熱加工工藝--鑄造-(5)

1、,復(fù)旦大學(xué),四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院 School of Manufacturing Science and Engineering,四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院,石膏型鑄造是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種精密鑄造新技術(shù)?？煞譃閮深?lèi)：,2.1 概述,一第二章 石膏型鑄造,熔模石膏型精密鑄造一種以石膏為膠凝材料的實(shí)體熔模鑄造法。將熔模組裝，并固定在專(zhuān)供灌漿用的砂箱平板上，在真空下把石膏漿料灌入，待漿料凝結(jié)后經(jīng)干燥即可脫除熔模，再經(jīng)烘干、焙燒成為石膏型，在真空下澆注獲得鑄件,石膏型精密鑄造工藝過(guò)程,工藝特點(diǎn),在真空下灌注成型，其充型性?xún)?yōu)良，復(fù)模性?xún)?yōu)異，型精確、光潔，可灌注大型復(fù)雜鑄件用型,鑄件易形

2、成氣孔、澆不足等缺陷，應(yīng)注意合理設(shè)置澆注及排氣系統(tǒng),充型時(shí)合金液流動(dòng)保持時(shí)間長(zhǎng)，適宜生產(chǎn)薄壁復(fù)雜件。鑄型激冷作用差，當(dāng)鑄件壁厚差異大時(shí)，厚大處容易出現(xiàn)縮松、縮孔等缺陷,應(yīng)用范圍,石膏型精密鑄造適于生產(chǎn)尺寸精確、表面光潔的精密鑄件，特別適宜生產(chǎn)大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件 也可用于鋅、銅、金、銀等合金鑄件 鑄件最大尺寸達(dá)10002000mm、重量0.03908kg，壁厚0.81.5mm（局部0.5mm）,石膏型精密鑄造己被廣泛應(yīng)用于航空、宇航、兵器、電子、船舶、儀器、計(jì)算機(jī)等行業(yè)的零件制造,2.2 石膏型精密鑄件工藝設(shè)計(jì),3）收縮率,1）鑄造斜度：同熔模鑄造,2）加工余量,石膏型精密鑄件的加工余量 (

3、mm),熔模收縮率0.40.6，石膏型脫水收縮率00.5金屬收縮率1.11.3時(shí)，綜合線(xiàn)收縮率1.52.0,（1）石膏型精密鑄造工藝參數(shù)選擇,（2）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì),3、合理設(shè)置冒口，保證補(bǔ)縮,2、要保證合金液在型腔中流動(dòng)平穩(wěn)，順利充滿(mǎn)型腔，避免出現(xiàn)渦流、卷氣現(xiàn)象,4、脫模時(shí)澆注系統(tǒng)應(yīng)先脫模，減小熔模對(duì)石膏型的膨脹力,5、澆注系統(tǒng)在鑄件凝固過(guò)程中應(yīng)盡可能不阻礙鑄件收縮，以防止鑄件變形和開(kāi)裂,石膏型精密鑄造澆冒系統(tǒng)要求,1、有良好的排氣能力，能順利排出型腔中氣體，在頂部和易憋氣處要開(kāi)設(shè)出氣口,澆注系統(tǒng)類(lèi)型選擇,澆注系統(tǒng),頂 注,中間注,對(duì)高度大的薄壁筒形、箱形件也可用階梯式澆注系統(tǒng),底 注,1,2,

4、熔模模料,水溶性模料,2.3 石膏型精鑄工藝,模料選擇,（1）,熔模模料,對(duì)一般中小型鑄件可使用熔模鑄造通用模料；大中型復(fù)雜鑄件、尺寸精度高和表面粗糙度小的鑄件應(yīng)使用石膏型精鑄專(zhuān)用模料,水溶性模料,制作復(fù)雜內(nèi)腔、無(wú)法用金屬芯形成時(shí)，應(yīng)使用水溶芯或水溶石膏芯來(lái)形成內(nèi)腔。常用的水溶性模料有尿素模料、無(wú)機(jī)鹽模料等,石膏型精鑄專(zhuān)用模料配方（wt %）,模樣制作,（2）,熔模壓制工藝與熔模鑄造相同,一般水溶尿素模料、無(wú)機(jī)鹽模料及水溶石膏芯都是灌注成形,水溶性陶瓷芯一般是將各組分先混制成可塑配料，再加壓成型，經(jīng)700左右燒結(jié)后待用,石膏選擇,（3）,1、石膏,天然石膏為CaSO42H20，又稱(chēng)二水石膏。二

5、水石膏有七種變體。型半水石膏做石膏鑄型更為合適。除石膏種類(lèi)外，影響石膏強(qiáng)度的因素還有石膏的細(xì)度、水固比、水溫、攪拌時(shí)間等,工業(yè)生產(chǎn)條件下二水石膏的相變,2、填料,為使石膏型具有良好的強(qiáng)度，減小其收縮和裂紋傾向，需要在石膏中加入填料。填料應(yīng)有合適的熔點(diǎn)、耐火度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、合適的線(xiàn)膨脹率、發(fā)氣量少、吸濕性小等,石膏型用填料及性能,3、添加劑,為提高石膏型焙燒后強(qiáng)度，改變石膏型凝結(jié)時(shí)間和清理性，改變其線(xiàn)膨脹率等，需在石膏漿料中加入添加劑可作為增強(qiáng)劑、促凝劑、緩凝劑、減縮劑等,1. 石膏漿料的成分配比,石膏型制備,（4）,生產(chǎn)中常用幾種石膏漿料的成分配比,2. 石膏漿料的制備,石膏漿料的制備和

6、操作要點(diǎn),3. 真空灌漿,為提高漿料的充填能力，應(yīng)在真空條件下灌漿。先將有模組的箱框放入灌漿室中，將真空抽到0.06MPa。開(kāi)啟與攪拌室連接的二通閥使?jié){料平穩(wěn)地注入箱框中，灌漿時(shí)間一般不超過(guò)1-1.5min。灌完后立刻破真空，取出石膏型，靜置1-1.5h，使其有一定強(qiáng)度,漿料制備設(shè)備簡(jiǎn)圖 1真空閥 2一真空計(jì) 3一蠟?zāi)?4砂箱 5灌漿室 6灌漿閥 7混合料攪拌桶,4. 干燥與脫蠟,將石膏型自干24h以上，使水分散逸，強(qiáng)度增加。然后用蒸汽或遠(yuǎn)紅外脫蠟，脫蠟溫度100左右，脫蠟時(shí)間1-2h。把脫蠟后的石膏在80-90流動(dòng)空氣中干燥10h以上，或在大氣中干燥24h以上,5. 石膏型焙燒,石膏型焙燒的

7、主要目的是去除殘留于石膏型中的模料、結(jié)晶水以及其它發(fā)氣物，同時(shí)完成石膏型中一些組成物的相變過(guò)程，使其體積穩(wěn)定。焙燒爐可用天然氣爐、電阻爐,石膏型焙燒工藝,合金熔煉及澆注,（5）,合金熔煉及澆注,1.合金熔煉：石膏型精密鑄造以鋁合金為主，一般適用于砂型鑄造的鋁合金亦能用于石膏型精鑄，其中以鋁硅類(lèi)合金用得最多。為獲得優(yōu)質(zhì)的鋁鑄件，一定要采用最有效的精煉除氣工藝和變質(zhì)處理方法,2.澆注工藝參數(shù)：金屬液的澆注溫度和石膏型溫度兩者應(yīng)合理配合，以取得優(yōu)良鑄件質(zhì)量。石膏型溫度可控制在150300之間；鋁合金澆注溫度一般在700左右；大型薄壁鑄件澆注溫度可適當(dāng)提高,3.鑄件清整：對(duì)大型復(fù)雜薄壁鋁精鑄件必須進(jìn)行

8、細(xì)致的清理、修補(bǔ)和校正等工作,陶瓷型鑄造是在砂型熔模鑄造的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新工藝,造型材料：利用質(zhì)地較純、熱穩(wěn)定性較高的耐火材料粘結(jié)劑：硅酸乙酯水解液。在催化劑的作用下，經(jīng)灌漿、結(jié)膠、起模、焙燒等工序制成,采用此法澆出的鑄件，具有較高的尺寸精度和較細(xì)的表面粗糙度，故此法又稱(chēng)陶瓷型精密鑄造,3.1 概述,一第三章 陶瓷型鑄造,表面再灌陶瓷漿料以制陶瓷型,陶瓷型鑄造方法,a、全部用陶瓷漿料制造的陶瓷型,b、帶底套的陶瓷型,砂底套,金屬底套,（1） 陶瓷型鑄造的實(shí)質(zhì),a、全部用陶瓷漿料制造的陶瓷型,待漿料一旦出現(xiàn)彈性即可進(jìn)行起模（e）,小型陶瓷型鑄件，常采用全部以陶瓷漿料制造的陶瓷型,將模型固定

9、于模板上（a）,套上砂箱（b）,將預(yù)先調(diào)好的陶瓷漿料倒入砂箱（c）,將上表面刮平并等待結(jié)膠硬化（d）,待火熄滅后，移入高溫爐中焙燒 即成所需的陶瓷型,點(diǎn)火噴燒（吹壓縮空氣助燃）（f）,全部采用陶瓷漿料造型過(guò)程示意圖 a) 模型 b)準(zhǔn)備灌漿 c)灌漿 d)結(jié)膠 e)起模 f)噴燒 1模型 2砂箱,b、帶底套的陶瓷型,陶瓷型用材料常為剛玉粉、硅酸乙脂等，其價(jià)格較貴，且粒度細(xì)透氣性差，故生產(chǎn)中常采用帶底套的復(fù)合鑄型，即與液體金屬直接接觸的面層灌注陶瓷漿料，而其余部分用砂套或金屬套代替,生產(chǎn)上應(yīng)用最廣泛的是CO2水玻璃砂底套陶瓷型,CO2水玻璃砂底套強(qiáng)度高、透氣性好、制作簡(jiǎn)便,特殊之處！：事先要準(zhǔn)備

10、兩個(gè)模型,一個(gè)用于灌陶瓷漿料的鑄件模（A模）,另一個(gè)用于制造底套（B模，其尺寸較A模大）,采用水玻璃砂套的陶瓷型制作過(guò)程,a)模型 b)準(zhǔn)備造型 c)填充水玻璃砂 d)水玻璃砂底套 e)準(zhǔn)備灌漿 f)灌漿 g)結(jié)膠 h)起模 I)噴燒 1-模型 2-砂箱 3-水玻璃砂4-排氣孔 5-灌漿孔 6-陶瓷漿 7-空氣噴嘴,（2） 陶瓷型鑄造的優(yōu)缺點(diǎn),熔模鑄造受工藝限制，澆注的鑄件重量最大只有幾十公斤；陶瓷型鑄件最大可達(dá)十幾噸,陶瓷型鑄造的優(yōu)點(diǎn),1鑄件表面光潔度高,2鑄件的尺寸精度高,陶瓷型采用熱穩(wěn)定性高、粒度細(xì)的耐火材料，表面粗糙度為Ra=1.612.5um，遠(yuǎn)高于砂型,陶瓷型采用灌漿并在陶瓷層處于

11、彈性狀態(tài)下起模，陶瓷高溫變形小，鑄件尺寸精度可達(dá)CT6CT8,3可鑄大型精密鑄件,4投資少、投產(chǎn)快、周期短,陶瓷型鑄造的缺點(diǎn),1原材料價(jià)格昂貴,2不適于澆注批量大、重量輕、形狀復(fù)雜的鑄件,3生產(chǎn)工藝過(guò)程難于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化,（3） 陶瓷型鑄造的使用范圍,陶瓷型鑄造已成為大型厚壁精密鑄件生產(chǎn)的重要方法，廣泛用于鑄造沖模、玻璃器皿模、壓鑄模、鍛壓模、金屬型、熱芯盒、工藝品等表面形狀不易加工的鑄件的生產(chǎn),。,3.2 陶瓷型鑄造工藝,（1）陶瓷型鑄造工藝流程,陶瓷型鑄造的工藝流程,（2）陶瓷型所用造型材料,陶瓷型所用造型材料包括耐火材料、粘結(jié)劑、催化劑、脫模劑、透氣劑等,耐火材料,粘結(jié)劑,催化劑,陶

12、瓷型所用耐火材料要求雜質(zhì)少、熔點(diǎn)高、高溫?zé)崤蛎浵禂?shù)小?？勺魈沾尚偷哪突鸩牧嫌袆傆穹?、鋁礬土、碳化硅及鋯砂粉等,陶瓷型常用的粘結(jié)劑是硅酸乙酯水解液。為防止陶瓷型在噴燒及焙燒階段產(chǎn)生大的裂紋，在水解時(shí)常加入0.5%左右的醋酸或甘油,陶瓷漿料所用的催化劑有氫氧化鈣、氧化鎂、氫氧化鈉以及氧化鈣等,脫模劑,透氣劑,常用的脫模劑有上光蠟、變壓器油、機(jī)油、有機(jī)硅油及白凡士林等。使用時(shí)用軟布蘸上光蠟，均勻涂抹模型表面，然后用機(jī)油涂擦均勻,常用透氣劑為雙氧水，加入量為耐火粉料重量的0.20.3。加入后雙氧水迅速分解放出氧氣并形成細(xì)微氣泡，提高透氣性,（3）陶瓷漿料配制及灌漿,鑄造尺寸和光潔度要求高的合金鋼鍛模、

13、壓鑄型、玻璃器皿模具,1耐火材料的選擇,采用價(jià)格較便宜的鋁礬土或石英粉作為耐火材料,采用耐高溫的、熱穩(wěn)定性好的剛玉粉、鋯砂粉或碳化硅作為陶瓷型漿料的耐火材料,鑄鐵件或鋁鑄件,正確選擇耐火材料粒度組成,提高,陶瓷型表面光潔度、尺寸精度和強(qiáng)度,防止,鑄型裂紋,選擇原則,小件、光潔度要求高的鑄件，粒度細(xì)的耐火材料多用一些；反之，則用一些粒度粗的耐火材料,2漿料的配制與灌漿,耐火材料與硅酸乙酯水解液的配比要適當(dāng),粉料過(guò)多水解液少，則漿料太稠，流動(dòng)性太差而無(wú)法灌漿。即使勉強(qiáng)成型，鑄型上也會(huì)產(chǎn)生大的裂紋,粉料過(guò)少而水解液多則漿料太稀，灌漿后容易出現(xiàn)分層，漿料硬化時(shí)收縮大強(qiáng)度低，且浪費(fèi)水解液,耐火材料與水解

14、液的配比,配陶瓷漿料時(shí)，先用量杯量好水解液，然后緩慢倒入稱(chēng)好并混有催化劑的耐火粉料，邊倒邊攪，使耐火粉料和水解液混合均勻，當(dāng)混合料出現(xiàn)結(jié)膠跡象時(shí)，立即灌漿,注,1.開(kāi)始結(jié)膠的時(shí)間與灌漿的時(shí)間對(duì)陶瓷型質(zhì)量有很大影響,2.催化劑含量和室溫對(duì)結(jié)膠時(shí)間也有影響,3.灌漿過(guò)遲過(guò)早都不好。過(guò)遲，漿料可能在容器里結(jié)膠；過(guò)早，漿料易在型腔內(nèi)分層，影響質(zhì)量,4.開(kāi)始結(jié)膠的時(shí)間可通過(guò)預(yù)配小樣測(cè)定,3灌漿,灌漿時(shí)，漿料倒入速度不應(yīng)過(guò)快，以防卷入空氣，應(yīng)邊灌漿邊振動(dòng)，以排除漿料中的氣體,配料時(shí)陶漿的用量計(jì)算：,Q所需陶瓷漿料的重量（kg） F鑄件模型的表面面積（m2） h 灌漿層的厚度（m） 漿料的重度（N/m3)，

15、通常取2,4起模,從陶瓷型中取出模樣有時(shí)需要較大的力量，而手工起模困難，常需螺栓起模工具,螺栓起模工具,1-角鐵 2-墊塊 3-螺母 4-起模螺栓 5-墊塊 6-模樣 7-陶瓷型 8-砂套,5噴燒,起模后應(yīng)立刻點(diǎn)火并吹壓縮空氣進(jìn)行噴燒，使陶瓷型的表面有一定的強(qiáng)度和硬度。噴燒的結(jié)果使型腔的表面形成無(wú)數(shù)網(wǎng)狀的顯微裂紋，有利于提高陶瓷型的透氣性和型腔尺寸的穩(wěn)定性,6焙燒,焙燒的目的是使陶瓷型內(nèi)殘存的乙醇、水分和少量的有機(jī)物燒去，使陶瓷層的強(qiáng)度增加 全部由陶瓷漿料灌制的陶瓷型，焙燒溫度可達(dá)800，焙燒時(shí)間2-3h，出爐溫度應(yīng)在250以下，以防產(chǎn)生裂紋 帶有水玻璃套的陶瓷型，焙燒溫度（烘干）在350-5

16、50,7澆注與清理,陶瓷型澆注時(shí)應(yīng)注意擋渣。澆注溫度和澆注速度可比同類(lèi)型的砂型鑄件稍高。陶瓷型鑄件最好待冷卻至室溫時(shí)再打箱，以防止鑄件產(chǎn)生裂紋與變形,4.1 概述,（1）V法造型的實(shí)質(zhì),V法造型即V法(VProcess)，是一種真空密封造型鑄造方法，又稱(chēng)負(fù)壓造型(Vacuum Sealed Molding)，是依靠鑄型內(nèi)部大氣壓差將干散的沙粒緊固在一起，保持一定形狀，得到具有一定強(qiáng)度鑄型的物理造型法,一第四章 V法造型,將帶有抽氣室的砂箱放上,a,將預(yù)先加熱好的塑料薄膜在負(fù)壓作用下，吸貼到模樣、模板的整個(gè)表面上，然后在薄膜上均勻地噴上快干涂料,充填不加粘結(jié)劑、水分及附加物的干沙，邊加砂邊微振，

17、以保證干沙填滿(mǎn)砂箱。然后刮平，并在砂箱頂部再覆蓋塑料膜，通過(guò)砂箱箱壁抽真空,b,c,V法造型工藝過(guò)程,翻箱、起模。由于大氣壓力的作用，塑料薄膜均勻地貼在砂型上，使型砂處于緊實(shí)狀態(tài)，取出模樣,d,e,合型。鑄型的負(fù)壓狀態(tài)一直維持到澆注、鑄件凝固完成后。負(fù)壓解除后，鑄型自行潰散，從鑄型干砂中取出鑄件,V法造型工藝過(guò)程示意圖,a)覆蓋塑料薄膜 b)套砂箱 c)加砂、造型 d)起膜 e)合箱 1-吸氣箱 2-模樣 3-砂箱 4-砂 5-型腔,優(yōu)點(diǎn)： （1）干砂造型，簡(jiǎn)化了砂處理，舊砂回收率達(dá)95%以上 （2）在模樣表面覆蓋薄膜，模樣不與砂型直接接觸，便于起模，模樣起模斜度很小或沒(méi)有，提高了鑄件尺寸精度

18、，減少了對(duì)模樣的磨損 （3）在負(fù)壓下澆注，金屬液流動(dòng)性好，可澆出2-3mm的薄壁鑄件 （4）不必采用振動(dòng)落砂等設(shè)備，改善了車(chē)間環(huán)境,（2）V法造型的特點(diǎn),造型操作復(fù)雜，小鑄件造型生產(chǎn)率不高 需對(duì)鑄型保持負(fù)壓，對(duì)機(jī)械化流水線(xiàn)生產(chǎn)帶來(lái)一定困難 塑料薄膜的伸長(zhǎng)率和成形性的限制，影響了該法應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,缺點(diǎn),（3）應(yīng)用范圍,用于生產(chǎn)中等大小鑄件 形狀簡(jiǎn)單較精密的鑄件 可用于鑄鐵、鑄鋼和非鐵合金 各種批量生產(chǎn),4.2 工藝裝備,V法造型工藝裝備示意圖 1電動(dòng)機(jī) 2水環(huán)式真空泵 3、5真空表 4濾氣罐 6分配罐 7抽氣支管 8薄膜烘烤器 9模樣 10模板 11微震臺(tái) 12砂箱,（1）型板及模樣,模樣和型

19、板上均開(kāi)設(shè)了通氣孔與抽氣箱相通，通氣孔直徑0.22mm，孔距2050mm,模樣做成空心，為增加模樣強(qiáng)度和剛度，內(nèi)部應(yīng)設(shè)加強(qiáng)筋,一般情況下，模樣不留或少留起模斜度，斜度一般為1/1001/80,模樣裝在型板上，模樣底部裝在抽氣箱上,模樣結(jié)構(gòu)對(duì)吸模成型有重要影響,模樣結(jié)構(gòu),局部強(qiáng)化抽真空吸膜成型,輔助成型,局部預(yù)成型,輔助成型：對(duì)模樣深凹槽處，覆面膜時(shí)人工用一塊木板或泡沫塑料的壓塊將面膜壓向深凹處，再接通真空吸覆面膜，可使模腔成形深度增加1-2倍,局部預(yù)成型：對(duì)于澆冒口等，可預(yù)先包裹塑料薄膜，再用膠帶纏繞固定,局部強(qiáng)化抽真空吸膜成形：對(duì)某些難以吸膜成形的凹腔部位，可在模樣上采用強(qiáng)化抽真空結(jié)構(gòu)，在難

20、成形的型腔背后單獨(dú)設(shè)置一抽氣室，并設(shè)一專(zhuān)用通氣道，覆薄膜時(shí)該處先抽氣，以強(qiáng)化其吸膜，便于成形,局部強(qiáng)化抽真空示意圖 1抽氣箱 2模樣 3局部強(qiáng)化抽真空部分 4局部抽真空氣道,（2）微振振實(shí)臺(tái)可用可調(diào)式電磁振動(dòng)器,（3）薄膜烘烤器可使用遠(yuǎn)紅外板作加熱元件，效率高；也可用火焰或電阻元件加熱烘烤, V型用干砂應(yīng)具有良好的流動(dòng)性，以便各處充填緊實(shí)，保證鑄型各處有良好的強(qiáng)度 整個(gè)澆注成型過(guò)程在負(fù)壓下進(jìn)行，鑄型不存在透氣性不足的問(wèn)題 一般多采用較圓整的硅砂，70/140篩號(hào)，砂粒集中度80%，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%,4.3 V法造型工藝,（1）干砂,（2）塑料薄膜,塑料薄膜=鑄型內(nèi)表面用面膜+鑄型背面用背膜, V法造型的塑料薄膜應(yīng)有足夠強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，特別是面膜伸長(zhǎng)率要好，方向性要小，對(duì)加熱溫度不敏感，能滿(mǎn)足較復(fù)雜形狀