铸造技术路线图：消失模铸造.pdf

·322·铸 造FOUNDRYADr．2017VOI．66 NO．4铸造技术路线图：消失模铸造第一节概述消失模铸造，又称实型铸造。它是采用泡沫塑料制作成与铸件形状、尺寸一样的实体泡沫模样，经涂挂耐火涂料干燥后，进行散砂振动紧实或有粘接剂型砂紧实，然后浇入金属液使模样受热气化消失，得到与模样形状一致的金属零件的铸造方法。实体泡沫模样可采用模具发泡成形、加工组装成形获得[”。总体看，消失模铸造技术特点明显，在理论上，它可用于各类铸件，一些铸件采用该技术颇有优越性，但它不是万能的，有一定的适用性。何种铸件产品适于消失模铸造工艺，须经过技术上的可行性及经济上的合理性认证，不宜盲目从事。目前，我国能够大量生产的消失模铸件种类包括：各类铁质变速箱体、飞轮壳、离合器壳体、电机壳、管件、耐磨衬板(件)、机床床身、歧气管件、水泵和阀门壳体等，部分企业已成功生产发动机缸体、缸盖等。我国于20世纪90年代开始消失模铸件的生产。进入2l世纪以来，我国的消失模铸造技术发展进入了快速发展期。据不完全统计，2015年我国的消失模铸件产量约160万t，主要合金仍是铸铁。目前，我国能够大量生产的消失模铸件种类包括：各类铁质变速箱体、飞轮壳、离合器壳体、电机壳、管件、耐磨衬板(件)、机床床身、歧气管件、水泵和阀门壳体等，部分企业已成功生产发动机缸体、缸盖等。与先进国家相比，我国消失模铸造产品的形状和品种基本类似，不过复杂程度和质量水平相比差距较大㈣。在消失模铸造生产的合金种类上，铸铁件的消失模铸造生产技术在我国已基本成熟，铸钢件(除低碳钢件的渗碳缺陷控制外)我国也基本掌握。但我国铝合金消失模铸件的产量还不到总产量的0．5％，在规模、技术、专用设备、自动化等方面都明显滞后。铝合金消失模铸件受到一些缺陷(主要是针孔、缩松)的困扰，废品率居高不下。而对镁合金消失模铸造技术的研究，我国的起步较早。上海交通大学和华中科技大学于2000年前后开展镁合金消失模铸造技术研究。欧美发达国家的消失模铸造技术应用，开始于20世纪70年代，快速增长期是20世纪90年代以后，目前已经进入快速增长后的成熟期。目前，国外消失模铸造技术研究及应用的重点是铝合金及镁合金消失模铸造技术与材料。在国外，铝合金消失模技术的大规模应用开始于20世纪80—90年代，尤其在美国、德国等发达国家的汽车行业应用广泛。2009年美国的铝合金消失模铸件产量达到22万t【习。总体上，西方发达国家的铝合金消失模铸造技术，在基础理论研究和实际生产应用上都领先于我国，特别是在泡沫模样材料删、金属液充型和凝固过程m14】以及消失模铸件缺陷控制【1删等方面，有许多的先进技术值得我们借鉴。而国内外对于镁合金消失模铸件的生产基本都停留在试制阶段。目前我国消失模铸造生产存在的主要难点及其解决思路概括如下：(1)消失模铸造工艺设计理论及过程准确模拟。消失模铸造工艺复杂，目前还没有较为准确的设计、计算消失模铸造工艺参数(浇冒系统)的理论依据，并且我国还没有成熟好用的消失模铸造模拟软件。因此，进行必要的消失模铸造工艺设计理论基础研究，开发实用的消失模铸造模拟软件仍具有重要的理论与实际意义。(2)适用于铝(镁)合金消失模铸造的泡沫模样材料及特种工艺。铝(镁)合金消失模铸造浇注温度要求高，铸件易产生浇不足、针孔、夹渣、缩松等缺陷。必须从新的泡沫模样材料、涂料、特种工艺与装备等方面采取措施，以提高消失模铸造铝(镁)合金零件的内在质量。(3)复杂铸件泡沫模样的散砂振动紧实理论、技术与装备。我国用于消失模铸造的多维振动紧实理论研究还不够深入，振动装备相对简单，无法满足复杂铸件泡沫模样的紧实要求。深入研究复杂铸件泡沫模样的散砂振动紧实理论，开发新型多维振动紧实装备是提升消失模铸造技术水平的先决条件。(4)适于不同金属消失模铸造的涂料。目前我国消失模铸造涂料的整体质量不高，较大地影响了消失模铸造技术水平。研发适于不同合金消失模铸造的高性价比的涂料，是我国消失模铸造技术进步的重要方向。(5)泡沫塑料精确加工的高速加工方法与空心刀具。目前机械加工的泡沫模样表面质量差，组装成形精度低。研发泡沫塑料精确加工的高速加工方法、装备与专用空心刀具，是采用消失模铸造方法快速铸造高品质的单件、小批量铸件的装备保障。(6)适于消失模铸造的零件结构、材料种类。消失模铸造技术特点明显，但它有一定的应用范围，必须经过技术上的可行性及经济上的合理性的充分认证。有组织地研究、归类适于消失模铸造的零件结构、材料种类等，对我国现阶段消失模铸造技术的推广应用万方数据铸造 铸造技术路线图：消失模铸造 ·323·与发展具有指导意义。(7)预发泡沫模样成形设备与质量控制。国内的成形设备仅能生产质量要求不高的模样，对于发动机缸体、缸盖，双层水冷电机壳等高难度的薄壁零件难以达到其成形要求；另外，国内泡沫模样成形设备的自动化程度也较低。因此，开发图形界面、成形工艺自动化监测控制的预发泡机及成形机是提升国内消失模铸造水平的重要基础。当前，消失模铸造用于钢、铁铸件的生产技术已趋于成熟，研究重点已转入铝、镁合金。随着消失模铸造关键技术以及相关智能化装备的不断突破和发展，消失模铸造精密成形技术在航空航天、汽车、军工、机械等行业具有较大的应用前景，尤其是针对一些具有复杂形状、复杂内腔、异形的铝、镁合金铸件具有更大优势，如：铝合金或镁合金发动机缸体、缸盖、歧气管，复杂航空铝合金或镁合金机匣等，利用消失模铸造技术可实现此类高性能、高精度的复杂铝、镁合金铸件的大批量工业化生产；同时结合泡沫模样快速精确加工的快速成形技术，也可实现航空航天、汽车、军工等行业高精端、高性能复杂铸件的快速试制和小批量生产。因此，随着消失模铸造技术的不断革新和进步，它对推动我国的国防、航空航天和汽车工业的发展具有非常重要的实际意义。第二节关键技术一、新型泡沫模样材料的开发1．现状泡沫模样材料对消失模铸件质量具有重要影响。由于不同合金材料性质不同，且其浇注的温度各异，使得泡沫材料在浇注过程中的分解产物也有较大区别。如果不能针对合金材料选用高质量的泡沫材料或者选择合适的泡沫材料，就会对消失模铸件产生较大影响，这就要求在不同合金材料消失模铸造过程中需采用高质量和适用的泡沫材料，才能从根本上减少消失模铸件的缺陷，获得高质量的消失模铸件。然而，当前新型高质量泡沫模样材料研究及应用一直是我国消失模铸造技术研究的弱项，也是我国消失模铸造技术发展的瓶颈技术之一。研发成形性好、强度高、发气速度和发气量低、低密度及少碳含量的高质量泡沫模样材料颇为急切。此外，我国还没有实现不同金属材质消失模铸造的泡沫材料系列化及标准化，大多情况下还处在不同金属材质混用泡沫材料的状况，从而导致难以精确控制消失模铸件质量。因此，实现不同金属材质消失模铸造的泡沫材料系列化及标准化也刻不容缓。2．挑战目前，我国在研发高强度、低密度、少碳含量泡沫模样材料上还比较欠缺，如何掌握高强度、低密度、少碳含量泡沫模样材料物理性能和力学性能，掌握泡沫模样材料成形能力及其对铸件性能的影响，使得研发的新型泡沫材料可以适应不同材质金属(钢、铁、铝、镁、铜等合金)的使用要求，减少铸件缺陷，提高铸件性能；以及如何对不同金属材质消失模铸造的泡沫材料进行系列化及规范化，解决当前不同金属材料混用泡沫模样材料的现状，这是消失模铸造中的首要挑战。3．目标(1)预计到2020年，要达到的目标：研发出高强度、低密度、少碳含量泡沫模样材料，改善泡沫模样材料性能，进一步降低消失模铸件成形厚度，防止泡沫模样变形，从根本上解决消失模铸造长期以来存在的碳缺陷问题，提高消失模铸件质量和性能。(2)预计到2030年，要达到的目标：制定消失模铸造泡沫材料的相关标准，实现不同金属材质消失模铸造的泡沫材料系列化及标准化。二、工艺设计理论研究及过程模拟软件开发1．现状消失模铸造工艺与普通铸造有较大区别，由于泡沫模样的存在，使得金属液的充型、流动过程较为复杂多变。它们受到泡沫模样材料、模样气化速度、真空度、涂料透气性、浇注温度等诸多因素的影响，目前还没有较为准确的设计、计算消失模铸造工艺参数(浇冒系统)的理论依据，只是简单地认为消失模铸造的浇注温度要更高(高30～50℃)，浇注系统尺寸要更大。除ProcAsT软件中有消失模铸造模块外，我国还没有成熟好用的消失模铸造模拟软件。因此，进行必要的消失模铸造工艺设计理论基础研究，开发可实用的消失模铸造模拟软件仍具有重要的理论与实际意义。2．挑战面临的挑战包括如何在现有基础上开展消失模铸造工艺设计理论与方法研究，以及如何研发消失模铸造过程模拟准确建模及软件，这对于消失模铸造工艺实际应用具有重要的指导意义。3． 目标(1)预计到2020年，要达到的目标：建立消失模铸造工艺设计理论基础，解决现有消失模铸造工艺设计理论基础的缺乏。(2)预计到2030年，要达到的目标：构建消失模铸造过程准确模拟模型，开发出消失模铸造过程准确模拟软件，解决现有消失模铸造过程模拟不准确及模拟软件缺乏等问题。三、复杂铸件泡沫模样的振动紧实技术与装备1．现状泡沫模样的散砂振动充填紧实是铸造出合格的复杂万方数据·324· FOUNDRYADr．2017VOI．66 N0．4铸件的基本保障。目前我国用于消失模铸造的多维振动紧实理论研究还不够深入，振动装备相对简单，无法满足复杂铸件消失模铸造的紧实要求。深入研究复杂铸件泡沫模样的散砂振动紧实理论，开发新型多维振动紧实装备是提升消失模铸造技术水平的先决条件。2．挑战如何获得复杂铸件泡沫模样的(散砂)振动紧实理论及其紧实工艺，并研发出复杂铸件泡沫模样的(散砂)振动紧实装备，是当前消失模铸造振动紧实领域的主要挑战和亟待解决的关键问题。3． 目标(1)预计到2020年，要达到的目标：提出复杂铸件泡沫模样的(散砂)振动紧实理论，构建复杂铸件泡沫模样的(散砂)振动紧实模型，获得复杂铸件泡沫模样的(散砂)振动紧实工艺方法，为消失模铸造高效振动紧实奠定理论基础。(2)预计到2030年，要达到的目标：研发出复杂铸件泡沫模样的(散砂)振动紧实智能化装备，解决复杂铸件泡沫模样的(散砂)振动紧实困难和效率低的问题，为消失模铸造振动紧实提供装备保障。四、铝(镁)合金消失模铸造技术1．现状随着航空航天、汽车、军工等行业的迅速发展，复杂铝、镁合金铸件具有巨大的应用需求。消失模铸造作为一种适合生产复杂铝、镁合金铸件的精密铸造技术必将大有可为。然而，由于铝、镁合金消失模铸造浇注温度高，导致铝(镁)液的吸气性大，氧化严重，针孔度和缩松度大，易产生浇不足、针孔、夹渣、缩松等缺陷，因此，铝、镁合金消失模铸件质量控制难度较大。目前不论国内还是国外，铝合金消失模铸件虽然有一定数量的应用，但是镁合金消失模铸件基本还停留在试制阶段。因此，除了借助新型高质量的泡沫模样材料、高性能的涂料以外， 还必须从消失模铸造工艺上进行革新，研发消失模铸造特种工艺与装备，来提高消失模铸造铝、镁合金铸件质量，实现铝、镁合金消失模铸件的高质量稳定控制、智能化生产。2．挑战如何对现有消失模铸造工艺进行改进，具有如下挑战：(1)如何将现有消失模铸造工艺与低压铸造工艺相结合，综合低压铸造与真空消失模铸造技术优势，使得金属液在可控的气压下完成充型过程，明显提高金属液的充型能力和补缩能力，解决浇不足、针孔、夹渣、缩松等缺陷，获得组织致密、细小、力学性能优异的铝、镁合金消失模铸件，研发出高效、成品率高、投资少的真空低压消失模铸造技术与装备系统具有一定挑战。(2)如何将现有消失模铸造工艺与压力凝固结晶技术相结合，较大地提高铝(镁)合金消失模铸件的致密性和力学性能，减少铝合金消失模铸件的针孔度、缩孑L缩松等铸造缺陷，获得一种装备结构简单，升压速度快，设备投资少，所需气压压力低的铝(镁)合金消失模铸造压力凝固关键技术与装备系统为另一挑战。(3)如何将现有消失模铸造工艺与振动凝固技术相结合，在消失模铸造过程中施加一定频率和振幅的振动，使铸件在振动场的作用下凝固，利用振动力使液相与固相间产生相对运动，从而使枝晶破碎，增加液相内结晶核心，使铸件最终凝固组织细化，力学性能改善，研发出一种操作简便、成本低廉、颇有应用前景的铝(镁)合金消失模铸造振动凝固关键技术与装备系统也具有一定挑战。(4)如何利用消失模铸造工艺制备A1．Mg、A1一Cu、Mg．Cu、A1．Fe等双金属铸件，获得界面结合良好，界面致密均匀，脆性金属间化合物少，结合强度高的复合双金属铸件，研发出消失模铸造复合双金属铸件成形关键技术与装备系统是今后消失模铸造技术领域的研究热点和发展趋势，具有较大挑战。3． 目标(1)预计到2020年，要达到的目标：1)研发出铝(镁)合金消失模铸造压力凝固技术与装备系统，解决铝合金消失模铸件存在大量针孔缺陷、气密性差等问题。2)研发出铝(镁)合金真空低压消失模铸造技术与装备系统，明显提高镁合金或铝合金消失模复杂铸件成形能力和力学性能。3)研发出铝(镁)合金消失模铸造振动凝固技术与装备系统，解决铝(镁)合金消失模铸件组织粗大，力学性能偏低等问题。(2)预计到2030年，要达到的目标：研发出消失模铸造A1一Mg、A1．Cu、Mg．Cu、A1。Fe复合双金属铸件成形技术与装备系统，实现消失模铸造双金属复合铸件的工业生产。五、泡沫模样高速数控加工装备及刀具1．现状泡沫模样的表面质量和精度决定着铸件的表面质量和精度，制备高质量和高精度的泡沫模样至关重要。制备泡沫模样的加工方法除了发泡成形外，采用机械加工、组装成形泡沫模样，是另一种重要的消失模铸造泡沫模样制备方法，也是快速铸造单件、小批量铸件的重要途径。目前，国外已采用高速加工方法制备泡沫模样，生产出了高质量和高精度的复杂泡沫模样。国内采用机械加工方法制备泡沫模样还存在模样表面质量差，组装成形精度低，成形复杂程度有限等问题。万方数据铸造 铸造技术路线图：消失模铸造 ·325·因此，研发泡沫塑料精确加工的高速加工方法、装备与专用空心刀具、泡沫模样精确组装技术，可实现复杂高精度泡沫模样的快速精确加工及快速铸造。2．挑战针对当前国内采用机械加工方法制备泡沫模样还存在模样表面质量差，组装成形精度低，成形复杂程度有限等问题，如何研发出数控高速智能加工成形泡沫模样装备和模样精确组装技术，对于实现复杂高精度泡沫模样的快速精确加工及快速铸造至关重要，也具有较大挑战。3． 目标(1)预计到2020年，要达到的目标：研发出数控高速加工泡沫模样智能化装备、精密成形技术以及精确组装技术。(2)预计到2025年，要达到的目标：以高质量生产模具毛坯、机床机架、单件(小批量)异形铸件为目标，采用数控高速智能加工成形机床(旋转速度大于10 000 r／min)加工泡沫塑料模样，结合模样片精密测量组装，开发所需的装备、材料及精确组装技术。(3)预计到2030年，要达到的目标：较大地提高采用泡沫切削加工的应用范围，快速生产单件、小批量模具毛坯、机床机架、异形铸件，明显提高铸件的精度和表面质量，使之接近精密铸造水平。第三节技术路线图消失模铸造技术路线图如图1所示。爱i i；j_j；警。爹i随着消失模铸造关键技术以及栩关智能化装备的不龋突破和黪展，潲失模铸造精密蠛形ot j誊藿鬻鬟篁；，技术桎航空航天、汽车、军工、机械篱行业具有较走酶应用藕景，尤其是锈瓣一壁藜有嚣臻篝≥蘸骥j季誓复杂形状和复杂内腔的铝、镁合金铸件具有更大优势，如锱奢金或镁台金发动秽t罐缚、曩_ ≥黪§ 缸盖、歧气管，复杂航空铝合金或镁台金概匣等，弼实现此类高性能高精度夔杂销未镁∥ 合金铸件的大批量下业化生产。蝴产品慧爹翼?裟了籀。罢鬻麓勰；麓0耄警、篓黧繁嚣纂基誊嚣笋新型泡沫模样材料的开发■黼羞黼遴黟遴鍪童蠢鎏鎏爹材料物理性能和力学性能 ／l匡巫巫亟二二二二二二二二二二二一g【．，，．．，，．．，，．．．．．，，．．．．，．．．。．．，，．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．，．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．，．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．，．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一．—-—-·-·。‘。。。。。‘。。一l鎏参鎏邈邋麟羹》厣磊丽磊鬲磊八l型／／鋈黪i童羹誓鲤筮》f杂铸件模样的散砂紧实方法 ／一涵鲤■鲞渺—．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．L万方数据·326· FOUNDRYADr．2017VOI．66 N0．4■ 医垂巫匦堕>匝亟垂巫叠垂亟[二>目标：数控高速j：ffI婺影激爸鹈@鬟竣鬻雾扩自#《#《№女#‰目*％d№镕自目自g自《镕镕《‰《萨l用空心刀具—／|技术及装备——一2015l 2f)20年 2025年图l消失模铸造技术路线图参考文献：[1]黄乃瑜，叶升平，樊自田消失模铸造原理及质量控制[M]．武汉：华中科技大学出版社，2004．[2]梁光泽，李增民．中国实型(消失模)铸造的现状与展望[J】铸造技术，2008(8)：1072—1075．[3] Liu x J， 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