1、1SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY卓越工程师模块课程设计论文题目：熔模精密铸造课程设计 小组成员：柳真晶，周世杰，冀浩专 业: 材料科学与工程 指导教师: 董安平 学院(系):材料科学与工程学院 2目录1. 绪论41.1熔模铸造基本原理和工艺过程41.2熔模铸造的特点及应用领域51.3 熔模铸造（高端铸件）国内外发展现状61.4选题简介92. 铸件工艺流程设计92.1模具的设计与制造92.2浇注系统的设计与模拟112.2.1浇注系统的设计112.2.2 浇注系统的模拟分析112.3 3D打印与制备蜡模142.4 制壳152.4.1 制壳原材料152.4.2 制壳工艺1
2、52.4.3 制壳步骤172.5 浇注172.5.1 脱蜡172.5.2 焙烧192.5.3 浇注192.5.4 熔炼铸件的清理202.6 后处理202.6.1 喷砂212.6.2 酸洗212.6.3 修正（机加工）212.6.4 热处理212.7 检验223 总结224 体会与建议223参考文献23致谢2341. 绪论1.1 熔模铸造基本原理和工艺过程当今世界航空、航天和汽车工业得到迅速发展，新一代高推重比航空发动机、飞机、汽车零部件以及机载设备等对其结构和重量的要求已变得十分苛刻，因此 21世纪铸件的发展趋势是“精密化、轻量化、近无余量铸件和零缺陷铸件”，而铸件的轻量化和精密化要求铸件朝着
3、“无余量、薄壁、高精度、高性能、大型复杂、整体化”的方向发展。熔模铸造是特种铸造典型工艺之一，采用该方法制得的铸件精度和光洁度都比较高，可有效地实现毛坯精化，甚至无余量，故又称为熔模精密铸造，是一种近净形的金属液态成形工艺。熔模铸造工艺是用易熔材料制成可熔性模型（简称熔模） ，在其上涂挂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，从型壳中熔掉模型，放入焙烧炉中高温焙烧，然后在型壳中浇注熔融金属而得到铸件。图 1为熔模铸造工艺流程。 12图 1 熔模铸造工艺流程51.2 熔模铸造的特点及应用领域与其他铸造方法相比，熔模铸造具有以下显著的优点。（1） 尺寸精度高、表面粗糙度低熔模铸件的尺
4、寸精度可达到 46级，表面粗糙度可达到 Ra0.43.2m，可大大减少铸件的切削加工余量，并可实现无余量铸造。（2） 铸件结构复杂由于蜡模直接赋予铸件形状，特别是陶瓷型芯的使用，使得复杂内腔得以实现；不用开型取模，避免了取模对复杂铸型的制约；采用热壳浇注，金属充型能力强，可以完成复杂铸型的浇注。（3） 适用合金广各种合金材料，如碳素结构钢、不锈钢、合金钢、铸铁、铝合金、铜合金、铸造高温合金、镁合金、钛合金和贵金属等材料都可用于熔模铸造生产。难以进行锻造、焊接和切削加工的合金材料特别适宜用熔模铸造方法生产。（4） 批量灵活熔模铸造的工装模具可采用多种材料和工艺方法制造，因此同时适用于大批量生产和
5、小批量生产，大批量生产采用金属压型，小批量生产可采用易熔合金压型等，样品研制可直接采用快速原型代替蜡模。当然，熔模铸造也存在一定的缺点，如工艺流程繁琐，生产周期长，铸件尺寸不能太大以及铸件冷却速度较慢等 3。由于熔模铸造能实现高精度的复杂成形，在高端铸件的制造方面占据着优势地位，特别是能够浇注高温合金和钛合金，使得该工艺在航空及工业燃气轮机领域发挥了重要作用，典型铸件如航空发动机和工业燃气轮机涡轮叶片、航空发动机的整体机匣等。除此之外，高温合金、钛合金和铝合金熔模铸造技术还在其他领域中得到应用，如汽车涡轮增压器涡轮和电子仪表框架，这些铸件相对一般商用熔模铸件，技术水平要求高，附加值大，被划为高
6、附加值熔模铸件，也可称为高端铸件。在我国，还存在一类以生产各种不锈钢、碳钢铸件的企业群体，主要生产出口国际市场的一般商用铸件，如不锈钢高尔夫球头、管接头、泵、阀、五金件、一般及其零件等 4。61.3 熔模铸造（高端铸件）国内外发展现状熔模铸造的历史可追溯到 4000 年前，但早期仅应用于铸造艺术品和装饰品。二战时期，美国工程师奥斯汀受传统失蜡法制造工艺品的启发，创造了现代熔模铸造法，并应用于机械零件的生产。此后，该技术在世界范围内得到迅速发展。1991 年以前，在发达国家及地区，军工和航空产品占熔模铸造销售额的 50%到 70%。随着苏联解体和冷的战结束，行业结构发生了重大变化，民用精铸件用量
7、攀升，国在精密铸造技术方面取得了重大进展。为提高产品竞争能力，各国在缩短生产周期、扩大产品领域、提高产品质量、降低成本、改善环境等方面技术发展较快。我国于 20世纪 50年代初期，通过引进前苏联技术，开始发展现代熔模精，密铸造技术。70 年代，研究主要集中在水玻璃型壳的快速制壳，新的硬化剂的开发，同时完善硅酸乙酯、开发硅溶胶、改善模料性能、提高制芯技术等精密铸造工艺方法研究；80 年代，从国外引进了无余量熔模精密铸造生产线，开始了全面的技术吸收、消化和发展；90 年代则实现了熔模铸造产量的大幅度提升。下面，将从高温合金、铝合金以及钛合金熔模铸造三个方面，详细讨论国内外发展现状。（1） 高温合金
8、航空发动机涡轮叶片是典型高温合金熔模铸件。上世纪 80年代以来，国外对涡轮工作叶片和导向叶片的结构、材料及制造技术进行了深入的革命性研究，已相继研制出具有高效气冷效果的叶片冷却系统、材料和制造技术，制造的部件已经通过发动机的全面考核，如多孔层板合金件、多孔层板合金铸造的单晶叶片、超气冷空心叶片、微叠层复合材料叶片以及相应的发散冷却（Lamilloy） 、铸冷（Cast Cool） 、超气冷（Super cooling）等用于超级气冷空心叶片制造的新技术。我国于 20世纪 50年代从前苏联引进了石蜡-硬脂酸模料和水玻璃-石英型壳加矾土水泥的湿法造型工艺，开始了航空熔模铸件的研制历程。我国在 19
9、66年研制成功第一代空心镍基高温合金涡轮叶片，于 70年代末成功铸造出符合发动机性能要求的低压一级空心导向叶片。而高温合金近净形熔模精密铸造技术是在上世纪 70年代末期 80年代初期形成的，早期的研究技术水平与国外同时7期先进水平相当。迄今已经形成了以等轴晶、定向柱晶和单晶凝固结晶特征的叶片近净形熔模精密铸造技术、整体叶盘类控晶铸造技术和中小型复杂薄壁结构件整铸技术体系和研究保障条件。北京航空材料研究院近几年系统研究高效气冷单晶涡轮叶片近净形熔模精密铸造技术、双性能整体叶盘近净形熔模精密铸造技术、大型复杂薄壁结构件近净形熔模精密铸造等前沿技术，迄今已经在关键技术上取得突破：针对双层壁和其他复杂
10、薄壁件结构的特点，在现有熔模材料上进行降粘和增强改性研究，并引入激光快速成形工艺对新型结构件整铸技术快速研究，形成新型熔模材料体系和熔模成形工艺；针对单晶叶片、整体叶盘和大型复杂薄壁结构件开展了凝固结晶过程控制的基础技术研究，形成针对叶片单晶生长、整体叶盘定向柱晶/等轴细晶复合生长、大流阻下致密充填与晶粒度复合控制的技术。总的来说，经过长期的努力，我国航空发动机叶片熔模铸造有了长足的进步，但与国际先进水平尚存在不小的差距，特别是单晶叶片制造技术方面，国际上单晶叶片已经批量配备到航空发动机中，而我国在合金、工艺、设备等方面尚需进一步研究和提升 5。（2） 铝合金铝合金具有比强度高、 比刚度高和抗
11、疲劳性能优异的性能，是理想的结构材料。用铝合金替代钢铁可大大减轻产品的质量和增加结构的稳定性，在航空、航天、汽车、船舶、兵器、电子等行业已大量使用，特别是近年来越来越多地采用了铝合金熔模精密铸件。随着现代工业及铸造新技术的发展，对铝合金铸件的需求量越来越大，要求也越来越高，要求铸件尺寸精确、表面质量和内部冶金质量好，表面粗糙度一般要求 Ra在 0.83.2 m 之间，并且向大型、薄壁、复杂、整体的方向发展。目前，铝合金精密铸造技术在国外发达国家中发展较为迅速。铝合金熔模铸造可同时生产小件和大件，最大轮廓尺寸可达到 1.8 m，最小壁厚可降到 2 mm，最大铸件的重量接近 1000 kg。尺寸精
12、度也越来越高：在 25.4 mm 内，公差可以达到0.125 mm；从 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 时每增加 25.4 mm，公差增加0.127 mm。表面粗糙度 Ra 最高可达到约 0.63m(相当 78水平) ，熔模铸件的力学性能也在不8断提高。同时，各种模料辅助技术也发展较快，如日本研究的水溶性模料，可适用于在压力范围在 0.71.5 MPa之内的压铸成型，美国 TEM-PCRAFT生产的V-3002 型压蜡机的最大合型力可达到 3000 kN。近 20年来，国内对铝合金精密铸造技术也开展了大量的研究工作，在
13、一些领域虽然取得了长足的进步，但与国外先进水平相比，仍然还有不小的差距。主要表现为：铝合金精密铸造专业化生产程度低；铝合金精密铸造生产设备和配套技术落后；铸件尺寸、尺寸精度、复杂程度和表面质量不高；铸件机械性能低；生产周期长等。目前还满足不了航空、航天领域对铝合金精密铸件更高的性能要求 6。（3） 钛合金钛合金具有比强度高、耐腐蚀性能好等优点，已成为一种优良的航空航天结构材料。近来年随着国内外航天事业的飞速发展，钛合金成形技术已经成为人们研究的热点。熔模铸造是钛合金最成功、也是应用最广泛的近净形成形技术，它具有铸件的表面粗糙度好、尺寸精度高等优点，可显著提高原材料的利用率（可达 75%90%）
14、 。20世纪 70年代初，美国 PCC公司与德国的 MTU发动机公司合作，采用氧化物陶瓷型壳整体精铸出直径 800mm的 RB199发动机的中间机匣，从而开创了生产大型薄壁复杂钛合金整体精铸件的新纪元。美国第四代歼击机 F-22使用了大量的钛合金铸件，其中许多为关键部位的承力结构件。美国的 AMAIC计划也在研究薄壁钛合金结构件，目的是生产厚度为 0.91.3mm 的 Ti-6Al-4V和 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo的精铸件，这个厚度要比现在的降低 30%50%。近年来，国外在积极发展新型钛合金及钛铝金属间化合物成分优化设计及力学性能的同时，加强了对新型钛合金及金属间化合物熔化原理、
15、凝固行为、熔体净化工艺的研究，并重点开发了钛合金、钛铝金属间化合物的近无余量的精密铸造工艺及关键技术。我国目前也有许多研究院致力于钛和钛合金精密铸造技术的研发，如北京航空材料研究院、沈阳铸造研究所、洛阳船舶材料研究所、中科院沈阳金属研究所、哈尔滨工业大学等单位。北京航空材料研究院曾采用引进技术成功浇铸出尺寸为 630mm300mm130 mm，最小壁厚仅为 2.5 mm的某飞机用的复杂的9框形结构。未来，国内关于钛和钛合金精密铸造研究将集中在以下方向：钛合金铸件的生产成本限制了它在航空航天工业上的应用，因此钛合金的发展将主要放在如何降低成本上，造型材料和真空熔炼是生产中的高成本环节，应进一步加
16、大此方面的研究；钛合金铸件将越来越多地应用在易疲劳、易断裂等关键部位，加大钛合金研发，将是钛合金发展的又一大趋势；由于铸造钛合金在铸造过程中经常存在铸造应力、组织性能不均匀等问题，为确保铸件的使用质量，针对钛合金铸件开发热等静压和热处理技术研究显得尤为重要；熔模铸造只能生产中小型铸件，应寻求一种生产更大型、更净形、更高效铸件的工艺，提高钛合金铸件的生产能力；进一步扩大计算机模拟凝固技术在钛合金铸造中的应用，以提高铸件质量，减小铸件的废品率。 781.4 选题简介本次课程设计，旨在了解熔模精密铸造的整体流程及工艺，对于熔模精密铸造有初步的认识，熟悉相关实验操作，培养实践的能力，在实践中加深对熔模
17、铸造工艺流程和技术的理解。具体而言，首先由指导老师董安平老师向我们介绍了熔模精铸的含义、工艺流程、发展现状及前景，并对实验室的具体设备和科学研究情况进行了介绍。接下来，采用冀浩同学提供的 3d鼠标模型为蓝本，九个同学分为三个小组，分别对应负责鼠标按键、上盖、下盖的铸造工作。从而通过一系列步骤将 3d模型变为实物。我们小组负责的是鼠标上盖部分的熔模精密铸造。2. 铸件工艺流程设计2.1 模具的设计与制造对于本次熔模精密铸造课程设计，由冀浩同学提供的鼠标 3D模型为基础（见图 2） ，选取其中三个主要构件，分别为按键，上盖，下盖，来作为三个铸10件，分给三个小组进行分别铸造。经过分析发现原有模型尺寸过小太薄，不便于熔模铸造，从而对于模型进行修改，鼠标的外形尺寸放大 2.5倍，壁厚放大1.5倍，从而基本满足铸造要求。图 2 整体鼠标 3d模型其中，我们小组负责熔模铸造的部件是上盖，见图 3。其中铸件的蜡模模型由指导老师董老师找相关公司 3d打印得到的树脂模型，见图 4。图 3 鼠标上盖部分 3d模型图
