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工程师需要了解的工艺 | 熔模铸造

 降本设计 2023-06-20 发布于上海

熔模铸造(Investment Casting),通常是用熔模材料(低熔点材料如蜡料等)制成熔模样件并组成模组,然后在模组表面涂上数层耐火材料,待硬化干燥固化后,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。

由于获得的铸件具有较高的尺寸精度和表面光洁度,熔模铸造还被称为“熔模精密铸造”。

同时,由于熔模材料通常为蜡基材料,因此又称“失蜡铸造(Lost Wax Casting)”

熔模铸造是一种先进的近净形成型工艺,可生产各种合金的精密、复杂铸件,铸件接近于零件最后的形状和尺寸,可不经机加工直接使用或少机加工后使用。




 1 
熔模铸造工艺过程

熔模铸造主要包括六个工艺过程:
蜡模成型->组树->制壳->脱蜡和焙烧->熔炼浇注->清砂、切割得到成品。

1.1 蜡模成型
蜡模成型,是将蜡料压入模具型腔,冷却取出形成蜡模。


1.2 组树
组树,是把多个蜡模焊接在浇注系统上。

1.3 
制壳,是先在蜡模表面先蘸上配好的硅溶胶涂料,然后撒上耐火砂料,型壳在特定的温湿度下进行干燥硬化,这样在蜡模表面形成了致密的耐火涂层,然后重复该工序5-6次,最后就形成了具有一定强度和耐火度的硅溶胶型壳。

1.4 脱蜡和焙烧
脱蜡是将型壳里面的蜡通过高温蒸汽让蜡融化排出,这样就得到了可以浇注成型的空腔模壳了。
型壳焙烧主要是烧掉模壳中残留的蜡料和水分,同时精密铸造是在红壳状态下浇注,通常将模壳在1000度左右焙烧1-2小时。

1.5 熔炼浇注
按照产品的材质成分进行配料,然后进行钢液熔炼,除渣光谱测试,成分合格后就可以浇注。需要在红壳状态下严格按照工艺卡的要求将钢水浇入模壳,逐渐毛坯。


1.6 清砂、切割得到成品
浇注后得到的毛坯经充分冷却后,使用人工(锤击)或振动脱壳机使模壳从毛坯上分离,然后把铸件与浇注系统切割分离,得到铸件成品。
后续可以根据需求,进行抛光、机加工等工序。

熔模铸造的生产过程,可以参考以下两个视频(可能具体工艺步骤叫法有些差异)。




 2
熔铸铸造的优缺点

熔模铸造的优点包括:

2.1 可成型极度复杂的零件

作为一种金属成型工艺,熔模铸造可以成型极度复杂的零件。相对于压铸、砂铸、消失模铸造等工艺,熔模铸造可以允许的零件复杂度最高。

日期章、文字和内部脊柱均可以成型。

倒扣可以成型

复杂的管道可以成型

利用这一特点,可以使用熔模铸造把原本通过其它工艺加工的零部件合并为1个零件,从而简化产品结构,去除装配工序,达到降本的目的。

从另外一角度说,熔模铸造提供了极大的设计自由度,极度复杂的零件都可以通过熔模铸造成型。

熔模铸造复杂零件示例

2.2 外观质量好

熔模铸件外观质量好,表面粗糙度低,表面粗糙度可达Ra3.2um。

一般来说,铣削金属的表面粗糙度为Ra3.2。换句话说,熔模铸件的外观质量同铣削差不多。

这样的好处是,在某些场合,熔模铸造可以去除二次机加工工序或者喷漆等表面处理工序。

具有高质量外观的飞机零部件

2.3 尺寸精度高

相对于其它铸造工艺,熔模铸件尺寸精度较高。

尺寸

普通公差

精密公差

 10

±0.12

±0.10

10 to 15

±0.20

±0.13

15 to 20

±0.25

±0.15

20 to 30

±0.30

±0.20

30 to 50

±0.40

±0.25

50 to 75

±0.50

±0.35

75 to 100

±0.65

±0.45

100 to 125

±0.80

±0.60

125 to 150

±1.00

±0.70

150 to 175

±1.20

±0.80

175 to 200

±1.50

±0.90

200 to 250

±1.80

±1.10

250

±0.80%

±0.50%

熔模铸造线性尺寸公差

当然由于熔模铸造的工艺过程复杂,影响铸件尺寸精度的因素较多,例如模料的收缩、熔模的变形、型壳在加热和冷却过程中的线量变化、合金的收缩率以及在凝固过程中铸件的变形等,所以普通熔模铸件的尺寸精度虽然较高,但其一致性仍需提高(采用中、高温蜡料的铸件尺寸一致性要提高很多)。

2.4 材料不受限制

可以熔模铸造的金属材料不收限制,包括碳素钢、合金钢、耐热合金、不锈钢、精密合金、永磁合金、轴承合金、铜合金、铝合金、钛合金和球墨铸铁等。

钛合金熔模铸造
模铸造的缺点包括:
  • 熔模铸造最大的缺点是成本比较高,因为工艺流程烦琐、生产周期长,同时蜡模模具、涂料、耐火砂料等都是成本。所以,熔模铸造比较适合中大批量的产品,小批量时可以考虑使用3D打印来制造蜡模。

    单纯的零件工艺替换为熔模铸造,成本反而会更高。如果把熔模铸造用于降本,则需要考虑把多个零件合并、去除机加工等。

  • 铸件尺寸不能太大。铸件重量最大可做到1000Kg,超出重量铸件难度较大。

  • 影响熔模铸造的质量因素太多,工序质量控制难度较大。





 3
哪些零件适合熔模铸造?

熔模铸造,适用于以下应用场景:
3.1 零件重量介于200g~50kg
尽管熔模铸造也可以成型大型铸件,然而比较适合成型中小型件。一方面,当铸件太大时,尺寸精度很难保证;另一方面,模具成本和加工成本会比较高。砂型铸造是大型铸件的更好选择
熔模铸造成型小型零件时更理想,尺寸精度比较容易保证,成本也在可以承受的范围之内。

3.2 中大批量生产
熔模铸造首先需要加工蜡模模具以及其它工装夹具,需要一定的固定资产投资,因此比较适合中大批量的生产。

3.3 尺寸精度要求较高时
相对以其它铸造工艺,熔模铸造的尺寸精度是最高的。

3.4 需要减少和去除机加工时
因为熔模铸造的尺寸精度高、表面光洁度好,熔模铸造可以去除机加工,即使需要机加工,机加工的工作量也少于其它铸造工艺。

3.5 当零件内部结构复杂时
当零件的内部结构复杂时,熔模铸造可能是最优选择。
熔模铸造可以成型极度复杂的零件,这是因为熔模铸造不存在脱模问题,用于浇注熔融金属的模具是陶瓷,冷却凝固后很容易脱落。
通过创造性的模具、可溶性蜡芯或陶瓷芯,可以很容易地获得被涂覆以形成陶瓷壳的蜡模内部结构。
因此,在熔模铸造中对零件内部细节没有限制。



 4
熔模铸造的典型应用

熔模铸造的应用领域很广,例如航空航天、发电、汽车、军事、商业、食品、天然气、石油以及能源行业等,例如汽轮机燃气轮机、水轮发动机等的叶片、叶轮、导向器、导向轮和汽车、拖拉机、风动工具、机床上的小型零件、以及工艺品等。

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作者简介:钟元,著有书籍《面向制造和装配的产品设计指南》和《面向成本的产品设计:降本设计之道》


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