熔模精密铸造课程设计报告Word文档格式.docx
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董安平
学院(系):
材料科学与工程学院
1.绪论…………………………………………………………………………………………4
1.1熔模铸造根本原理和工艺过程……………………………………………………………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〕国内外开展现状…………………………………………………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
2.33D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熔模铸造根本原理和工艺过程
当今世界航空、航天和汽车工业得到迅速开展,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构造和重量的要求已变得十分苛刻,因此21世纪铸件的开展趋势是“精细化、轻量化、近无余量铸件和零缺陷铸件〞,而铸件的轻量化和精细化要求铸件朝着“无余量、薄壁、高精度、高性能、大型复杂、整体化〞的方向开展。
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拟高,可有效地实现毛坯精化,甚至无余量,故又称为熔模精细铸造,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〕,在其上涂挂假设干层特制的耐火涂料,经过枯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、外表粗糙度低
熔模铸件的尺寸精度可到达4~6级,外表粗糙度可到达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)铸件构造复杂
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,防止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,如碳素构造钢、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。
难以进展锻造、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〕国内外开展现状
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X围内得到迅速开展。
1991年以前,在兴旺国家及地区,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完毕,行业构造发生了重大变化,民用精铸件用量攀升,国在精细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、降低本钱、改善环境等方面技术开展较快。
我国于20世纪50年代初期,通过引进前苏联技术,开场开展现代熔模精,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、提高制芯技术等精细铸造工艺方法研究;
80年代,从国外引进了无余量熔模精细铸造生产线,开场了全面的技术吸收、消化和开展;
90年代那么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,详细讨论国内外开展现状。
(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构造、材料及制造技术进展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〔CastCool〕、超气冷〔Supercooling〕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,开场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细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细铸造技术、整体叶盘类控晶铸造技术和中小型复杂薄壁构造件整铸技术体系和研究保障条件。
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细铸造技术、双性能整体叶盘近净形熔模精细铸造技术、大型复杂薄壁构造件近净形熔模精细铸造等前沿技术,迄今已经在关键技术上取得突破:
针对双层壁和其他复杂薄壁件构造的特点,在现有熔模材料上进展降粘和增强改性研究,并引入激光快速成形工艺对新型构造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构造件开展了凝固结晶过程控制的根底技术研究,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、比刚度高和抗疲劳性能优异的性能,是理想的构造材料。
用铝合金替代钢铁可大大减轻产品的质量和增加构造的稳定性,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细铸件。
随着现代工业及铸造新技术的开展,对铝合金铸件的需求量越来越大,要求也越来越高,要求铸件尺寸准确、外表质量和内部冶金质量好,外表粗糙度一般要求Ra在0.8~3.2μm之间,并且向大型、薄壁、复杂、整体的方向开展。
目前,铝合金精细铸造技术在国外兴旺国家中开展较为迅速。
铝合金熔模铸造可同时生产小件和大件,最大轮廓尺寸可到达1.8m,最小壁厚可降到2mm,最大铸件的重量接近1000kg。
尺寸精度也越来越高:
在25.4mm内,公差可以到达±
0.125mm;
从25.4mm到254mm每增加25.4mm,公差增加0.05mm;
尺寸大于254mm时每增加25.4mm,公差增加±
0.127mm。
外表粗糙度Ra最高可到达约0.63μm(相当7~8水平),熔模铸件的力学性能也在不断提高。
同时,各种模料辅助技术也开展较快,如日本研究的水溶性模料,可适用于在压力X围在0.7~1.5MPa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到达3000kN。
近20年来,国内对铝合金精细铸造技术也开展了大量的研究工作,在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:
铝合金精细铸造专业化生产程度低;
铝合金精细铸造生产设备和配套技术落后;
铸件尺寸、尺寸精度、复杂程度和外表质量不高;
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细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构造材料。
近来年随着国内外航天事业的飞速开展,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,它具有铸件的外表粗糙度好、尺寸精度高等优点,可显著提高原材料的利用率〔可达75%~90%〕。
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
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