計算機技術在熔模精密鑄造中的應用，包括鑄件結構設計、工藝制定、壓型、熔模、型殼及型芯制造等的最新成果，展望了計算機技術對未來精鑄業帶來的巨大變革。

關鍵詞：計算機 精密鑄造 壓型

熔模精密鑄造生產具有許多優點，但其同時具有工序多，工藝過程復雜，生產周期長，影響鑄件質量的因素較多的缺點，在一定程度上制約了精密鑄造的應用和發展。隨著計算機技術的快速發展，計算機技術在精鑄中的應用，從精鑄件的結構設計、工藝制定到壓型設計與制造、蠟模成型、型殼制造、型芯的制造等，給精鑄件的生產帶來了巨大變革。

1.計算機技術數值模擬技術在熔模精鑄件結構設計及工藝制定中的應用

熔模鑄件向更輕、薄及精整化方向發展，近年來提出了凈形或近凈形化鑄造，以發揮熔模鑄造的優勢，滿足現代工業對高質量零件的需求。這就要求熔模精鑄件的結構更加合理，制定的工藝方案更加優化，對精鑄技術提出了越來越高的要求。

傳統的精鑄件生產工藝，包括以下5個步驟：

1）鑄件用戶給鑄造廠下達設計藍圖；

2）鑄造廠作預算并從利于生產和降低成本的角度對設計提出改進意見；

3）鑄造廠設計鑄造工藝裝備；

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。

在鑄件結構設計、壓型設計、注蠟工藝參數制定、澆注系統等過程，傳統的生產主要依靠工程技術人員的實際工作經驗，缺乏科學的理論依據。特別對于復雜件和重要件，生產中往往要反復地修改鑄件結構、壓型或鑄造工藝方案來達到最終的技術要求，計算機具有強大的計算能力和圖形處理能力，能將數值分析技術、數據庫技術、可視化技術結合經典傳熱、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、溫度場和應力場，預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，利用計算機技術對鑄件的結構工藝性、鑄造工藝進行模擬，為技術人員設計較合理的鑄件結構和確定合理的工藝方案提供了有效的依據，從而避免傳統的依靠經驗進行結構設計和工藝制定的盲目性，可以縮短生產準備周期，節約試制成本。數值模擬過程見示意圖1。

2。快速樣件制造技術在壓型及熔模制造中的應用

快速樣件制造技術的出現，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數據文件，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母模（原型），再用它來翻制環氧樹脂或硅橡膠壓型。此法生產壓型可以滿足小批量精鑄件生產。如在SLA法制作的塑料母模表面噴涂約2mm厚的金屬層，并在其后部充填環氧樹脂制成金屬-環氧樹脂復合壓型，可以滿足數百件批量的精鑄件生產。

另一種方法是根據CAD系統生產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，經激光燒結后，粘結成壓型，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法制作的蠟模，可以直接用于精鑄件生產用的熔模；LOM法生產的紙制品，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，然后裝上蠟質澆注系統，就可制殼了。表1 快速樣件制造方法的比較

特點熔融堆積法(FDM)立體平板印刷法(SLA)選擇激光燒結法(SLS)層合物制造法(LOM)工藝原理熱塑性材料熔融,從活動口擠出,冷卻固化成層堆積UV光固化液態光敏樹脂激光加熱燒結鋪展的熱塑性材料粉末激光切割片材層,粘合.能源擠出頭加熱器激光器或UV燈或光纖CO2激光器CO2激光器原材料熱塑性材料液態光敏樹脂熱塑性材料粉末膠粘襯底片材目前常用材料ABS樹脂、尼龍、蠟專用光聚合樹脂樹脂粉、蠟粉紙層 厚（um）最小：50　一般：127-254最小：50　一般：127-254最小：60　一般：127最小：94

一般：188制品尺寸精度（mm）±0.127±0.1-0.2±0.2±0.1 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的不同，主要由型殼設計（SDV）和型殼制造（SPU）兩大部分組成。

SDV法是將所制零件的CAD模型轉換為型殼的數字化零件，并顯示在屏幕上，當確定好每個型殼上零件的數量、型殼壁厚以及收縮率、澆注系統等鑄造參數后，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，然后將有關數據傳輸給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SPU數據控制著一個噴射印刷頭，從中可以噴射出硅溶膠粘結劑，當印刷頭在料箱中掠過細陶瓷粉時，根據指令"噴"出粘結劑。這樣在有粘結劑的區域，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。未被粘結的耐火材料粉料可對粘結層起支撐作用，焙燒后，回收未粘結的粉末，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、制造蠟模及涂掛工序，工藝過程大大簡化，而且由于不用考慮蠟模變形等因素，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交付熔模鑄件。

3. 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雜、精細的陶瓷型芯，如渦輪發動機空心葉片等，計算機可以根據CAD數據，控制激光束在陶瓷型芯上精確地加工出各種不同結構的型芯，特別是對于用傳統制芯工藝很難制出的型芯，更顯出其優點。

4．并行工程和集成技術在精鑄業中的應用展望

計算機技術的不斷發展和普及，并行工程和集成技術在精鑄業中的應用將會逐漸廣泛，將成為精鑄業未來的發展趨勢。

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系的電子數據通訊網，使用戶和鑄造廠之間進行并行的產品和工藝設計。用戶通過此網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據文件傳遞給用戶和設計師，以便作出改進而獲得高質量鑄件。同樣，壓型、熔模、型殼制造的過程也可以實現并行，這樣可以極大縮短研制、開發生產周期，降低成本，提高產品的市場競爭力。

2）集成技術

對于一個未采用CAD系統設計的零件或要復制某一樣件，可以采用CT檢測技術、數值模擬和快速樣件制造集成技術。

CT技術即計算機層析射線攝影法，是一種X射線檢測技術，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。利用此技術，可以精確獲得鑄件的CAD模型數據，結合快速樣件制造和數值模擬，可以縮短生產準備時間，降低制造型殼的成本。同時，CT技術測得的零件形狀，可以用來對比設計鑄件和生產鑄件的尺寸；檢測實際鑄件和設計鑄件的缺陷位置和數值模擬預測結果的符合程度。

結束語

計算機在精鑄業中的應用，克服了精鑄生產過程的缺點，使得精鑄生產技術更加靈活，適應性更強，更適應現代工業對鑄件快速、優質、復雜的要求。

1.計算機技術數值模擬技術在熔模精鑄件結構設計及工藝制定中的應用，為技術人員設計較合理的鑄件結構和確定合理的工藝方案提供了有效的依據。

2.快速樣件制造技術在壓型及熔模制造中的應用，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，可以生產出復雜的陶瓷型芯。

5.計算機技術的不斷發展和普及，并行工程和集成技術在精鑄業中的應用將會逐漸廣泛，將成為精鑄業未來的發展趨勢。

序

前言

第1章 緒論

1.1 熔模鑄造的發展概況

1.2 熔模鑄件的尺寸公差及表面粗糙度

1.3 熔模鑄件在典型產品中的應用

參考文獻

第2章 新模料和先進制模技術

2.1 新模科和模料性能試驗新方法

2.2 先進制模技術

2.3 蠟模充型過程計算機數值模擬

參考文獻

第3章 制殼原材料

3.1 耐火材料

3.2 制殼粘結劑

姜不居，清華大學機械工程學院教授，長期從事熔模鑄造科研和教學工作。曾成功主持并完成“快干硅溶膠研究”熔模鑄造用砂粉粒度級配和“熔模鑄造企業管理信息系統”等50余項科研工作，獲省部級科技獎13項，在國辦外發表論文170余篇，曾主持和參與編寫《熔模鑄造手冊》《熔模鑄造工藝》《鑄件缺陷及其對策》等6本專著享受國務院“政府特殊津貼”。

本書系《先進鑄造技術叢書》之一，取材新穎豐富。內容包括熔模精密鑄造全部工藝過程，反映國內外精鑄高新技術發展水平和趨勢。重點介紹生產大型、薄壁、高精密和高強度熔模鑄件的制模、制殼、型芯、熔煉、過濾凈化，晶粒組織控制和金屬凝固模擬等最新鑄造技術的研究成果及其應用。本書可供熔模鑄造工作者以及相關領域技術人員參考，亦可作為鑄造專業學生的教材。

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）,當然由于熔模鑄造的工藝過程復雜，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省機床設備和加工工時，大幅度節約金屬原材料。

熔模鑄造方法的另一優點是，它可以鑄造各種合金的復雜的鑄件，特別可以鑄造高溫合金鑄件。如噴氣式發動機的葉片，其流線型外廓與冷卻用內腔，用機械加工工藝幾乎無法形成。用熔模鑄造工藝生產不僅可以做到批量生產，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力集中。

熔模精密鑄造是指用易熔材料制成可熔性模型，在其上涂覆若干層特制的耐火涂料，經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過高溫焙燒，鑄型或型殼經焙燒后，于其中澆注熔融金屬而得到鑄件。

熔模精密鑄造獲得的產品精密、復雜，接近于零件最后形狀，可不加工或很少加工就直接使用，是一種近凈形成形的先進工藝，是鑄造行業中一項優異的工藝技術，其應用非常廣泛。它不僅適用于各種類型、各種合金的鑄造，而且生產出的鑄件尺寸精度、表面質量比其他鑄造方法要高，甚至其他鑄造方法難于鑄得的復雜、耐高溫、不易于加工的鑄件，均可采用熔模精密鑄造鑄得。

目前世界的熔模精密鑄造成形工藝發展迅速、應用廣泛，從目前的態勢看，未來該工藝將來的發展趨勢是鑄件產品越來越接近零部件產品，傳統的精鑄件只作為毛坯，已經不適應市場的快速應變。零部件產品的復雜程度和質量檔次越來越高，研發手段越來越強，專業化協作開始顯現，CAD、CAM、CAE的應用成為零部件產品開發的主要技術。

從目前的發展情況分析，熔模精密鑄造技術的應用面非常廣泛，未來其發展前景想當廣闊。2100433B

內容簡介

《熔模精密鑄造技術》系統論述了熔模鑄造的發展概況和基本特點，制模材料和制模工藝，耐火材料與基本性能，水玻璃、硅溶膠和硅酸乙酯三種粘結劑的特性和制殼工藝，型芯制備，合金熔煉與澆注，鑄件清理精整和熱處理等；《熔模精密鑄造技術》內容側重于實際生產工藝與應用，并反映了現代熔模精密鑄造工藝與技術的進步和發展。附錄中列入常用原輔材料化學分析法、常用鋼鐵元素化學分析法、常用鑄鋼牌號及化學成分、以及精密鑄造用主要設備和材料的國內（部分）生產廠家名錄。內容豐富，資料翔實、新穎。《熔模精密鑄造技術》可供從事熔模鑄造生產、科研技術人員和大專院校師生閱讀參考，也可作為教材或教學參考用書。2100433B

現代熔模精密鑄造是在古代蠟模精密鑄造的基礎上發展起來的。二戰時期，駐云南保山的盟軍技術專家見到當地人用這種方法制造工藝品深受啟發，將其改進并用到機械構件的生產上，從此該種技術在世界各地迅速得到發展。現代熔模精密鑄造方法在工業生產中得到實際應用是在20世紀40年代。當時航空噴氣發動機的發展，要求制造像葉片、葉輪、噴嘴等形狀復雜，尺寸精確以及表面光潔的耐熱合金零件。由于耐熱合金材料難于機械加工，零件形狀復雜，以致不能或難于用其它方法制造，因此需要尋找一種新的精密的成型工藝，于是借鑒古代流傳下來的失蠟精密鑄造，經過對材料和工藝的改進，現代熔模精密鑄造方法在古代工藝的基礎上獲得重要的發展。航空工業的發展推動了熔模精密鑄造的應用，而熔模精密鑄造的不斷改進和完善也為航空工業進一步提高性能創造了有利的條件。 其后這種先進的精密鑄造工藝得到巨大的發展，相繼在航空、汽車、機床、船舶、內燃機、氣輪機、電訊儀器、武器、醫療器械以及刀具等制造工業中被廣泛采用，同時也用于工藝美術品的制造。 近十年來，熔模精密鑄造一直以較高的速度向前發展著。世界各主要工業國平均以7%～12%的速度遞增，特殊用途的鑄件將以30%的驚人速度遞增，從而推動了熔模精密鑄造蠟開發技術的發展。

熔模鑄造用蠟開發進展

精密鑄造蠟是在熔模精密鑄造中制造零件鑄模的專用材料，是決定鑄件質量的重要因素之一。熔模鑄造用蠟品種主要有低溫模料、中溫模料和高溫模料，主要使用的模料是低溫模料和中溫模料。我國進口的模料也主要是中溫模料。

美國熔模鑄造技術水平較高，得益于三大支柱，即先進的技術、優質的原材料和嚴格認真的操作。如美國熔模鑄造廠每次使用的模料均是模料廠生產的新模料。熔模鑄造廠不對使用過的模料回收處理，回收的模料送到模料專業生產廠統一處理。由于模料廠出廠的模料質量較高且均一，保障了熔模鑄造廠蠟模的尺寸精度和表面質量，蠟的灰分和雜質也得到了控制。國外通常有專業公司，匯集相關技術專業生產熔模鑄造模料。所生產的模料具有穩定性好、收縮率低、表面光潔、強度高、成型性好并針對不同的零件生產不同性能的模料。國外所生產的模料種類有加填料模料和非加填料模料，并細分為模型用蠟、修補蠟、可乳化蠟、澆口用蠟、嵌封用蠟的粘結蠟等。

近幾年來，我國許多單位研制成功了許多系列模料且產品質量較高。我國北京正大德技術開發中心研制生產了WMⅡ系列模料。該系列模料品種多，可提供用于不同制殼材料、不同脫蠟溫度、不同尺寸形狀的模料，可用于替代進口產品。上海市金山模料廠生產WM系列模料，十余個品種，年產量約200噸。沈陽鑄造研究所研制生產F-01等中溫模料和填料模料。另外，沈陽風動工具廠、北京油泵油嘴廠、太原晉西機械廠和成都化工所也生產質量較高的蠟基中溫模料。

國外熔模鑄造用蠟的生產品種主要有美國生產的CL-162系列和Master系列模料、英國Dussek Campbell公司生產的Castylene系列模料、日本生產的K系列模料(如K512)和前蘇聯生產的P-3模料等。

模料性能的優劣是由其配方決定的，因此各生產廠非常重視模料配方的研究。

熔模鑄造技術發源于西亞和古代中國，繁榮于現代的歐美，現今又在我國得到迅速的發展， 并形成了專門的產業。現在無論在歐美，還是在中國都非常重視熔模鑄造技術的應用和開發，生產的熔模精密鑄造件已向結構復雜化、精密化、大型化和整體化方向發展，生產過程也向機械化、自動化的方向發展，已能鑄出直徑大于15m和重達900kg以上的超大合金鋼鑄件，鑄出的鋁合金件尺寸已達850mm×500mm×500mm，壁厚不到2mm。航空、航天、燃氣輪機、渦輪增壓器等高溫合金、鈦合金、鋁合金的高質量要求的精密鑄件生產已經離不開熔模鑄造技術。

北美和歐洲以航空航天鑄件為支撐，擁有占全球25%的精鑄廠，占全球總產值的63%，鑄件的附加值很高。

我國熔模精密鑄造通過半個世紀的發展，取得可喜的、長足的進步。據最新行業統計資料顯示，采用第一類硅溶膠黏結劑工藝方法，生產航空、航天、燃氣輪機、渦輪增壓器等高溫合金、鈦合金、鋁合金的高端精鑄件的生產廠點70個，產值32億元；采用第一類精鑄工藝方法，生產出口商用精鑄件為主的不銹鋼、低合金鋼的各類機械和日用五金的商用精密鑄件，生產廠630個，產量23萬噸，產值164億元。采用第二類水玻璃黏結劑精鑄工藝方法，生產各類機械和閥門的碳鋼和低合金鋼形狀復雜的中小型毛坯鑄件，生產廠1700個，產量126萬噸，產值164億元。

由此可見，高附加值的高質量精鑄件，主要集中在航空、航天和船艇制造業領域，其中以航空發動機的渦輪葉片及熱端部件和燃氣輪機的壓氣機、燃燒室及渦輪為主。目前，中國熔模精密鑄造水準與日俱進，體現在采用CAD計算機輔助設計，壓型制造采用CAM計算機數值控制，三坐標、加工中心已經得到廣泛應用，真空熔煉爐、光譜儀、力學性能檢測、熒光檢測、X射線檢測已經十分普遍，CAE計算機靜態和動態結構分析、鑄件充型凝固過程數值模擬發展已進入工程實用階段，鑄造生產正在由憑經驗走向科學理論指導，激光快速成型技術迅速發展，50t高壓注蠟機、50kg三室等軸晶真空爐、陶芯壓制成型機、高壓脫芯釜等先進設備不斷涌現，相信我國從精鑄大國到精鑄強國的進程會日益加快。

本書是筆者在《熔模鑄造論文集》的基礎上進行系統整理編寫而成，目的是將熔模精密鑄造的實踐和體會介紹給同行，使之更好地為精鑄生產服務。

本書編寫得到朱錦倫、溫耀信先生的大力支持，謹表示衷心的感謝。魏兵教授為本書撰寫序，謹致以深切的謝意。