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為什么選擇消失模鑄造工藝?

更新時間:2020-12-10 16:03:09點擊次數:166次
消失模鑄造工藝是全球公認的近凈成型工藝,可以通過集成一體化的鑄件設計和輕量化設計來降低成本。-MarshallMiller,美國FloweServe公司。
    消失模鑄造工藝是全球公認的近凈成型工藝,可以通過集成一體化的鑄件設計和輕量化設計來降低成本。-MarshallMiller,美國FloweServe公司。

    1958年首次在鑄造中使用泡沫模型。盡管消失模鑄造工藝并沒有像粘土砂、金屬型、或者壓鑄工藝那樣得到廣泛應用,但它在使用精密的模具生產復雜形狀的鑄件方面有其特有的優勢,甚至于直接使用機加工的泡沫模型來進行無模鑄造,這在其他工藝當中是無法想象的。

    消失模鑄造工藝的制造單元通常占地面積較小,這使它可以作為鑄造廠的主營鑄造工藝之外的一個補充。

 

    一個自動化消失模鑄造的單元(美國Vulcan公司供圖)

    消失模鑄造工藝很容易打入一個新市場。相對于其他鑄造工藝的鑄件設計而言,比如砂型鑄造,有許多閑置。因為絕大多數鑄造工藝需要能夠重復使用的、澆注之前可以從砂型中取出的模具或者型板。這在設計產品的模具或者型板的布局結構的時候就需要考慮進去。相反,消失模鑄造工藝中,泡沫模型保留在砂型當中并不需要取出,在澆注過程中直接氣化消失,這就為產品的結構設計消除了許多限制。

    消失模鑄造工藝中,EPS或者共聚料在鋁合金模具當中發泡成型,得到一個個的泡沫模片,進而粘接成為一個完整的泡沫模型,再組裝上對應的澆注系統就成為了模串。進行浸涂,烘干,放入砂箱當中,加入無任何粘結劑的干砂,震實。澆入金屬液,泡沫模型氣化,就得到了所需的鑄件。

    借助于消失模鑄造中泡沫可粘接組裝的優勢,就有可能實現減重,鑲嵌件直接鑄進去,多個部件集成一體鑄造等等。更有甚者,可以實現其他鑄造工藝所不可想象的帶有復雜形狀的鑄件。例如,工程師可以采用少或者無拔模斜度的設計,以實現鑄件上更均勻的壁厚,更好的表面光潔度。

    盡管消失模鑄造工藝成本比其他工藝更高一些,但是隨時間發展,整體而言,會降低成本。比如,考慮到在鑄造和機加工工序當中的勞動力成本的節約,以及模具費用的節約等等。

    優勢

    與其他鑄造工藝相比,消失模鑄造工藝有其獨特的優勢。

    消失模鑄造工藝可以自由設計帶有復雜內腔的鑄件,這類鑄件使用其他鑄造工藝很難實現或者根本無法實現,這對于很多選擇消失模鑄造工藝的用戶而言,是最大的吸引力所在。這對于部件的集成設計,以消除后續的清理打磨和機加工工序是非常有用的。

    對于下面這個碾米機的輥子來說,消失模鑄造工藝是其唯一的選擇。這個產品帶有倒鉤的齒尖,而且齒的下面還帶有凹坑。起初,該鑄造廠使用機加工的泡沫模型試鑄了原型樣品,以證明他們有能力生產這樣的產品。

    然而,消失模鑄造工藝也不一定非要在復雜產品上才能發揮優勢。比如,某個形狀相當簡單的帶有泄油口的零部件,起初是用砂型鑄造工藝生產的,使用砂型來成型泄油口。這個產品在加工的時候出現了問題,由于泄油口堵塞造成的廢品率舉高不下。將其轉換為消失模鑄造工藝生產后,這個問題迎刃而解,其生產成本也比砂型鑄造更低。

    除掉在設計方面的優勢,消失模鑄造還有在工藝上的優勢。典型的消失模鑄造生產線通常大約只有30米長。這種相當緊湊,通常也高度自動化的工藝,非常適合單一產品的大批量生產。而且,工藝控制也比較簡單。某些世界上比較大的消失模鑄造廠,都有能力自行設計和建造屬于自己的消失模鑄造系統,相當簡單,但是很高效。

    與砂型鑄造的衡量基準相比較,消失模鑄造工藝更加節能,提高了勞動生產率和材料利用率,減少了庫存,減少了廢品率,提高了安全性。消失模鑄造模具可以使用40萬-75萬模次。在消失模鑄鐵工廠里,交貨期通常為4周,因為泡沫模型可以存放很久,模串隨用隨取。砂芯和砂型則不需要提前生產來備用。

    工藝上的這些優勢帶來了生產成本上的優勢。消失模模具的壽命更長,勞動力成本更低,型砂無任何粘結劑,便于回收重復使用,從而消除了型砂回收使用的問題。消失模鑄件后期主要只是去掉澆冒口即可,并不存在飛邊毛刺,從而減少了打磨的工作量,節約了成本。綜上所述,消失模鑄造工藝是一種高產出低能耗的鑄造工藝。

    消失模鑄造工藝中,沒有粘結劑帶來的缺陷,長期的可重復性,沒有砂型缺陷,沒有錯箱的風險,鑄件尺寸公差較小,極佳的鑄件表面,提高了打壓件的合格率,等等,這些都提高了鑄件的質量。

    談談消失模模具的成本

    關于消失模鑄造工藝,其劣勢之一就在于模具成本過高。汽車工業的產品用量巨大,所以相關企業對模具的成本并不敏感。然而,其他很多客戶都對高昂的模具成本望而卻步。

    由美國鑄造協會AFS贊助的一項研究項目,旨在探索如何降低模具的成本來使消失模鑄造工藝能夠與典型的自動化雙面模板砂型生產線相比更有競爭力。第一次3D打印鋁合金功能驗證性模具,降低了一半的生產成本?,F在,美國鑄造協會AFS贊助打印鈦合金的驗證性消失模模具,以期望消除應力開裂與腐蝕開裂。


    直接3D打印的鋁合金消失模模具

    這個項目需要使用3D打印的消失模模具進行生產測試,并發泡模樣。首先,這個項目使用激光打印生產了一塊30cm*40cm的鋁合金模具?;诔醪降臏y試結果,使用這種方式生產的模具會減少50%的成本。

    更進一步,研發團隊使用軟件重新設計了模具,并減少了一半的壁厚。他們通過添加肋板來提高強度。這些在泡沫模樣成型的過程中并沒有不良的影響。

    同樣的軟件也被用來進行熱傳導最大化的分析,并減少循環時間。目標是,相比于傳統的成型過程,減少一半的循環時間。模擬仿真確保不會失去模具的強度。鈦合金模具現在也在被設計用來進行3D打印。

    美國鑄造協會AFS也在聯合開發用不同材料打印的消失模模具。目的使生產消失模模具的成本降低到傳統模具成本的25%。此項目也使用同樣的軟件來規劃增材制造的工藝。

    為了更多的降低進入消失模工藝的門檻,研究人員也在尋找不依賴模具的直接打印消失模模樣的方法。如果實現,就可以幾個小時內在沒有昂貴成型設備的條件下完成消失模鑄件的生產。試驗性質的,工業上已經成功生產了銅、鋁合金、球墨鑄鐵與灰鑄鐵的產品,接下來會測試生產碳鋼與不銹鋼。

 

    一個包含7個相互獨立的油路的復雜的機油過濾器鑄件。早期的設計要簡單的多,但是消失模鑄造工藝允許添加更多的油路以實現更好的過濾效果。隨著產品結構設計的迭代升級,越來越多的產品特征和油路被集成到一體,形成了最終的鑄件產品。消失模鑄造工藝為這些更改的實施提供了最大的設計彈性。

    為什么選擇消失模鑄造工藝?

    1)不受限制的設計自由度。產品設計工程師可以創造用由其他鑄造工藝無法生產的零部件,可以設計無拔模斜度,甚至倒扣的形狀;

    2)鑄件壁厚均勻一致;

    3)消除組件/零件-合并,集成設計;

    4)泡沫模具的磨損很低。泡沫珠粒不會磨損模具,因此確保了模樣的精確尺寸。

    5)近凈成型,無需或者少量的機械加工;

    6)形狀簡單的零件也適合此工藝;

    7)大型鑄件的生產,無需木模;

    8)過程控制簡單;

    9)降低人工成本,減少機加工,無需高額的投資,節能環保;

    10)適應多種材質,比如鑄鐵,鑄鋼,青銅與鋁合金。

    -《ModernCasting》2020年8月刊
(編輯:kailinzc)
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