《熔模精密铸造》

姜不居，清华大学机械工程学院教授，长期从事熔模铸造科研和教学工作。曾成功主持并完成“快干硅溶胶研究”熔模铸造用砂粉粒度级配和“熔模铸造企业管理信息系统”等50余项科研工作，获省部级科技奖13项，在国办外发表论文170余篇，曾主持和参与编写《熔模铸造手册》《熔模铸造工艺》《铸件缺陷及其对策》等6本专著享受国务院“政府特殊津贴”。

计算机技术在熔模精密铸造中的应用，包括铸件结构设计、工艺制定、压型、熔模、型壳及型芯制造等的最新成果，展望了计算机技术对未来精铸业带来的巨大变革。

关键词：计算机 精密铸造 压型

熔模精密铸造生产具有许多优点，但其同时具有工序多，工艺过程复杂，生产周期长，影响铸件质量的因素较多的缺点，在一定程度上制约了精密铸造的应用和发展。随着计算机技术的快速发展，计算机技术在精铸中的应用，从精铸件的结构设计、工艺制定到压型设计与制造、蜡模成型、型壳制造、型芯的制造等，给精铸件的生产带来了巨大变革。

1.计算机技术数值模拟技术在熔模精铸件结构设计及工艺制定中的应用

熔模铸件向更轻、薄及精整化方向发展，近年来提出了净形或近净形化铸造，以发挥熔模铸造的优势，满足现代工业对高质量零件的需求。这就要求熔模精铸件的结构更加合理，制定的工艺方案更加优化，对精铸技术提出了越来越高的要求。

传统的精铸件生产工艺，包括以下5个步骤：

1）铸件用户给铸造厂下达设计蓝图；

2）铸造厂作预算并从利于生产和降低成本的角度对设计提出改进意见；

3）铸造厂设计铸造工艺装备；

4）铸造厂向模具车间或造型车间下达工装图纸；

5）浇注铸件，铸件检验。

在铸件结构设计、压型设计、注蜡工艺参数制定、浇注系统等过程，传统的生产主要依靠工程技术人员的实际工作经验，缺乏科学的理论依据。特别对于复杂件和重要件，生产中往往要反复地修改铸件结构、压型或铸造工艺方案来达到最终的技术要求，计算机具有强大的计算能力和图形处理能力，能将数值分析技术、数据库技术、可视化技术结合经典传热、流动和凝固理论，通过模拟铸件充型、凝固及冷却，分析精密铸造过程的流场、温度场和应力场，预测铸件组织和许多铸造缺陷如冷隔、缩孔、热裂和变形等。因此可以通过并行工程，利用计算机技术对铸件的结构工艺性、铸造工艺进行模拟，为技术人员设计较合理的铸件结构和确定合理的工艺方案提供了有效的依据，从而避免传统的依靠经验进行结构设计和工艺制定的盲目性，可以缩短生产准备周期，节约试制成本。数值模拟过程见示意图1。

2。快速样件制造技术在压型及熔模制造中的应用

快速样件制造技术的出现，使压型和熔模的制造周期大大缩短。所谓快速样件制造就是首先在计算机上，形成熔模铸件的三维CAD数据文件，将之沿高度方向切割成许多薄片，然后按次序制造和组合，最终形成一个立体形状的制品。

1）用快速样件成型方法制造压型

根据成型方法，将快速样件成型方法制造压型可分为两种：一种是先用快速样件制作方法制成树脂或蜡质母模（原型），再用它来翻制环氧树脂或硅橡胶压型。此法生产压型可以满足小批量精铸件生产。如在SLA法制作的塑料母模表面喷涂约2mm厚的金属层，并在其后部充填环氧树脂制成金属-环氧树脂复合压型，可以满足数百件批量的精铸件生产。

另一种方法是根据CAD系统生产的压型型块几何模型，直接由SLA、SLS等法制成树脂压型。SLS法制造压型是将加工对象由树脂粉末换成表面带一薄层热固性树脂的钢粉，经激光烧结后，粘结成压型，然后再焙烧制品，将树脂烧掉，最后以铜液渗入，就可获得与金属性能相似的压型。

2）快速样件成型方法制造熔模

快速样件成型方法-SLA法、SLS法、FDM法和LOM法，均可用于快速制造熔模。使用SLS法和FDM法制作的蜡模，可以直接用于精铸件生产用的熔模；LOM法生产的纸制品，需对其外表面喷涂聚氨酯后，方可作为"熔模"进行制壳，或直接将纸制品外涂挂陶瓷型壳，而后将纸模烧掉。SLA法是用新型树脂生产树脂模样，将未固化的树脂倒出，而形成中空模样，硬化后，用蜡将树脂排出口密封，然后装上蜡质浇注系统，就可制壳了。表1 快速样件制造方法的比较

特点熔融堆积法(FDM)立体平板印刷法(SLA)选择激光烧结法(SLS)层合物制造法(LOM)工艺原理热塑性材料熔融,从活动口挤出,冷却固化成层堆积UV光固化液态光敏树脂激光加热烧结铺展的热塑性材料粉末激光切割片材层,粘合.能源挤出头加热器激光器或UV灯或光纤CO2激光器CO2激光器原材料热塑性材料液态光敏树脂热塑性材料粉末胶粘衬底片材目前常用材料ABS树脂、尼龙、蜡专用光聚合树脂树脂粉、蜡粉纸层 厚（um）最小：50　一般：127-254最小：50　一般：127-254最小：60　一般：127最小：94

一般：188制品尺寸精度（mm）±0.127±0.1-0.2±0.2±0.1 3．DSPC法直接制造型壳

直接型壳制造又称DSPC法，与迄今所有的制壳工艺都有本质的不同，主要由型壳设计（SDV）和型壳制造（SPU）两大部分组成。

SDV法是将所制零件的CAD模型转换为型壳的数字化零件，并显示在屏幕上，当确定好每个型壳上零件的数量、型壳壁厚以及收缩率、浇注系统等铸造参数后，计算机就很快显示所制铸件型壳的几何形状，并进行铸造工艺的模拟，然后将有关数据传输给SPU。

SPU控制着一个可以精确上下移动的活塞，活塞上连接着一个料箱；与装有细陶瓷粉料斗相连的喷头，首先在料箱中均匀"喷铺"一薄层细陶瓷粉末；另外，计算机根据SPU数据控制着一个喷射印刷头，从中可以喷射出硅溶胶粘结剂，当印刷头在料箱中掠过细陶瓷粉时，根据指令"喷"出粘结剂。这样在有粘结剂的区域，将耐火材料粘在一起，形成型壳的一个截面，然后活塞向下移动，喷头再喷出一层粉料……。这样一层一层进行，最后制成整体型壳。未被粘结的耐火材料粉料可对粘结层起支撑作用，焙烧后，回收未粘结的粉末，就可以浇注金属液了。其工作原理见图2。DSPC法使熔模铸造省去了制造压型、制造蜡模及涂挂工序，工艺过程大大简化，而且由于不用考虑蜡模变形等因素，可制得近净形零件。利用此工艺的工厂，可在收到定单后的一周内交付熔模铸件。

3. 利用计算机控制激光制作陶瓷型芯

许多精铸件需要制作陶瓷型芯特别是复杂、精细的陶瓷型芯，如涡轮发动机空心叶片等，计算机可以根据CAD数据，控制激光束在陶瓷型芯上精确地加工出各种不同结构的型芯，特别是对于用传统制芯工艺很难制出的型芯，更显出其优点。

4．并行工程和集成技术在精铸业中的应用展望

计算机技术的不断发展和普及，并行工程和集成技术在精铸业中的应用将会逐渐广泛，将成为精铸业未来的发展趋势。

1）并行工程

并行工程就是将精铸件用户与精铸厂之间建立起紧密联系的电子数据通讯网，使用户和铸造厂之间进行并行的产品和工艺设计。用户通过此网向铸造厂下达精铸件的电子化模型图，铸造工程师可从计算机工作站中看到所生产零件的三维图象，确定几组工艺方案后在计算机上进行工艺方案的数值模拟，可以显示出不同工艺条件下可能存在的问题，如热裂、缩孔等，铸造工程师再迅速将有缺陷的电子化模型数据文件传递给用户和设计师，以便作出改进而获得高质量铸件。同样，压型、熔模、型壳制造的过程也可以实现并行，这样可以极大缩短研制、开发生产周期，降低成本，提高产品的市场竞争力。

2）集成技术

对于一个未采用CAD系统设计的零件或要复制某一样件，可以采用CT检测技术、数值模拟和快速样件制造集成技术。

CT技术即计算机层析射线摄影法，是一种X射线检测技术，能用来获得零件断面的二维图象，将各断面二维图象组合，就可以获得被测对象的三维立体形态。利用此技术，可以精确获得铸件的CAD模型数据，结合快速样件制造和数值模拟，可以缩短生产准备时间，降低制造型壳的成本。同时，CT技术测得的零件形状，可以用来对比设计铸件和生产铸件的尺寸；检测实际铸件和设计铸件的缺陷位置和数值模拟预测结果的符合程度。

结束语

计算机在精铸业中的应用，克服了精铸生产过程的缺点，使得精铸生产技术更加灵活，适应性更强，更适应现代工业对铸件快速、优质、复杂的要求。

1.计算机技术数值模拟技术在熔模精铸件结构设计及工艺制定中的应用，为技术人员设计较合理的铸件结构和确定合理的工艺方案提供了有效的依据。

2.快速样件制造技术在压型及熔模制造中的应用，使压型和熔模制造周期大大缩短。

3.DSPC法直接制造型壳，省去了传统制壳一层一层涂挂型壳的漫长周期。

4.利用计算机控制激光制作陶瓷型芯，可以生产出复杂的陶瓷型芯。

5.计算机技术的不断发展和普及，并行工程和集成技术在精铸业中的应用将会逐渐广泛，将成为精铸业未来的发展趋势。

序

前言

第1章 绪论

1.1 熔模铸造的发展概况

1.2 熔模铸件的尺寸公差及表面粗糙度

1.3 熔模铸件在典型产品中的应用

参考文献

第2章 新模料和先进制模技术

2.1 新模科和模料性能试验新方法

2.2 先进制模技术

2.3 蜡模充型过程计算机数值模拟

参考文献

第3章 制壳原材料

3.1 耐火材料

3.2 制壳粘结剂

本书系《先进铸造技术丛书》之一，取材新颖丰富。内容包括熔模精密铸造全部工艺过程，反映国内外精铸高新技术发展水平和趋势。重点介绍生产大型、薄壁、高精密和高强度熔模铸件的制模、制壳、型芯、熔炼、过滤净化，晶粒组织控制和金属凝固模拟等最新铸造技术的研究成果及其应用。本书可供熔模铸造工作者以及相关领域技术人员参考，亦可作为铸造专业学生的教材。

熔模铸件尺寸精度较高，一般可达CT4-6（砂型铸造为CT10~13，压铸为CT5~7）,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） 。

压制熔模时，采用型腔表面光洁度高的压型，因此，熔模的表面光洁度也比较高。此外，型壳由耐高温的特殊粘结剂和耐火材料配制成的耐火涂料涂挂在熔模上而制成，与熔融金属直接接触的型腔内表面光洁度高。所以，熔模铸件的表面光洁度比一般铸造件的高，一般可达Ra.1.6~3.2μm。

熔模铸造最大的优点就是由于熔模铸件有着很高的尺寸精度和表面光洁度，所以可减少机械加工工作，只是在零件上要求较高的部位留少许加工余量即可，甚至某些铸件只留打磨、抛光余量，不必机械加工即可使用。由此可见，采用熔模铸造方法可大量节省机床设备和加工工时，大幅度节约金属原材料。

熔模铸造方法的另一优点是，它可以铸造各种合金的复杂的铸件，特别可以铸造高温合金铸件。如喷气式发动机的叶片，其流线型外廓与冷却用内腔，用机械加工工艺几乎无法形成。用熔模铸造工艺生产不仅可以做到批量生产，保证了铸件的一致性，而且避免了机械加工后残留刀纹的应力集中。

熔模精密铸造获得的产品精密、复杂，接近于零件最后形状，可不加工或很少加工就直接使用，是一种近净形成形的先进工艺，是铸造行业中一项优异的工艺技术，其应用非常广泛。它不仅适用于各种类型、各种合金的铸造，而且生产出的铸件尺寸精度、表面质量比其他铸造方法要高，甚至其他铸造方法难于铸得的复杂、耐高温、不易于加工的铸件，均可采用熔模精密铸造铸得。

熔模精密铸造是指用易熔材料制成可熔性模型，在其上涂覆若干层特制的耐火涂料，经过干燥和硬化形成一个整体型壳后，再用蒸汽或热水从型壳中熔掉模型，然后把型壳置于砂箱中，在其四周填充干砂造型，最后将铸型放入焙烧炉中经过高温焙烧，铸型或型壳经焙烧后，于其中浇注熔融金属而得到铸件。

目前世界的熔模精密铸造成形工艺发展迅速、应用广泛，从目前的态势看，未来该工艺将来的发展趋势是铸件产品越来越接近零部件产品，传统的精铸件只作为毛坯，已经不适应市场的快速应变。零部件产品的复杂程度和质量档次越来越高，研发手段越来越强，专业化协作开始显现，CAD、CAM、CAE的应用成为零部件产品开发的主要技术。

从目前的发展情况分析，熔模精密铸造技术的应用面非常广泛，未来其发展前景想当广阔。2100433B

内容简介

《熔模精密铸造技术》系统论述了熔模铸造的发展概况和基本特点，制模材料和制模工艺，耐火材料与基本性能，水玻璃、硅溶胶和硅酸乙酯三种粘结剂的特性和制壳工艺，型芯制备，合金熔炼与浇注，铸件清理精整和热处理等；《熔模精密铸造技术》内容侧重于实际生产工艺与应用，并反映了现代熔模精密铸造工艺与技术的进步和发展。附录中列入常用原辅材料化学分析法、常用钢铁元素化学分析法、常用铸钢牌号及化学成分、以及精密铸造用主要设备和材料的国内（部分）生产厂家名录。内容丰富，资料翔实、新颖。《熔模精密铸造技术》可供从事熔模铸造生产、科研技术人员和大专院校师生阅读参考，也可作为教材或教学参考用书。2100433B

现代熔模精密铸造是在古代蜡模精密铸造的基础上发展起来的。二战时期，驻云南保山的盟军技术专家见到当地人用这种方法制造工艺品深受启发，将其改进并用到机械构件的生产上，从此该种技术在世界各地迅速得到发展。现代熔模精密铸造方法在工业生产中得到实际应用是在20世纪40年代。当时航空喷气发动机的发展，要求制造像叶片、叶轮、喷嘴等形状复杂，尺寸精确以及表面光洁的耐热合金零件。由于耐热合金材料难于机械加工，零件形状复杂，以致不能或难于用其它方法制造，因此需要寻找一种新的精密的成型工艺，于是借鉴古代流传下来的失蜡精密铸造，经过对材料和工艺的改进，现代熔模精密铸造方法在古代工艺的基础上获得重要的发展。航空工业的发展推动了熔模精密铸造的应用，而熔模精密铸造的不断改进和完善也为航空工业进一步提高性能创造了有利的条件。 其后这种先进的精密铸造工艺得到巨大的发展，相继在航空、汽车、机床、船舶、内燃机、气轮机、电讯仪器、武器、医疗器械以及刀具等制造工业中被广泛采用，同时也用于工艺美术品的制造。 近十年来，熔模精密铸造一直以较高的速度向前发展着。世界各主要工业国平均以7%～12%的速度递增，特殊用途的铸件将以30%的惊人速度递增，从而推动了熔模精密铸造蜡开发技术的发展。

熔模铸造用蜡开发进展

精密铸造蜡是在熔模精密铸造中制造零件铸模的专用材料，是决定铸件质量的重要因素之一。熔模铸造用蜡品种主要有低温模料、中温模料和高温模料，主要使用的模料是低温模料和中温模料。我国进口的模料也主要是中温模料。

美国熔模铸造技术水平较高，得益于三大支柱，即先进的技术、优质的原材料和严格认真的操作。如美国熔模铸造厂每次使用的模料均是模料厂生产的新模料。熔模铸造厂不对使用过的模料回收处理，回收的模料送到模料专业生产厂统一处理。由于模料厂出厂的模料质量较高且均一，保障了熔模铸造厂蜡模的尺寸精度和表面质量，蜡的灰分和杂质也得到了控制。国外通常有专业公司，汇集相关技术专业生产熔模铸造模料。所生产的模料具有稳定性好、收缩率低、表面光洁、强度高、成型性好并针对不同的零件生产不同性能的模料。国外所生产的模料种类有加填料模料和非加填料模料，并细分为模型用蜡、修补蜡、可乳化蜡、浇口用蜡、嵌封用蜡的粘结蜡等。

近几年来，我国许多单位研制成功了许多系列模料且产品质量较高。我国北京正大德技术开发中心研制生产了WMⅡ系列模料。该系列模料品种多，可提供用于不同制壳材料、不同脱蜡温度、不同尺寸形状的模料，可用于替代进口产品。上海市金山模料厂生产WM系列模料，十余个品种，年产量约200吨。沈阳铸造研究所研制生产F-01等中温模料和填料模料。另外，沈阳风动工具厂、北京油泵油嘴厂、太原晋西机械厂和成都化工所也生产质量较高的蜡基中温模料。

国外熔模铸造用蜡的生产品种主要有美国生产的CL-162系列和Master系列模料、英国Dussek Campbell公司生产的Castylene系列模料、日本生产的K系列模料(如K512)和前苏联生产的P-3模料等。

模料性能的优劣是由其配方决定的，因此各生产厂非常重视模料配方的研究。

熔模铸造技术发源于西亚和古代中国，繁荣于现代的欧美，现今又在我国得到迅速的发展， 并形成了专门的产业。现在无论在欧美，还是在中国都非常重视熔模铸造技术的应用和开发，生产的熔模精密铸造件已向结构复杂化、精密化、大型化和整体化方向发展，生产过程也向机械化、自动化的方向发展，已能铸出直径大于15m和重达900kg以上的超大合金钢铸件，铸出的铝合金件尺寸已达850mm×500mm×500mm，壁厚不到2mm。航空、航天、燃气轮机、涡轮增压器等高温合金、钛合金、铝合金的高质量要求的精密铸件生产已经离不开熔模铸造技术。

北美和欧洲以航空航天铸件为支撑，拥有占全球25%的精铸厂，占全球总产值的63%，铸件的附加值很高。

我国熔模精密铸造通过半个世纪的发展，取得可喜的、长足的进步。据最新行业统计资料显示，采用第一类硅溶胶黏结剂工艺方法，生产航空、航天、燃气轮机、涡轮增压器等高温合金、钛合金、铝合金的高端精铸件的生产厂点70个，产值32亿元；采用第一类精铸工艺方法，生产出口商用精铸件为主的不锈钢、低合金钢的各类机械和日用五金的商用精密铸件，生产厂630个，产量23万吨，产值164亿元。采用第二类水玻璃黏结剂精铸工艺方法，生产各类机械和阀门的碳钢和低合金钢形状复杂的中小型毛坯铸件，生产厂1700个，产量126万吨，产值164亿元。

由此可见，高附加值的高质量精铸件，主要集中在航空、航天和船艇制造业领域，其中以航空发动机的涡轮叶片及热端部件和燃气轮机的压气机、燃烧室及涡轮为主。目前，中国熔模精密铸造水准与日俱进，体现在采用CAD计算机辅助设计，压型制造采用CAM计算机数值控制，三坐标、加工中心已经得到广泛应用，真空熔炼炉、光谱仪、力学性能检测、荧光检测、X射线检测已经十分普遍，CAE计算机静态和动态结构分析、铸件充型凝固过程数值模拟发展已进入工程实用阶段，铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导，激光快速成型技术迅速发展，50t高压注蜡机、50kg三室等轴晶真空炉、陶芯压制成型机、高压脱芯釜等先进设备不断涌现，相信我国从精铸大国到精铸强国的进程会日益加快。

本书是笔者在《熔模铸造论文集》的基础上进行系统整理编写而成，目的是将熔模精密铸造的实践和体会介绍给同行，使之更好地为精铸生产服务。

本书编写得到朱锦伦、温耀信先生的大力支持，谨表示衷心的感谢。魏兵教授为本书撰写序，谨致以深切的谢意。