第一節(jié) 產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國火車鑄件一般采用熔模鑄造法，我國是于上世紀五、六十年代開始將熔模鑄造應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。其后這種先進的鑄造工藝得到巨大的發(fā)展，相繼在航空、汽車、機床、船舶、內(nèi)燃機、氣輪機、電訊儀器、武器、醫(yī)療器械以及刀具等制造工業(yè)中被廣泛采用，同時也用于工藝美術(shù)品的制造。

總體上，我國鑄造領(lǐng)域的學(xué)術(shù) 研究 并不落后，很多 研究 成果居國際先進水平，但轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力的少。國內(nèi)鑄造生產(chǎn)技術(shù)水平高的僅限于少數(shù)骨干企業(yè)， 行業(yè) 整體技術(shù)水平落后，鑄件質(zhì)量低，材料、能源消耗高，經(jīng)濟效益差，勞動條件惡劣，污染嚴重。具體表現(xiàn)在，模樣仍以手工或簡單機械進行模具加工；鑄造原輔材料生產(chǎn)供應(yīng)的社會化、專業(yè)化、商品化差距大，在品種質(zhì)量等方面遠不能滿足新工藝新技術(shù)發(fā)展的需要；鑄造合金材料的生產(chǎn)水平、質(zhì)量低；生產(chǎn)管理落后；工藝設(shè)計多憑個人經(jīng)驗，計算機技術(shù)應(yīng)用少；鑄造技術(shù)裝備等基礎(chǔ)條件差；生產(chǎn)過程手工操作比例高，現(xiàn)場工人技術(shù)素質(zhì)低；僅少數(shù)大型汽車、內(nèi)燃機集團鑄造廠采用先進的造型制芯工藝，大多鑄造企業(yè)仍用震壓造型機甚至手工造型，制芯以桐油、合脂和粘土等粘結(jié)劑砂為主。大多熔模鑄造廠以水玻璃制殼為主；低壓鑄造只能生產(chǎn)非鐵或鑄鐵中小件，不能生產(chǎn)鑄鋼件；用EPC技術(shù)穩(wěn)定投入生產(chǎn)的僅限于排氣管、殼體等鑄件，生產(chǎn)率在30型/小時以下，鑄件尺寸精度和表面粗糙度水平低；雖然建成了較完整的鑄造 行業(yè) 標(biāo)準體系，但多數(shù)企業(yè)被動執(zhí)行標(biāo)準，企業(yè)標(biāo)準多低于GB（國標(biāo)）和ISO（國際標(biāo)準），有的企業(yè)廢品率高達30%；質(zhì)量和市場意識不強，僅少數(shù)專業(yè)化鑄造企業(yè)通過了ISO9000認證。結(jié)合鑄造企業(yè)特點的質(zhì)量管理 研究 十分薄弱。

近年開發(fā)推廣了一些先進熔煉設(shè)備，提高了金屬液溫度和綜合質(zhì)量，如外熱式熱風(fēng)沖天爐開始應(yīng)用，但為數(shù)少，使用鑄造焦的僅占1%。一些鑄造非鐵合金廠仍使用燃油、焦炭坩堝爐等落后熔煉技術(shù)。沖天爐-電爐雙聯(lián)工藝僅在少數(shù)批量生產(chǎn)的流水線上得以應(yīng)用。少數(shù)大、中型電弧爐采用超高功率（600-700kVA/t）技術(shù)。

開始引進AOD、VOD等精煉設(shè)備和技術(shù)，提高了高級合金鑄鋼的內(nèi)在質(zhì)量。重要工程用的超低碳高強韌馬氏體不銹鋼，采用精煉技術(shù)提高鋼液純凈度，性能改善。0Cr16Ni5Mo、Cr13Ni5Mo鑄造馬氏體不銹鋼在保持原有韌性基礎(chǔ)上，屈強比由0.70-0.75提高到0.85-0.90，強度提高30%-60%，硬度提高20%-50%。

廣泛應(yīng)用國內(nèi)富有稀土資源，如稀土鎂處理的球墨鑄鐵在汽車、柴油機等產(chǎn)品上應(yīng)用；稀土中碳低合金鑄鋼、稀土耐熱鋼在機械和冶金設(shè)備中得到應(yīng)用；初步形成國產(chǎn)系列孕育劑、球化劑和蠕化劑，推動了鑄鐵件質(zhì)量提高。

高強度、高彈性模量灰鑄鐵用于機床鑄件，高強度薄壁灰鑄鐵件鑄造技術(shù)的應(yīng)用，使最薄壁厚達4-6mm的缸體、缸蓋鑄件本體斷面硬度差小于HB30,組織均勻致密?；诣T鐵表面激光強化技術(shù)用于生產(chǎn)。人工智能技術(shù)在灰鑄鐵性能預(yù)測中應(yīng)用。蠕墨鑄鐵已在汽車排氣管和大馬力柴油機缸蓋上應(yīng)用，汽車排氣管使用壽命提高4~5倍。釩鈦耐磨鑄鐵在機床導(dǎo)軌、缸套和活塞環(huán)上應(yīng)用，壽命提高1-2倍。高、中、低鉻耐磨鑄鐵在磨球、襯板、雜質(zhì)泵、雙金屬復(fù)合軋輥上使用，壽命提高。應(yīng)用過濾技術(shù)于缸體、缸蓋等高強度薄壁鑄件流水線生產(chǎn)中，減少了夾渣、氣孔缺陷，改善了鑄件內(nèi)在質(zhì)量。

國產(chǎn)水平連鑄生產(chǎn)線投入市場，可生產(chǎn)Φ30-250mm圓形及相應(yīng)尺寸的方形、矩形或異形截面的灰鑄鐵及球墨鑄鐵型材。與砂型比，性能提高1-2個牌號，鐵液利用率提高到95%以上，節(jié)能30%，節(jié)材30-50%，毛坯加工合格率達95%以上。

鑄鐵管 行業(yè) 引進23套Φ1000mm以下的中型球墨鑄鐵管離心鑄造成套設(shè)備，其中20套目前正在正常生產(chǎn)。此外，用我國自行研制的球墨鑄鐵管離心鑄造設(shè)備生產(chǎn)了Φ2600mm鑄管，其中正常批量生產(chǎn)的鑄管管徑達到2200mm，而且我國自行研制的鑄管離心鑄造設(shè)備管徑已可達到3000mm。

金屬基復(fù)合材料 研究 有進步，短纖維、外加顆粒增強、原位顆粒增強 研究 都有成果，但較少實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

某些重點 行業(yè) 的骨干鑄造廠采用了直讀光譜儀和熱 分析 儀，爐前有效控制了金屬液成分，采用超聲波等檢測方法控制鑄件質(zhì)量。

環(huán)保執(zhí)法力度日漸加強，迫使鑄造業(yè)開始重視環(huán)保技術(shù)。沈陽鑄造 研究 所等開發(fā)了大排距雙層送風(fēng)沖天爐和沖天爐除濕送風(fēng)技術(shù)；我國初建鑄造焦生產(chǎn)基地，形成批量規(guī)模。鑄造塵毒治理、污水凈化、廢渣利用等取得系列成果，并開發(fā)出多種鑄造環(huán)保設(shè)備（如震動落砂機除塵罩、移動式吸塵器、煙塵凈化裝置、污水凈化循環(huán)回用系統(tǒng)，鑄造舊砂干濕法再生技術(shù)及設(shè)備、鑄造廢砂爐渣廢塑料制作復(fù)合材料技術(shù)和設(shè)備等）。

商品化CAE軟件已上市。一些大中型鑄造企業(yè)開始在熔煉方面用計算機技術(shù)，控制金屬液成分、溫度及生產(chǎn)率等。成都科技大學(xué)研制成砂處理在線控制系統(tǒng)，清華大學(xué)等開發(fā)了計算機輔助砂型控制系統(tǒng)軟件，華中科技大學(xué)成功開發(fā)商品化鑄造CAE軟件。

鑄造業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展快速，部分鑄造企業(yè)網(wǎng)上電子商務(wù)活動活躍，如一些鑄造模具廠實現(xiàn)了異地設(shè)計和遠程制造。

鑄造專家系統(tǒng) 研究 雖然起步晚，但進步快。先后推出了型砂質(zhì)量管理專家系統(tǒng)、鑄造缺陷 分析 專家系統(tǒng)、自硬砂質(zhì)量 分析 專家系統(tǒng)、壓鑄工藝參數(shù)設(shè)計及缺陷診斷專家系統(tǒng)等。機械手、機器人在落砂、鑄件清理、壓鑄及熔模鑄造生產(chǎn)中開始應(yīng)用。

第二節(jié) 產(chǎn)品工藝特點或流程

所謂熔模鑄造工藝，簡單說就是用易熔材料（例如蠟料或塑料）制成可熔性模型（簡稱熔?；蚰Ｐ停谄渖贤扛踩舾蓪犹刂频哪突鹜苛?，經(jīng)過干燥和硬化形成一個整體型殼后，再用蒸汽或熱水從型殼中熔掉模型，然后把型殼置于砂箱中，在其四周填充干砂造型，最后將鑄型放入焙燒爐中經(jīng)過高溫焙燒（如采用高強度型殼時，可不必造型而將脫模后的型殼直接焙燒），鑄型或型殼經(jīng)焙燒后，于其中澆注熔融金屬而得到鑄件。

熔模鑄件尺寸精度較高，一般可達ct4-6（砂型鑄造為ct10~13，壓鑄為ct5~7）,當(dāng)然由于熔模鑄造的工藝過程復(fù)雜，影響鑄件尺寸精度的因素較多，例如模料的收縮、熔模的變形、型殼在加熱和冷卻過程中的線量變化、合金的收縮率以及在凝固過程中鑄件的變形等，所以普通熔模鑄件的尺寸精度雖然較高，但其一致性仍需提高（采用中、高溫蠟料的鑄件尺寸一致性要提高很多）。

壓制熔模時，采用型腔表面光潔度高的壓型，因此，熔模的表面光潔度也比較高。此外，型殼由耐高溫的特殊粘結(jié)劑和耐火材料配制成的耐火涂料涂掛在熔模上而制成，與熔融金屬直接接觸的型腔內(nèi)表面光潔度高。所以，熔模鑄件的表面光潔度比一般鑄造件的高，一般可達ra.1.6~3.2μm。

熔模鑄造最大的優(yōu)點就是由于熔模鑄件有著很高的尺寸精度和表面光潔度，所以可減少機械加工工作，只是在零件上要求較高的部位留少許加工余量即可，甚至某些鑄件只留打磨、拋光余量，不必機械加工即可使用。由此可見，采用熔模鑄造方法可大量節(jié)省機床設(shè)備和加工工時，大幅度節(jié)約金屬原材料。

熔模鑄造方法的另一優(yōu)點是，它可以鑄造各種合金的復(fù)雜的鑄件，特別可以鑄造高溫合金鑄件。如噴氣式發(fā)動機的葉片，其流線型外廓與冷卻用內(nèi)腔，用機械加工工藝幾乎無法形成。用熔模鑄造工藝生產(chǎn)不僅可以做到批量生產(chǎn)，保證了鑄件的一致性，而且避免了機械加工后殘留刀紋的應(yīng)力集中。

第三節(jié) 國內(nèi)外技術(shù)未來發(fā)展趨勢 分析

熔模精密鑄造生產(chǎn)具有許多優(yōu)點，但其同時具有工序多，工藝過程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，影響鑄件質(zhì)量的因素較多的缺點，在一定程度上制約了精密鑄造的應(yīng)用和發(fā)展。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，計算機技術(shù)在精鑄中的應(yīng)用，從精鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝制定到壓型設(shè)計與制造、蠟?zāi)３尚?、型殼制造、型芯的制造等，給精鑄件的生產(chǎn)帶來了巨大變革。

1、計算機技術(shù)數(shù)值模擬技術(shù)在熔模精鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝制定中的應(yīng)用

熔模鑄件向更輕、薄及精整化方向發(fā)展，近年來提出了凈形或近凈形化鑄造，以發(fā)揮熔模鑄造的優(yōu)勢，滿足現(xiàn)代工業(yè)對高質(zhì)量零件的需求。這就要求熔模精鑄件的結(jié)構(gòu)更加合理，制定的工藝方案更加優(yōu)化，對精鑄技術(shù)提出了越來越高的要求。

傳統(tǒng)的精鑄件生產(chǎn)工藝，包括以下5個步驟：

1）鑄件用戶給鑄造廠下達設(shè)計藍圖；

2）鑄造廠作預(yù)算并從利于生產(chǎn)和降低成本的角度對設(shè)計提出改進意見；

3）鑄造廠設(shè)計鑄造工藝裝備；

4）鑄造廠向模具車間或造型車間下達工裝圖紙；

5）澆注鑄件，鑄件檢驗。

在鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計、壓型設(shè)計、注蠟工藝參數(shù)制定、澆注系統(tǒng)等過程，傳統(tǒng)的生產(chǎn)主要依靠工程技術(shù)人員的實際工作經(jīng)驗，缺乏科學(xué)的理論依據(jù)。特別對于復(fù)雜件和重要件，生產(chǎn)中往往要反復(fù)地修改鑄件結(jié)構(gòu)、壓型或鑄造工藝方案來達到最終的技術(shù)要求，計算機具有強大的計算能力和圖形處理能力，能將數(shù)值 分析 技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、可視化技術(shù)結(jié)合經(jīng)典傳熱、流動和凝固理論，通過模擬鑄件充型、凝固及冷卻， 分析 精密鑄造過程的流場、溫度場和應(yīng)力場，預(yù)測鑄件組織和許多鑄造缺陷如冷隔、縮孔、熱裂和變形等。因此可以通過并行工程，利用計算機技術(shù)對鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性、鑄造工藝進行模擬，為技術(shù)人員設(shè)計較合理的鑄件結(jié)構(gòu)和確定合理的工藝方案提供了有效的依據(jù)，從而避免傳統(tǒng)的依靠經(jīng)驗進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝制定的盲目性，可以縮短生產(chǎn)準備周期，節(jié)約試制成本。

數(shù)值模擬過程示意圖

2、快速樣件制造技術(shù)在壓型及熔模制造中的應(yīng)用

快速樣件制造技術(shù)的出現(xiàn)，使壓型和熔模的制造周期大大縮短。所謂快速樣件制造就是首先在計算機上，形成熔模鑄件的三維CAD數(shù)據(jù)文件，將之沿高度方向切割成許多薄片，然后按次序制造和組合，最終形成一個立體形狀的制品。

1）用快速樣件成型方法制造壓型

根據(jù)成型方法，將快速樣件成型方法制造壓型可分為兩種：一種是先用快速樣件制作方法制成樹脂或蠟質(zhì)母模（原型），再用它來翻制環(huán)氧樹脂或硅橡膠壓型。此法生產(chǎn)壓型可以滿足小批量精鑄件生產(chǎn)。如在SLA法制作的塑料母模表面噴涂約2mm厚的金屬層，并在其后部充填環(huán)氧樹脂制成金屬-環(huán)氧樹脂復(fù)合壓型，可以滿足數(shù)百件批量的精鑄件生產(chǎn)。

另一種方法是根據(jù)CAD系統(tǒng)生產(chǎn)的壓型型塊幾何模型，直接由SLA、SLS等法制成樹脂壓型。SLS法制造壓型是將加工對象由樹脂粉末換成表面帶一薄層熱固性樹脂的鋼粉，經(jīng)激光燒結(jié)后，粘結(jié)成壓型，然后再焙燒制品，將樹脂燒掉，最后以銅液滲入，就可獲得與金屬性能相似的壓型。

2）快速樣件成型方法制造熔模

快速樣件成型方法-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法制作的蠟?zāi)?，可以直接用于精鑄件生產(chǎn)用的熔模；LOM法生產(chǎn)的紙制品，需對其外表面噴涂聚氨酯后，方可作為"熔模"進行制殼，或直接將紙制品外涂掛陶瓷型殼，而后將紙模燒掉。SLA法是用新型樹脂生產(chǎn)樹脂模樣，將未固化的樹脂倒出，而形成中空模樣，硬化后，用蠟將樹脂排出口密封，然后裝上蠟質(zhì)澆注系統(tǒng)，就可制殼了。

快速樣件成型方法制造熔模工藝概況

3、DSPC法直接制造型殼

直接型殼制造又稱DSPC法，與迄今所有的制殼工藝都有本質(zhì)的不同，主要由型殼設(shè)計（SDV）和型殼制造（SPU）兩大部分組成。

SDV法是將所制零件的CAD模型轉(zhuǎn)換為型殼的數(shù)字化零件，并顯示在屏幕上，當(dāng)確定好每個型殼上零件的數(shù)量、型殼壁厚以及收縮率、澆注系統(tǒng)等鑄造參數(shù)后，計算機就很快顯示所制鑄件型殼的幾何形狀，并進行鑄造工藝的模擬，然后將有關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給SPU。

SPU控制著一個可以精確上下移動的活塞，活塞上連接著一個料箱；與裝有細陶瓷粉料斗相連的噴頭，首先在料箱中均勻"噴鋪"一薄層細陶瓷粉末；另外，計算機根據(jù)SPU數(shù)據(jù)控制著一個噴射印刷頭，從中可以噴射出硅溶膠粘結(jié)劑，當(dāng)印刷頭在料箱中掠過細陶瓷粉時，根據(jù)指令"噴"出粘結(jié)劑。這樣在有粘結(jié)劑的區(qū)域，將耐火材料粘在一起，形成型殼的一個截面，然后活塞向下移動，噴頭再噴出一層粉料……。這樣一層一層進行，最后制成整體型殼。未被粘結(jié)的耐火材料粉料可對粘結(jié)層起支撐作用，焙燒后，回收未粘結(jié)的粉末，就可以澆注金屬液了。其工作原理見圖2。DSPC法使熔模鑄造省去了制造壓型、制造蠟?zāi)＜巴繏旃ば?，工藝過程大大簡化，而且由于不用考慮蠟?zāi)Ｗ冃蔚纫蛩?，可制得近凈形零件。利用此工藝的工廠，可在收到定單后的一周內(nèi)交付熔模鑄件。

直接型殼制造法（DSPC）

4、利用計算機控制激光制作陶瓷型芯

許多精鑄件需要制作陶瓷型芯特別是復(fù)雜、精細的陶瓷型芯，如渦輪發(fā)動機空心葉片等，計算機可以根據(jù)CAD數(shù)據(jù)，控制激光束在陶瓷型芯上精確地加工出各種不同結(jié)構(gòu)的型芯，特別是對于用傳統(tǒng)制芯工藝很難制出的型芯，更顯出其優(yōu)點。

5、并行工程和集成技術(shù)在精鑄業(yè)中的應(yīng)用展望

計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，并行工程和集成技術(shù)在精鑄業(yè)中的應(yīng)用將會逐漸廣泛，將成為精鑄業(yè)未來的發(fā)展趨勢。

1）并行工程

并行工程就是將精鑄件用戶與精鑄廠之間建立起緊密聯(lián)系的電子數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)，使用戶和鑄造廠之間進行并行的產(chǎn)品和工藝設(shè)計。用戶通過此網(wǎng)向鑄造廠下達精鑄件的電子化模型圖，鑄造工程師可從計算機工作站中看到所生產(chǎn)零件的三維圖象，確定幾組工藝方案后在計算機上進行工藝方案的數(shù)值模擬，可以顯示出不同工藝條件下可能存在的問題，如熱裂、縮孔等，鑄造工程師再迅速將有缺陷的電子化模型數(shù)據(jù)文件傳遞給用戶和設(shè)計師，以便作出改進而獲得高質(zhì)量鑄件。同樣，壓型、熔模、型殼制造的過程也可以實現(xiàn)并行，這樣可以極大縮短研制、開發(fā)生產(chǎn)周期，降低成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。

2）集成技術(shù)

對于一個未采用CAD系統(tǒng)設(shè)計的零件或要復(fù)制某一樣件，可以采用CT檢測技術(shù)、數(shù)值模擬和快速樣件制造集成技術(shù)。

CT技術(shù)即計算機層析射線攝影法，是一種X射線檢測技術(shù)，能用來獲得零件斷面的二維圖象，將各斷面二維圖象組合，就可以獲得被測對象的三維立體形態(tài)。利用此技術(shù)，可以精確獲得鑄件的CAD模型數(shù)據(jù)，結(jié)合快速樣件制造和數(shù)值模擬，可以縮短生產(chǎn)準備時間，降低制造型殼的成本。同時，CT技術(shù)測得的零件形狀，可以用來對比設(shè)計鑄件和生產(chǎn)鑄件的尺寸；檢測實際鑄件和設(shè)計鑄件的缺陷位置和數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果的符合程度。

5、計算機在精鑄業(yè)中的應(yīng)用，克服了精鑄生產(chǎn)過程的缺點，使得精鑄生產(chǎn)技術(shù)更加靈活，適應(yīng)性更強，更適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)對鑄件快速、優(yōu)質(zhì)、復(fù)雜的要求。

1）計算機技術(shù)數(shù)值模擬技術(shù)在熔模精鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝制定中的應(yīng)用，為技術(shù)人員設(shè)計較合理的鑄件結(jié)構(gòu)和確定合理的工藝方案提供了有效的依據(jù)。

2）快速樣件制造技術(shù)在壓型及熔模制造中的應(yīng)用，使壓型和熔模制造周期大大縮短。

3）DSPC法直接制造型殼，省去了傳統(tǒng)制殼一層一層涂掛型殼的漫長周期。

4）利用計算機控制激光制作陶瓷型芯，可以生產(chǎn)出復(fù)雜的陶瓷型芯。

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