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熔模精密铸造 马吉生 介绍 1977年毕业于清华大学机械系铸造专业高级工程师中国铸协铸造工程师资格认证专家中国铸协精铸分会副秘书长中国铸协教育培训委员会委员联系电话 010 63851604 H子邮箱 mjs1950 绪论 一 特种铸造简介砂型铸造以外的铸造方法 统称 特种铸造 砂型铸造示意图 特种铸造的方法很多 而且还在不断的发展着 最常见的特铸方法有 熔模铸造 石膏型铸造 陶瓷型铸造 消失模铸造 金属型铸造 压力铸造 低压铸造 挤压铸造 离心铸造 连续铸造 二 特种铸造与砂型铸造的区别 随着科技进步 对铸件提出了更高的要求 出现特种铸造 1 改变模型材料2 改变铸型材料3 改变浇注方法及冷凝条件有1或2 或1 2 3区别的都称特种铸造 三 特种铸造的优点 1 件精密 可少 无切削加工铸件尺寸精度是指铸件尺寸的精确程度 即误差大小 铸件尺寸与图纸要求尺寸的误差越大 则精度越差 现国家标准将铸件尺寸精度分为十六级 铸件尺寸公差与铸件基本尺寸有关 此外 还和合金种类 铸造方法种类有关 2 件内部质量和力学性能好3 降低金属消耗和铸件废品率4 简化工序5 改善劳动条件 提高劳产率 四 特种铸造应用范围 很广 用于各行各业但各自有其特点及应用范围 第1章熔模铸造 1概述 一 熔模铸造工艺过程 蜡模零件 压蜡模 组焊模组 上涂料 撒砂 干燥 脱蜡 焙烧 浇注 除壳 清理 制模 制壳 脱蜡 焙烧 浇注 清理 工艺过程归纳为 工艺过程 二 工艺过程特点1 用易熔模 不用开箱取模2 液体涂料 铸型光洁 精确3 热壳浇注 金属液对型壳的复印性好 工艺特点 熔模铸造 液体涂料复印蜡模不用开箱取模热壳浇注砂型铸造 固体砂复印模样要开箱取摸铸型不加热 三 应用 复杂 高精度 中小件合金不限生产批量限制不大 分两类件1 航空 航天上用零件2 商品件 常规武器及一般机器件 文体用品 艺术品 前者质量高价格贵 飞机 飞机发动机 定向凝固叶片和单晶叶片 飞机叶片 空心 壳体 热交换器 前机匣 万向连轴接 枪支零件 坦克件 高尔夫球杆头 宝石戒指树 40 四 发展史 有四千多年的历史 埃及中国和印度是最早的起源国家 20世纪30年代应用于工业生产 进年来 我国的铸造生产发展很快 中国已连续十年排名世界第一 2002年中国铸件产量为1626万吨 2007年达到3127万吨 5年间铸件总产量增长了92 占全世界铸件总产量的1 3 是第二名美国总产量的2倍多 我国精铸发展尤为迅速 进几年以20 25 的速度增长 210 北美有精密铸造厂约210家 占21 150 45 欧洲有精密铸造厂近200家 占17 主要分布在英 法 德 意 西 70 50 450 40 东亚约600家 其中我国大陆占全球厂家数的41 精密铸造行业 150 45 5 6 1200 15 210 30 10 40 70 50 2 50 450 东欧 捷克 斯洛伐克 波兰等 印度及东南亚国家 巴西等南美洲国家 中国占世界精密铸造总产值的16 4 其他 2 亚洲 15 4 中国 16 4 欧洲 23 北美 41 8 精密铸造产值地域分布 出口从无到2003年50亿 占总产值近50 已走向国际 据粗略统计 我国2007年出口商用精铸件产量达到20万吨以上 是2003年产量的一倍 年均增长速度约20 据2008年10月在美国举行的第12届世界精铸年会上 有关世界各国精密铸造发展动态的报导显示 2007年全球100亿美元的精铸市场份额中 中国为20亿美元占20 居世界第三位 仅次于美国 占38 和西欧 占28 我国熔模精密铸造现状 熔模精密铸造作为一种先进的零件成形工艺 在制造业中得到广泛的应用 我国改革开放以来 国民经济持续高速的发展 同时随着全球经济一体化的进程 中国已发展成为全世界制造业的中心 因而我国熔模铸造业得到了极快的发展 据粗略估计近几年我国熔模铸造产值年均增长速度达到20 25 是我国铸造业中发展最快的行业之一 与发达国家相比也是非常独特的 目前我国具有两类不同水平的熔模精铸工艺 第一类为国际通用的熔模精铸工艺 即采用中温模料制模 硅溶胶或硅酸乙酯粘结剂制壳为基本工艺 铸件质量达到国际熔模铸件的水平 采用此类工艺的生产企业又分为两种 一是用该工艺生产航空航天 军工及燃气轮机等高质量精铸件的企业 二是用该工艺生产以供出口为主的商用精铸件的企业 我国熔模精密铸造工艺发展的特点 第二类为我国传统的熔模精铸工艺 即采用低温模料制模 以水玻璃粘结剂制壳为基本工艺 其铸件尺寸精度和表面粗糙度虽不及第一类工艺的水平 但它具有制造成本低 生产周期短的特点 用这种工艺生产结构形状复杂的中小型炭钢零件为主 其工艺优势是其他铸造方法不可比的 它为零件的功能优化和轻量化提供了条件 因而这一工艺在制造业中具有广阔的应用前景 我国熔模精密铸造企业的分类按第一类工艺分类精铸产品典型代表企业1 航空航天 燃汽轮机及增压器类高质量要求的精铸件生产企业 西安航空动力公司铸造厂北京航空材料研究院贵州安吉航空精密铸造公司贵州新艺机械厂沈阳黎明发动机公司精铸中心南方航空工业公司精铸厂哈尔滨鑫润工业公司大同北方天力增压技术公司无锡范尼韦尔公司 按第一类工艺分类商用精铸产品典型代表企业 2 主要供出口的商用不锈钢 合金钢及炭钢精铸件生产企业 东营嘉扬精密金属公司无锡鹰普精密铸造公司无锡锡昶精铸公司石家庄艾力格不锈钢制品公司泰州金鼎精密铸造公司高密永和精密铸造公司浙江时代铸造公司江西永发上海精铸公司深圳吉邦实业发展公司 第二类工艺分类精铸产品典型代表企业 3 用传统精铸工艺生产炭钢及低合金钢民用精铸件生产企业 东风精密铸造公司宁波万冠熔模精铸公司宁波通达精铸公司宁波永茂熔模精铸公司无锡宏达精铸公司江苏万恒铸业公司安徽应流铸业公司江西南特工程机械公司山东临清中远精铸公司 2007年各地区精铸生产工厂数及产量 合计 精铸件年总产量 121 11万吨硅溶胶工艺 产量20 31万吨厂家530水玻璃工艺 产量100 80万吨厂家1585 一 高质量要求精铸件生产企业发展状况 我国生产高质量要求精铸件的企业 根据其精铸件的不同用途和要求以及不同材质而分为以下几种类型 1 从属于航空及航天发动机及飞机制造 舰船用燃气轮机制造等大型骨干军工企业的精密铸造厂 车间 其精铸件是以航空涡轮叶片 喷咀壳体 叶轮以及复杂的热端部件的结构件 仪表零件等为主 精铸件的材质是以铸造高温合金为主 其次为耐热钢和不锈钢 除对铸件的尺寸和表面粗糙度有严格的要求外 对其内部质量均有严格特殊的检验要求 这一类企业中又以航空发动机精密铸造为最高水平 其主要精铸工艺技术的特点为 表面细化的等轴晶复杂空心无余量精铸叶片 复杂空心定向凝固柱状晶无余量精铸叶片 复杂空心定向凝固单晶无余量精铸叶片 大型复杂整体 也有含空心叶片或支板 无余量精铸件 大比表面积超薄复杂结构件等 由于近年来高性能航空发动机制造技术呈现以下趋势 轻量化 整体化制造技术 新型结构件精密制坯技术 航空发动机制造技术新工艺 面向零件的专业化生产线 信息技术与制造技术相结合 因此 我国航空精铸企业正围绕上述发展趋势 努力创新开发和发展以下技术 无余量大型 复杂 薄壁 整体精铸件的开发 如扩压器整体铸件 机匣壳体等 由于毛坯结构的变化 制坯方法亦将发生重大变化 即由于产品轻量化和整体化而要求大量采用精铸毛坯取代传统的大余量毛坯 航空发动机上的精铸件将由18 增至44 以上 因此将承担更多的新产品和新技术开发 由于航空发动机叶片和结构件的整体化而使零件的结构更为复杂 因而将推动精密铸造技术的发展 如定向凝固和单晶技术的发展 陶瓷型芯技术的发展 新型制模材料和制壳材料的发展等 精铸用制模制壳材料 等静压坩埚 陶瓷型芯材料和制造走专业化研发和生产的道路 信息技术与制造技术相结合 如铸造仿真技术 利用计算机开展合金化学成分设计 凝固过程数值模拟 凝固过程缺陷预测 凝固过程数据采集 凝固过程设备控制以及3C CAD CAM CAE 在铸造过程的推广应用 目前我国这一类精铸厂点的龙头企业约有5至6家 再加上其他一些厂点共计有近20家 它代表了我国熔模精密铸造技术的最高水平 年总产值大约在10亿元 人民币 左右 此外在西安还有一家与英国著名航空企业罗尔斯罗伊斯公司合资的专门生产航空叶片的西安西罗精铸叶片制造公司 2 为蒸汽或燃气涡轮机提供精铸叶片的精铸企业我国各大型汽轮机制造企业原均设有精密铸造车间 生产本企业需要的各种精铸叶片和其他另件 随着国有大中型企业深化改革 专业化社会化分工的变化 汽轮机制造公司不再设立精铸车间 如哈尔滨汽轮机公司 上海汽轮机公司 通过主辅分离的体制改革 将原精铸车间 铸造分厂剥离改制 分别成立了民营的哈尔滨鑫润工业公司和上海宏钢锻铸公司 上海宏钢公司以汽轮机大型铸件的树脂砂铸造为主 而精铸件则和其他汽轮机制造公司一样 向社会合适的专业化精铸厂采购 哈尔滨鑫润工业公司则成为国内汽轮机行业最大的专业化精铸生产企业 2007年销售额达到5000万元 人民币 其主要工艺包括低温模料和中温模料制模 全硅溶胶型壳 表面晶粒细化处理 高温合金真空冶炼 真空浇注 双相合金钢冶炼 数控加工等 其主要关键装备有美国进口50kg三室真空感应熔化炉 国产100kg真空感应熔化炉 50吨高压射蜡机 各种数控加工设备等 并配备有进口直读光谱仪 超声波探伤仪 磁粉探伤仪等一系列理化检测设备 可以生产高温合金 耐热不锈钢 双相合金钢等多种材质的精铸件 并可将精铸件经数控加工实现零件成品供货 目前主要为火电汽轮机 核电汽轮机 燃气轮机生产叶片 泵轮 也为石油化工 造纸行业 民用航空提供精密铸造零件 并为GE Boeing提供压气机叶片和航空结构件 该公司已为国内外提供200MW至1000MW汽轮机配套精铸导叶片 能生产长度1米 重量68kg 最大厚度60毫米 型线呈三维弯扭的精铸导叶片 该工艺技术曾获得国家发明专利 被列为国家火炬计划项目 成为国家发电行业特色产业化基地成员 为秦山650MW核电机组提供产品 成为少数具有核产品生产技术的厂家之一 该公司还在生产大型船舰燃气轮机高温合金动叶片 导叶片方面具有较强的技术实力和成熟经验 因此该公司是我国民用机械行业中 真空高温合金精密铸造的领先企业 3 生产增压器涡轮的专业精铸企业为节能减排和提高功率 在内燃机上已普遍应用涡轮增压技术 其增压器中涡轮及叶轮是两个核心关键零件 涡轮材质为高温合金 采用熔模精密铸造方法生产 而压气机叶轮材质是铝合金 采用石膏型精密铸造工艺及低压铸造方法生产 该两轮零件在国内外市场需求很大 一方面是向国外知名品牌增压器制造公司出口两轮零件 另一方面是供应国内的配件市场 业内人士预测2009年国内增压器需求量将达到280万台 目前就增压器的整体而言 主要仍依靠外国知名公司如上海霍尼韦尔 WUXICTT MHI IHI等公司提供 而国内企业生产的增压器大多与原装机的要求有一定差距 主要供应配件市场 我国用精铸工艺生产涡叶轮的企业达数十家 能达到国际高标准要求生产两轮铸件的企业不多 目前仅有湖南天雁公司 大同北方天力公司 无锡范尼韦尔公司能批量生产 且能部分出口 年产量约为百万只 此外还能生产高温合金涡轮精铸件的还有无锡安耐杰动力工程公司 无锡瑞昌精铸公司 无锡金叶精铸公司 无锡蠡湖叶轮制造公司 潍坊韩泰精铸公司 山东力象实业公司 大连华升精铸公司 风城东风增压器公司等 近年来我国涡轮精铸技术迅猛发展 少数先进企业压蜡采用中温蜡自动压蜡机 保证产品的尺寸精度 制壳采用机械手取代人工涂料 使型壳保证一致性 熔炼采用专机熔炼炉 提高产品金属质量 如叶片定向结晶 和降低夹杂物 后处理采用自动化设备 降低劳动强度和提高产品表面质量 在过程控制方面 采用SPC技术 使产品符合汽车零件大批量生产的要求 但是 工艺出品率已影响到产品的价格和市场占有率 这一点有待突破 4 钛合金 铝合金精密铸造生产企业 近几年随着我国航空航天业的飞速发展 先进战机 大型运轮机 民用客机 先进航天器以及各种航空航天发动机处于快速发展阶段 提出了机体和发动机轻量化 低能耗 高效率 长寿命 高可靠的要求 钛合金由于其突出的高比强度 高工作温度等特点 航空航天业对钛合金精铸件的需求越来越大 其精铸件应用量增长速度最快 甚至超过了铝合金精铸件 航空航天业对钛合金铸件的迫切需求 直接导致我国近几年钛合金精铸技术快速发展 研究单位和生产企业的数量增加了20 左右 中航工业北京航空材料研究院 贵州安吉航空精铸公司 洛阳船舶材料研究所 沈阳铸造所等单位属于国内钛合金铸造技术和钛合金铸件生产规模领先单位 国内已经可以生产出 900mm左右 最小壁厚2 5mm的发动机中介机匣等不同结构的钛合金精铸件 达到了20世纪90年代国际先进水平 大型复杂薄壁整体钛合金精铸技术已经成为一个重要的钛合金精铸发展方向 在民用体育器械 医疗用品 化工和船舶行业中 如高尔夫球头 人工关节 化工管件及阀泵 船用零件及其他零件上 钛合金精铸件应用量处于稳步发展中 其生产企业主要有北京百慕高科公司 广东顺龙高尔夫球头公司 深圳奇利田高尔夫球头公司 西安高压阀门厂 沈阳金属研究所 河北邑特尔钛合金精铸公司等 目前我国主要采用的钛合金铸造工艺有两种即熔模精密铸造工艺和机加工石墨型铸造工艺 浇注工艺也有两种 即重力浇铸工艺和离心浇铸工艺 我国钛合金铸件年产值已经接近20个亿 人民币 其中采用熔模精密铸造工艺的钛合金精铸件约为9亿元 人民币 左右 其中非航空航天用约占70 左右 伴随着国外航空航天业不断在国内寻找钛合金铸件生产单位 国内钛合金精铸发展的机遇越来越大 通过开展航空航天用钛合金铸件的研制和应用 可以大大促进我国高水平 高附加值钛合金精铸技术的发展 带动国内整体精铸水平的提高 铝合金作为航空航天用的轻质合金 其精铸件一直得到广泛应用 国内一些航空航天单位如 贵州安吉航空精铸公司 成飞公司 西飞公司 中航工业北京航空材料研究院 航天211厂 沈阳铸造所等单位都在从事铝合金精铸研究和生产 此外民营企业如 北京经天精铸公司 定州开元精铸公司 无锡刚正精密吸铸公司等在铝合金精铸上也极具特色 最近几年 国内铝合金精铸生产单位数量增加不大 但大部分铝合金精铸企业主要是在满足民用行业对铝合金铸件需求的基础上 不断增加航空航天用铝铸件的研制和生产 来做为一个新的经济增长点 目前国内已经可以生产出2000mm左右 最小壁厚3mm的航空航天用铝合金精铸件 已经达到了国际20世纪末的先进水平 大型复杂薄壁整体铝合金精铸技术同样是一个重要的发展方向 二 生产出口商用精铸件企业的发展状况 我国采用国际通用的熔模铸造工艺即硅溶胶粘结剂制壳的精密铸造企业是上世纪八十年代末九十年代初开始建立 且一直以生产出口商用精铸件为市场方向 经过十八年左右的发展 我国这一类精铸企业在市场开拓 工艺技术 装备水平 企业管理等方面都有突飞猛进的发展 现已形成规模大小不等 产品门类不同 技术水平各异的500多家专业精铸企业 不包括月产精铸件低于10吨的小厂 由于商用精铸件的质量水平和交货期能满足外商的要求 而生产成本又受到外商的青睐 因而近几年来出口精铸件产量和销售额呈迅速增长的势头 表3是部份生产出口精铸件的企业销售额增长状况表3部分出口商用精铸生产企业销售额增长对比 发展状况 有如下几个特点 1 企业向规模化发展 这类企业在发展初期其规模很小 大多是作坊式的小厂 但随着工艺技术的成熟 市场的不断开发 订单不断扩大 部分企业向规模化发展 据估计在现有的500多家企业中 按其生产规模可分为三类 一类是月产量为100吨以上或年销售额超过亿元的企业有40余家 占企业总数的5 8 而其产量占总产量的三分之一 二类是月产量为40 100吨或年销售额在四仟万至1亿元以内的企业约有120余家 占企业总数的20 25 其产量占总产量的三分之一 第三类是月产量为30吨以下或年销售额低于三仟万以下的企业有350至400家 占企业总数的七成 其产量却只占总产量的三分之一 2 技术水平迅速提高 首先表现在产品质量档次上的提升 精铸出口企业建立初期主要是生产不锈钢管配件和五金件 而现在部分龙头企业已大批量生产尺寸精度要求高 内部质量检查严格的汽车零件和特殊的机械零件 同时 还由生产单一的精铸毛坯发展到通过冲压整形 抛光 热处理 表面处理和数控加工等多种加工手段 提供成品零件或部件 以满足市场发展的要求 第二是企业的技术装备不断更新 不少企业蜡料是管道输送 射蜡机从带缸式向免缸式发展 且由于模具设计制造水平的提高 出现了蜡模自动化生产的专机 不少企业采用制壳干燥流水线 少数企业还采用机械手制壳 从而稳定了制造过程的质量 在检测设备上除普遍配有光谱分析仪外 部分企业还配有三坐标测量仪 光学投影仪 磁力探伤仪和X射缐检测仪等 以满足用户的各种检查要求 第三是在工艺技术上进一步成熟 目前龙头精铸企业大多配置了计算机凝固模拟软件辅助浇注系统等工艺设计 大大加快了新产品的试制周期 同时应用可溶性蜡芯 陶瓷型芯 快乾增强硅溶胶 钢水净化及其他精铸新技术 并严格制造过程的控制 因而产品质量提高 比较规范的企业精铸件废品率已控制在3 5 以下 3 部分企业向现代化管理发展 这类精铸企业的产品主要是出口国际市场 因此十分注意基础管理 企业一般都通过ISO9000质量管理体系认证 部分企业由于产品出口的需要 还通过了ISO14000环境管理体系和ISOTS16949汽车行业质量管理体系及其他相关行业的认证 清华大学特铸研究室十多年来一直在精铸行业研究和推行计算机管理信息系统 将企业的营销 生产 库存 人事工资 成本分析等通过该信息系统完整和快速的管理起来 至今已在20多家精铸企业运行 泰州金鼎精铸公司也自主开发了适应本企业的计算机管理信息系统 此外还有一些精铸企业在推行 精益生产 SPC统计过程控制 六西格玛管理 等 并取得了很好的效果 从而促进了企业向现代管理发展 4 精铸设备及原辅材料产业同步发展 我国近几年来出口商用精铸件能如此飞速增长 是与精铸设备和原辅材料国产化有很大的关联 改革开放后 当先进的硅溶胶精铸工艺企业建立初期 设备全部进口 大部分原辅材料也依赖进口 由于我国具有一定的工业基础 不到几年的时间 从仿制到研发就逐步实现了国产化 现在国内的精铸设备制造企业可以提供精密铸造整厂设备 原辅材料除高品质蜡料和锆英材料外 其他国内均可生产 中国铸造协会精铸分会会员单位中从事精铸设备生产的企业有 济南新洋精铸设备厂 东营东胜精铸设备公司 东营昌顺精铸设备公司 东营富力科公司 东营德信公司 秦皇岛铸业达公司 秦皇岛宇田科技公司 秦皇岛优耐特公司 东莞东城禾泉机械厂 杭州中频电炉厂 杭州熔模铸造研究所等十余家企业 从事硅溶胶粘结剂及辅剂生产的企业有 东莞惠和硅制品公司 浙江宇达化工公司 武汉佳联化工公司 东营聚海化工公司 武汉楚江公司 仙桃金伟化工公司 武汉杨立化工公司 福州三邦硅制品公司 武汉智发科技开发公司 武汉亿强科技开发公司 大连宇化科技开发公司等十余家企业 由于我国的精铸设备和精铸原辅材料在价格上比发达国家有优势 因而已开始向印尼 泰国 土耳其等国出口 但其质量水平与发达国家相比尚有差距 我国精铸设备应走出仿制的初级阶段开展创新和研发 原辅材料应严格制造过程的控制 提高产品品质 才能支撑我国精铸向世界先进行列进军 5 开始重视节能降耗与环保治理工作 精密铸造是一项少无切削加工的先进的零件成形工艺 从广义上说是一项节能新工艺 但由于它的工艺特点 在诸多的铸造方法中 它又是单位重量产品能耗最高的工艺 随着国家对企业节能降耗的规划要求出台 以及企业对成本的控制 近年来精铸企业开始重视和探索节能降耗的途径 并取得了较好的效果 熔模铸造的焙烧工序是能耗最大的工序 高密永和精铸公司 宁波天业精铸公司用电炉焙烧代替燃油或煤气发生器的方式焙烧 使能耗大幅度下降 受到行业的仿效 精密铸造的小容量感应熔炼炉的节电也被企业重视 此外如提高铸件工艺出品率 降低铸件废品率也作为精铸企业节能降耗的重要措施 在环境保护方面过去是不被企业所重视的普遍问题 近几年来随着国家环保部门的严格管理 以及企业领导社会责任感的增强 不少企业开始采取积极有效的治理措施 主要有以下几方面 不锈钢精铸件碱暴 酸洗 钝化时所产生的废水中含有碱或酸以及重金属离子 如直接排放将破坏生态环境 宁波安德鲁公司 佛山强润公司 石家庄艾力格公司 蓬莱金创公司 江苏泰州金鼎公司均先后建立了水处理设备 使有害废水处理后循环使用 达到了零排放 精密铸造生产中每生产一吨精铸件大约会产生1 2吨左右废型壳 虽无毒害作用 但破坏绿化植背 同时也造成资源严重的浪费 泰州金鼎公司 石家庄艾力格公司将废型壳经破碎 筛分 除尘 磁选等再生处理后在背