現(xiàn)代熔模精，密鑄造技術(shù)。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(kāi)發(fā)，同時(shí)完善硅酸乙酯、開(kāi)發(fā)硅溶膠、改善模料性能、提高制芯技術(shù)等精密鑄造工藝方法研究；80年代，從國(guó)外引進(jìn)了無(wú)余量熔模精密鑄造生產(chǎn)線，開(kāi)始了全面的技術(shù)吸收、消化和發(fā)展；90年代則實(shí)現(xiàn)了熔模鑄造產(chǎn)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(gè)方面，詳細(xì)討論國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。 （1） 高溫合金 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片是典型高溫合金熔模鑄件。上世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)外對(duì)渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片的結(jié)構(gòu)、材料及制造技術(shù)進(jìn)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(shù)，制造的部件已經(jīng)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)合材料葉片以及相應(yīng)的發(fā)散冷卻（Lamilloy）、鑄冷（Cast Cool）、超氣冷（Super cooling）等用于超級(jí)氣冷空心葉片制造的新技術(shù)。 我國(guó)于20世紀(jì)50年代從前蘇聯(lián)引進(jìn)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(kāi)始了航空熔模鑄件的研制歷程。我國(guó)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(dòng)機(jī)性能要求的低壓一級(jí)空心導(dǎo)向葉片。而高溫合金近凈形熔模精密鑄造技術(shù)是在上世紀(jì)70年代末期80年代初期形成的，早期的研究技術(shù)水平與國(guó)外同時(shí)期先進(jìn)水平相當(dāng)。迄今已經(jīng)形成了以等軸晶、定向柱晶和單晶凝固結(jié)晶特征的葉片近凈形熔模精密鑄造技術(shù)、整體葉盤類控晶鑄造技術(shù)和中小型復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件整鑄技術(shù)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(shù)、雙性能整體葉盤近凈形熔模精密鑄造技術(shù)、大型復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件近凈形熔模精密鑄造等前沿技術(shù)，迄今已經(jīng)在關(guān)鍵技術(shù)上取得突破：針對(duì)雙層壁和其他復(fù)雜薄壁件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在現(xiàn)有熔模材料上進(jìn)行降粘和增強(qiáng)改性研究，并引入激光快速成形工藝對(duì)新型結(jié)構(gòu)件整鑄技術(shù)快速研究，形成新型熔模材料體系和熔模成形工藝；針對(duì)單晶葉片、整體葉盤和大型復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件開(kāi)展了凝固結(jié)晶過(guò)程控制的基礎(chǔ)技術(shù)研究，形成針對(duì)葉片單晶生長(zhǎng)、整體葉盤定向柱晶/等軸細(xì)晶復(fù)合生長(zhǎng)、大流阻下致密充填與晶粒度復(fù)合控制的技術(shù)。 總的來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的努力，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片熔模鑄造有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但與國(guó)際先進(jìn)水平尚存在不小的差距，特別是單晶葉片制造技術(shù)方面，國(guó)際上單晶葉片已經(jīng)批量配備到航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，而我國(guó)在合金、工藝、設(shè)備等方面尚需進(jìn)一步研究和提升[5]。 （2） 鋁合金 鋁合金具有比強(qiáng)度高、 比剛度高和抗疲勞性能優(yōu)異的性能，是理想的結(jié)構(gòu)材料。用鋁合金替代鋼鐵可大大減輕產(chǎn)品的質(zhì)量和增加結(jié)構(gòu)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(lái)越來(lái)越多地采用了鋁合金熔模精密鑄件。隨著現(xiàn)代工業(yè)及鑄造新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋁合金鑄件的需求量越來(lái)越大，要求也越來(lái)越高，要求鑄件尺寸精確、表面質(zhì)量和內(nèi)部冶金質(zhì)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(fù)雜、整體的方向發(fā)展。 目前，鋁合金精密鑄造技術(shù)在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家中發(fā)展較為迅速。鋁合金熔模鑄造可同時(shí)生產(chǎn)小件和大件，最大輪廓尺寸可達(dá)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(lái)越高：在 25.4 mm 內(nèi)，公差可以達(dá)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(shí)每增加 25.4 mm，公差增加0.127 mm。表面粗糙度 Ra 最高可達(dá)到約 0.63μm(相當(dāng)7~8水平)，熔模鑄件的力學(xué)性能也在不斷提高。同時(shí)，各種模料輔助技術(shù)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(nèi)的壓鑄成型，美國(guó)TEM-PCRAFT生產(chǎn)的V-3002 型壓蠟機(jī)的最大合型力可達(dá)到3000 kN。 近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)鋁合金精密鑄造技術(shù)也開(kāi)展了大量的研究工作，在一些領(lǐng)域雖然取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但與國(guó)外先進(jìn)水平相比，仍然還有不小的差距。主要表現(xiàn)為：鋁合金精密鑄造專業(yè)化生產(chǎn)程度低；鋁合金精密鑄造生產(chǎn)設(shè)備和配套技術(shù)落后；鑄件尺寸、尺寸精度、復(fù)雜程度和表面質(zhì)量不高；鑄件機(jī)械性能低；生產(chǎn)周期長(zhǎng)等。目前還滿足不了航空、航天領(lǐng)域?qū)︿X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(qiáng)度高、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，已成為一種優(yōu)良的航空航天結(jié)構(gòu)材料。近來(lái)年隨著國(guó)內(nèi)外航天事業(yè)的飛速發(fā)展，鈦合金成形技術(shù)已經(jīng)成為人們研究的熱點(diǎn)。熔模鑄造是鈦合金最成功、也是應(yīng)用最廣泛的近凈形成形技術(shù)，它具有鑄件的表面粗糙度好、尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)，可顯著提高原材料的利用率（可達(dá)75%~90%）。 20世紀(jì)70年代初，美國(guó)PCC公司與德國(guó)的MTU發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的中間機(jī)匣，從而開(kāi)創(chuàng)了生產(chǎn)大型薄壁復(fù)雜鈦合金整體精鑄件的新紀(jì)元。美國(guó)第四代殲擊機(jī)F-22使用了大量的鈦合金鑄件，其中許多為關(guān)鍵部位的承力結(jié)構(gòu)件。美國(guó)的AMAIC計(jì)劃也在研究薄壁鈦合金結(jié)構(gòu)件，目的是生產(chǎn)厚度為0.9~1.3mm 的Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo的精鑄件，這個(gè)厚度要比現(xiàn)在的降低30%~50%。近年來(lái)，國(guó)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(shè)計(jì)及力學(xué)性能的同時(shí)，加強(qiáng)了對(duì)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(diǎn)開(kāi)發(fā)了鈦合金、鈦鋁金屬間化合物的近無(wú)余量的精密鑄造工藝及關(guān)鍵技術(shù)。 我國(guó)目前也有許多研究院致力于鈦和鈦合金精密鑄造技術(shù)的研發(fā)，如北京航空材料研究院、沈陽(yáng)鑄造研究所、洛陽(yáng)船舶材料研究所、中科院沈陽(yáng)金屬研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位。北京航空材料研究院曾采用引進(jìn)技術(shù)成功澆鑄出尺寸為630mm300mm130 mm，最小壁厚僅為2.5 mm的某飛機(jī)用的復(fù)雜的框形結(jié)構(gòu)。 未來(lái)，國(guó)內(nèi)關(guān)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(chǎn)成本限制了它在航空航天工業(yè)上的應(yīng)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(chǎn)中的高成本環(huán)節(jié)，應(yīng)進(jìn)一步加大此方面的研究； ②鈦合金鑄件將越來(lái)越多地應(yīng)用在易疲勞、易斷裂等關(guān)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(shì)； ③由于鑄造鈦合金在鑄造過(guò)程中經(jīng)常存在鑄造應(yīng)力、組織性能不均勻等問(wèn)題，為確保鑄件的使用質(zhì)量，針對(duì)鈦合金鑄件開(kāi)發(fā)熱等靜壓和熱處理技術(shù)研究顯得尤為重要； ④熔模鑄造只能生產(chǎn)中小型鑄件，應(yīng)尋求一種生產(chǎn)更大型、更凈形、更高效鑄件的工藝，提高鈦合金鑄件的生產(chǎn)能力； ⑤進(jìn)一步擴(kuò)大計(jì)算機(jī)模擬凝固技術(shù)在鈦合金鑄造中的應(yīng)用，以提高鑄件質(zhì)量，減小鑄件的廢品率。[7][8] 1.4 選題簡(jiǎn)介 本次課程設(shè)計(jì)，旨在了解熔模精密鑄造的整體流程及工藝，對(duì)于熔模精密鑄造有初步的認(rèn)識(shí)，熟悉相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作，培養(yǎng)實(shí)踐的能力，在實(shí)踐中加深對(duì)熔模鑄造工藝流程和技術(shù)的理解。 具體而言，首先由指導(dǎo)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(xiàn)狀及前景，并對(duì)實(shí)驗(yàn)室的具體設(shè)備和科學(xué)研究情況進(jìn)行了介紹。接下來(lái)，采用冀浩同學(xué)提供的3d鼠標(biāo)模型為藍(lán)本，九個(gè)同學(xué)分為三個(gè)小組，分別對(duì)應(yīng)負(fù)責(zé)鼠標(biāo)按鍵、上蓋、下蓋的鑄造工作。從而通過(guò)一系列步驟將3d模型變?yōu)閷?shí)物。我們小組負(fù)責(zé)的是鼠標(biāo)上蓋部分的熔模精密鑄造。 2. 鑄件工藝流程設(shè)計(jì) 2.1 模具的設(shè)計(jì)與制造 對(duì)于本次熔模精密鑄造課程設(shè)計(jì)，由冀浩同學(xué)提供的鼠標(biāo)3D模型為基礎(chǔ)（見(jiàn)圖2），選取其中三個(gè)主要構(gòu)件，分別為按鍵，上蓋，下蓋，來(lái)作為三個(gè)鑄件，分給三個(gè)小組進(jìn)行分別鑄造。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)原有模型尺寸過(guò)小太薄，不便于熔模鑄造，從而對(duì)于模型進(jìn)行修改，鼠標(biāo)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(biāo)3d模型 其中，我們小組負(fù)責(zé)熔模鑄造的部件是上蓋，見(jiàn)圖3。其中鑄件的蠟?zāi)ＤＰ陀芍笇?dǎo)老師董老師找相關(guān)公司3d打印得到的樹(shù)脂模型，見(jiàn)圖4。 圖3 鼠標(biāo)上蓋部分3d模型圖 圖4 鼠標(biāo)上蓋實(shí)際3D打印出的模型 得到的3d打印實(shí)物為上面的白色結(jié)構(gòu)，接下來(lái)我們要為其設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，并對(duì)設(shè)計(jì)好的澆注系統(tǒng)的進(jìn)行模擬和合理性評(píng)估，從而獲得我們的澆注系統(tǒng)。 2.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與模擬 2.2.1 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 鑄件在澆注過(guò)程中最大的問(wèn)題首先是解決鑄件的充型問(wèn)題。在澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候要注意澆、冒口的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)要考慮到真空設(shè)備的能力，型殼裝箱預(yù)熱的方式，澆注過(guò)程中的速度以及鑄件澆注后的保溫等問(wèn)題。因此在正式生產(chǎn)試驗(yàn)前，設(shè)計(jì)了澆注系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)澆口和2個(gè)冒口。由于本鑄件相對(duì)比較簡(jiǎn)單，所以在設(shè)計(jì)之后直接進(jìn)行了模擬。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖5所示。 圖5 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)模擬圖 2.2.2 澆注系統(tǒng)的模擬分析 針對(duì)以上設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)，我們對(duì)其澆注過(guò)程和凝固過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，采用ProCAST軟件（ProCAST 軟件是由美國(guó) USE 公司開(kāi)發(fā)的鑄造過(guò)程的模擬軟件采用基于有限元的數(shù)值計(jì)算和綜合求解的方法,對(duì)鑄件充型、凝固和冷卻過(guò)程等提供模擬，提供了很多模塊和工程工具來(lái)滿足鑄造工業(yè)最富挑戰(zhàn)的需求。基于強(qiáng)大的有限元分析，它能夠預(yù)測(cè)嚴(yán)重畸變和殘余應(yīng)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(duì)于整體澆注系統(tǒng)進(jìn)行了有限元網(wǎng)格劃分，見(jiàn)下圖。 圖6 網(wǎng)格劃分 之后，對(duì)于其澆注過(guò)程進(jìn)行了模擬。見(jiàn)下圖。 圖7 t=0.2s時(shí)模擬澆注情況 圖8 t=4s時(shí)模擬澆注情況 從圖中可以發(fā)現(xiàn)，4秒時(shí)已經(jīng)澆注完畢，而由于延遲，其實(shí)真實(shí)時(shí)間會(huì)更快。從而可以說(shuō)明澆注幾乎是瞬間完成的。接下來(lái)，就是鑄件的冷卻過(guò)程了。以下圖捕捉了幾個(gè)模擬時(shí)鑄件冷卻過(guò)程中的瞬間。 圖9 t=44 s時(shí)模擬冷卻情況 圖10 t=1404 s時(shí)模擬冷卻情況 圖11 t=1604 s時(shí)模擬冷卻情況 從以上幾個(gè)圖中，可知，鑄件冷卻現(xiàn)實(shí)從兩側(cè)薄壁處開(kāi)始的，這與常識(shí)相符。并且冷卻時(shí)間較長(zhǎng)。最終冷卻后鑄件的縮松情況見(jiàn)下圖，可以發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)縮松最嚴(yán)重區(qū)域集中在澆口處，鑄件本身縮松產(chǎn)生率較小。從而符合要求。綜上所述，設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)合理，可以實(shí)際使用。 圖12 整體示意圖 圖13 剖面圖 2.3 3D打印與制備蠟?zāi)? 3D打?。?DP)即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。 3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。 將設(shè)計(jì)出的試樣在軟件中繪制出來(lái)，再利用3D打印技術(shù)將試樣打印出來(lái)，我們此處為董老師委托相關(guān)公司打印制作。之后在實(shí)驗(yàn)室中，根據(jù)設(shè)計(jì)好的澆注系統(tǒng)，在3d打印出的樹(shù)脂模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行壓蠟。壓蠟主要是運(yùn)用已經(jīng)壓好的不同型號(hào)的圓柱體蠟，將澆注系統(tǒng)以鑄造蠟為原材料，通過(guò)手工制作的方式做好，并添加排蠟口和一些必要的修補(bǔ)。最終得到的蠟?zāi)Ｈ缦聢D示。 圖14 蠟?zāi)? 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(lái)粉（砂）、消泡劑（主要是醇類與有機(jī)硅類，用于消泡、抑泡）、潤(rùn)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(rùn)）、殺菌劑（用于控制細(xì)菌含量，延長(zhǎng)漿料有效使用時(shí)間）、氨水（調(diào)整漿料PH值，延長(zhǎng)漿料有效使用時(shí)間）、蒸餾水（調(diào)整漿料SiO2%，補(bǔ)充蒸發(fā)水分，延長(zhǎng)漿料有效使用時(shí)間）。 漿料使用前應(yīng)重點(diǎn)檢測(cè)流杯黏度、PH值、比重，其次檢測(cè)二氧化硅含量、總固含量、漿料壽命、細(xì)菌含量、涂片重量、透氣性、強(qiáng)度（濕強(qiáng)度、干強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度）。依照檢測(cè)結(jié)果判斷漿料質(zhì)量。 2.4.2 制殼工藝 目前國(guó)內(nèi)精鑄行業(yè)中廣泛運(yùn)用的四種制殼工藝分別是水玻璃型殼、復(fù)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(zhì)量由低到高。 1）水玻璃型殼。這一工藝在國(guó)內(nèi)已有近50年的生產(chǎn)歷史其廠點(diǎn)數(shù)至今仍在我國(guó)精鑄廠家中占有相當(dāng)比重。多年來(lái)由背層型殼耐火材料的改進(jìn)和新型硬化劑的推廣應(yīng)用，水玻璃型殼強(qiáng)度有了成倍增長(zhǎng)，鑄件表面質(zhì)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(chǎn)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(wèn)題： ①水玻璃粘結(jié)劑固有的缺點(diǎn)是Na2O含量高，型殼高溫強(qiáng)度、抗蠕變能力遠(yuǎn)不及硅溶劑型殼。加之面層耐火料采用價(jià)低質(zhì)次、粒度級(jí)配不良的石英砂（粉），因而必須不能獲得高質(zhì)量的精鑄件。 ②型殼生產(chǎn)條件差，缺乏嚴(yán)格的生產(chǎn)過(guò)程及參數(shù)的控制。由于硬化劑的強(qiáng)腐蝕性，除塵設(shè)備簡(jiǎn)陋，很少車間有恒溫、恒濕、除塵的生產(chǎn)環(huán)境。影響型殼和鑄件質(zhì)量的涂料配制、硬化、風(fēng)干、脫蠟等工序，極少按行業(yè)規(guī)定的操作規(guī)范嚴(yán)格控制。型殼風(fēng)干處的溫度、濕度、風(fēng)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(bào)廢的質(zhì)量事故?？傊?，大部分工廠停留在手工作坊階段，靠技藝而不是靠科學(xué)的質(zhì)量管理進(jìn)行生產(chǎn)。這是水玻璃型殼數(shù)十年來(lái)鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定、廢品率、返修率高的重要原因之一。 2）復(fù)合型殼。目前不少工廠將第一、二層改用鋯英粉及莫來(lái)石粉，硅溶膠型殼。背層仍要用原有水玻璃型殼工藝。它是結(jié)合硅溶膠型殼的優(yōu)良表面質(zhì)量和水玻璃低成本、短周期的優(yōu)點(diǎn)的一種改進(jìn)方案。與水玻璃型殼相比，其鑄件表面質(zhì)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(chǎn)周期與水玻璃型殼相近。 存在的主要問(wèn)題： ①由于背層保留了水玻璃粘結(jié)劑，故其型殼整體高溫強(qiáng)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(qiáng)度不及硅溶膠型殼，易造成廢品。 ③復(fù)合型殼鑄件質(zhì)量穩(wěn)定性比水玻璃好，但遠(yuǎn)不如硅溶膠型殼。 ④復(fù)合型殼由于采用價(jià)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(lái)石砂粉，其型殼成本與硅溶膠型殼成本相差無(wú)幾，其成本低的優(yōu)勢(shì)并不明顯。 ⑤復(fù)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(shí)，由于高溫、高壓，中溫蠟液會(huì)與背層中的水玻璃及殘留硬化劑產(chǎn)生劇烈的皂化反應(yīng)，不經(jīng)回收處理無(wú)法回用。 3）硅溶膠-低溫蠟型殼。低溫蠟成型容易、設(shè)備簡(jiǎn)單，蠟?zāi)１砻娲植诙认嗖畈淮?，工藝比?fù)合型殼質(zhì)量穩(wěn)定，尤其是鑄件尺寸精度高，因它沒(méi)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(qiáng)，既可適用于薄壁件，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的中小件，又可生產(chǎn)重達(dá) 50~100kg的特大件。 存在的主要問(wèn)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(jìn)入型殼中易產(chǎn)生鑄件表面夾雜，返修率稍高。 ②制殼生產(chǎn)周期長(zhǎng)是它的最大缺點(diǎn)和不足，尤其在生產(chǎn)大件，有深孔、深槽件時(shí)，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(fù)合型殼高17%。鑄件成本相應(yīng)較高。 4）硅溶膠-中溫蠟型殼。國(guó)際上通用的精鑄件生產(chǎn)工藝，它具有最高的鑄件質(zhì)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(wèn)題： ①成本高，其型殼生產(chǎn)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(chǎn)周期與低溫蠟硅膠溶膠型殼相同，比水玻璃及復(fù)合型殼長(zhǎng)得多。 ③生產(chǎn)中大件往往要采用中溫液態(tài)蠟及高壓注蠟，厚壁蠟?zāi)Ｒ卓s凹，鑄件尺寸精度并不太高。中大件對(duì)尺寸精度、表面粗糙度要求也沒(méi)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(zhuǎn)和上下移動(dòng)）；撒砂是為了增強(qiáng)型殼和固定涂料，可防止涂料干燥時(shí)因?yàn)槭湛s而產(chǎn)生穿透性裂紋，撒砂用材料應(yīng)與配置涂料耐火材料相同（相同的膨脹系數(shù)） ③型殼干燥和硬化。 ④重復(fù)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(guò)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(jī)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(yīng)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(wú)論是何種脫蠟方法，要點(diǎn)都是高溫快速脫蠟，以保證型殼在脫蠟過(guò)程中不開(kāi)裂。 型殼制成后一般要停放一段時(shí)間后（2~4h）方可進(jìn)行脫蠟。本次實(shí)驗(yàn)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(jié)實(shí)，內(nèi)表面很光滑。 圖16 脫蠟后實(shí)物圖A 圖17 脫蠟后實(shí)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(yīng)，改善力學(xué)性能（高溫下）；減少澆注時(shí)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(nèi)的砂粒之中，再裝爐焙燒。如采用高強(qiáng)度型殼時(shí)，可不必造型而將脫模后的型殼直接焙燒。焙燒時(shí)逐步增加爐溫，將型殼加熱至800 -1000 ℃，保溫一段時(shí)間，即可進(jìn)行澆注。 2.5.3 澆注 熔模鑄造時(shí)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(jìn)行由澆注。此時(shí)金屬在型殼中冷卻較慢，能在流動(dòng)性較高的情況下充填鑄型，故鑄件能很好復(fù)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(huì)使晶粒粗大，這就降低了鑄件的機(jī)械性能。在澆注碳鋼鑄件時(shí)，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(guò)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(fù)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(guó)外應(yīng)用。3）壓力下結(jié)晶 將型殼放在壓力罐內(nèi)進(jìn)行澆注，結(jié)束后，立即封閉壓力罐，向罐內(nèi)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(guó)外最大壓力已達(dá)150atm。4）定向結(jié)晶（定向凝固） 一些熔模鑄件如渦輪機(jī)葉片、 磁鋼等，如果它們的結(jié)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(jié)晶技術(shù)正迅速地得到發(fā)展。 本次試驗(yàn)采用傾轉(zhuǎn)式熱型重力澆注。下圖為澆鑄過(guò)程。 圖18 澆注過(guò)程 圖19 澆注后實(shí)物圖 2.5.4 熔煉鑄件的清理 熔模鑄件清理的內(nèi)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(shí)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(guò)程叫做噴砂。采用壓縮空氣為動(dòng)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(duì)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(jī)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(zhǎng)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(yù)膜一起進(jìn)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(jī)加工） 機(jī)加工是機(jī)械加工的簡(jiǎn)稱，是指通過(guò)機(jī)械精確加工去除材料的加工工藝。機(jī)械加工主要有手動(dòng)加工和數(shù)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(jù)設(shè)計(jì)加工出熔模鑄造無(wú)法直接澆鑄出的細(xì)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(zhì)內(nèi)加熱、保溫、冷卻，通過(guò)改變材料表面或內(nèi)部的晶相組織結(jié)構(gòu)，來(lái)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(jìn)行熱處理是為了消除內(nèi)應(yīng)力、改善機(jī)械性能。 2.7 檢驗(yàn) 熔模鑄造工序多，工藝過(guò)程復(fù)雜，影響鑄件質(zhì)量因素多。據(jù)英國(guó)熔模鑄造協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)熔模鑄件常見(jiàn)缺陷有49種之多。影響鑄件缺陷的主要因素有：易熔模質(zhì)量、型殼質(zhì)量和金屬液質(zhì)量等。 ①鑄件尺寸超過(guò)規(guī)定的公差范圍稱鑄件尺寸超差。這是熔模鑄件的一個(gè)重要缺陷，將造成鑄件報(bào)廢。將熔模鑄造工序中影響鑄件尺寸變化的因素歸納起來(lái)主要有五方面：鑄件結(jié)構(gòu)、形狀和大?。粔盒?；制易熔模；型殼和澆注工藝。 ②熔模鑄件表面應(yīng)光潔、表面粗糙度應(yīng)為Ra3.2~0.8μm。表面粗糙是指熔模鑄件粗糙度達(dá)不到要求。熔模鑄件表面粗糙度與壓型質(zhì)量、熔模、制殼、焙燒、澆注和清理各工序均有密切的關(guān)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(jiàn)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(jiàn)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(yàn)與尺寸檢驗(yàn)。 3 總結(jié) 經(jīng)過(guò)上面一系列步驟，我們完成了我們小組負(fù)責(zé)的鼠標(biāo)上蓋部分的從設(shè)計(jì)、模擬到實(shí)驗(yàn)的整個(gè)熔模精鑄過(guò)程，并獲得了最終的鑄件。 4 體會(huì)與建議 通過(guò)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行和課程設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫，對(duì)于熔模精密鑄造有了較為全面的了解，對(duì)于整個(gè)鑄造過(guò)程有了直觀的認(rèn)識(shí)。在課程設(shè)計(jì)進(jìn)行之前，對(duì)于熔模鑄造基本上一無(wú)所知。而通過(guò)完成課程設(shè)計(jì)，不僅對(duì)于熔模鑄造有了一定的認(rèn)識(shí)，也發(fā)現(xiàn)那些看似高大上的一個(gè)個(gè)航空用的高溫合金鑄件，也是可以通過(guò)努力一步一步生產(chǎn)出來(lái)的?？傊?，我們收獲良多。 至于建議的話，我們這次蠟?zāi)Ｊ遣捎玫?d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(xué)生自己動(dòng)手在已有的基本形狀（長(zhǎng)方體，圓柱等）基礎(chǔ)上自己拼接制作成蠟?zāi)＃@樣既節(jié)約了經(jīng)費(fèi)也可進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。還有就是，實(shí)驗(yàn)中我們對(duì)于澆注過(guò)程的模擬還不是太了解，之后時(shí)間允許的話，老師可以再多介紹下相關(guān)軟件和操作之類的知識(shí)。 參考文獻(xiàn) [1]紀(jì)小虎.鋁合金薄壁件熔模精密鑄造研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2013. 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