熔模精密铸造课程计划设计

SHANGHAI 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

目录

1.绪论 (4)

1.1熔模铸造基本原理和工艺过程 (4)

1.2熔模铸造的特点及应用领域 (5)

1.3 熔模铸造（高端铸件）国内外发展现状 (6)

1.4选题简介 (9)

2. 铸件工艺流程设计 (9)

2.1模具的设计与制造 (9)

2.2浇注系统的设计与模拟 (11)

2.2.1浇注系统的设计 (11)

2.2.2 浇注系统的模拟分析 (11)

2.3 3D打印与制备蜡模 (14)

2.4 制壳 (15)

2.4.1 制壳原材料 (15)

2.4.2 制壳工艺 (15)

2.4.3 制壳步骤 (17)

2.5 浇注 (17)

2.5.1 脱蜡 (17)

2.5.2 焙烧 (19)

2.5.3 浇注 (19)

2.5.4 熔炼铸件的清理 (20)

2.6 后处理 (20)

2.6.1 喷砂 (21)

2.6.2 酸洗 (21)

2.6.3 修正（机加工） (21)

2.6.4 热处理 (21)

2.7 检验 (22)

3．总结 (22)

4．体会与建议 (22)

参考文献 (23)

致谢 (23)

1. 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“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。[1][2]

图1 熔模铸造工艺流程

1.2 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

熔模铸件的尺寸精度可达到4~6级，表面粗糙度可达到Ra0.4~3.2μm，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]。

1.3 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

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1966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期先进