国内外发展现状及发展趋势
1.1 国内发展现状及发展趋势
自1985年我国建成第一条消失模铸造试生产线后,90年代以来我国的消失模铸造技术研究进入鼎盛时期,21世纪以后我国的消失模铸造技术应用进入快速发展阶段。据不完全统计,2007年中国消失模铸件产量达到64.8万吨,2014年我国的消失模铸件产量约160万吨,我国消失模铸件的主要合金材料是铸铁。
与先进国家相比,我国消失模铸造产品的形状和品种基本类似,但复杂程度和质量水平差距较大。生产的铸件已从早期的磨球、衬板、曲轴、管状铸件逐步发展到较复杂的箱体、壳体、歧气管、缸体缸盖类铸件。在消失模铸造的合金种类上,铸铁件的消失模铸造生产技术在我国已基本成熟,铸钢件的消失模铸造技术在我国也基本掌握。但我国铝合金消失模铸件的产量还不到总产量的0.5%,铝合金消失模铸造与黑色金属的消失模铸造相比,不论从规模、技术、专用设备、自动化等方面都明显滞后。
在我国,铝合金消失模铸件受到一些缺陷(主要是针孔、缩松)的困扰,废品率居高不下,铝合金消失模铸件的生产较少;引进和自行制造的铝合金消失模铸造生产线还未发挥应有的作用,有的铝合金消失模铸造生产线甚至停产报废。
20世纪90年代,国内的高校及研究所,率先对铝合金消失模铸造技术进行了研究。但在解决铝合金消失模铸造存在的铸件气针孔、夹渣缺陷较多等关键技术难题上,与国际先进水平还存在一定的差距。铝合金消失模铸造在我国的大量应用仍有很长的路要走。
1.2 国外发展现状及发展趋势
欧美发达国家的消失模铸造技术应用,开始于20世纪70年代,快速增长期是20世纪90年代以后,目前已经进入快速增长后的成熟期。目前,国外消失模铸造技术研究及应用的重点是铝合金及镁合金消失模铸造技术与材料。
国外的铝合金消失模技术的大规模应用,开始于20世纪80—90年代,尤其在美国、德国等发达国家的汽车行业应用广泛。1985年,通用汽车公司在Massena建成第一条消失模铸造铝合金生产线,主要生产铝合金缸体、缸盖。1993年,德国宝马汽车公司开始建设一条年产20万个各种规格铝合金气缸盖的消失模生产线,成品率在90%以上,每天可生产1 500个铝合金气缸盖。英国的斯坦顿公司、意大利的Franco Tosi公司、法国雪铁龙的Charleville公司等,也先后建成了铝合金消失模铸造生产线。据报道,2009年美国的铝合金消失模铸件产量达到22万吨,但近年来美国的铝合金消失模铸件产量有下降趋势,新增的铝合金消失模铸造生产线不多。
总体上,西方发达国家的铝合金消失模铸造技术,在基础理论研究和实际生产应用上都领先于我国,特别是在泡沫模样材料、金属液充型和凝固过程以及消失模铸件缺陷控制等方面,有许多的先进技术值得我们借鉴。
日本的木村铸造所1982起采用数控设备加工泡沫塑料模样,1987年开发了用于实型铸造的CAD/CAM系统软件,主要生产模具毛坯、机床机架、小批量异形铸件等。近年来,该公司将数控高速加工机床应用于高质量泡沫模样加工,使它成为一种高质量快速铸造单件、小批量精密(中、大型)消失模铸件的重要方法。
1.3 国内外的差距
经过数十年的发展,美国、德国等消失模铸造技术先进国家,采用消失模铸造技术生产铸铁、铸钢、铝合金等材质零件的技术已较为成熟。我国消失模铸造技术的应用主要集中在铸铁和铸钢上,铝合金消失模铸造应用还相对较少。
1.4 问题分析与解决思路
目前我国消失模铸造生产存在的主要问题及其解决思路概括如下。
(1)消失模铸造工艺设计理论及过程准确模拟。除ProCAST软件中有消失模铸造模块外,我国还没有成熟好用的消失模铸造模拟软件。因此,有必要进行消失模铸造工艺设计理论基础研究,开发可实用的消失模铸造模拟软件。
(2)适用于铝(镁)合金消失模铸造的泡沫模样材料及特种工艺。必须从新的泡沫模样材料、涂料、特种工艺与装备等研发方面采取措施,来降低浇注温度、提高透气性、减少金属液与空气的接触时间等,以提高消失模铸造铝(镁)合金零件的内在质量。
(3)复杂铸件泡沫模样的散砂振动紧实理论、技术与装备。深入研究复杂铸件泡沫模样的散砂振动紧实理论,开发新型多维振动紧实装备是提升消失模铸造技术水平的先决条件。
(4)适于用不同金属消失模铸造的涂料。目前我国消失模铸造涂料的整体质量不高,研发适用于不同合金消失模铸造的高性价比的涂料,是我国消失模铸造技术进步的重要方向。
(5)泡沫塑料精确加工的高速加工方法与空心刀具。研发泡沫塑料精确加工的高速加工方法、装备与专用空心刀具,是采用消失模铸造方法快速铸造高品质的单件、小批量铸件的装备保障。
(6)适用于消失模铸造的零件结构、材料种类。有组织地研究、归类适用于消失模铸造的零件结构、材料种类等,对我国现阶段消失模铸造技术的推广应用与发展具有指导意义。
发展目标
以高质量、高精度、低成本地应用消失模铸造工艺生产各类金属零件(铸铁、铸钢、铸铝、铸镁、铸铜等)为发展目标,规范消失模铸造技术的应用范围(材质种类、零件种类),深入研究消失模铸造工艺设计理论,开发研究适于各类金属零件消失模铸造的泡沫材料、涂料、装备、特种工艺、模拟软件等,使我国消失模铸造的技术水平达到甚至超越发达国家的技术水平,以适应我国铸造技术强国的总体发展目标。
发展重点
3.1 技术路线
首先,要确定我国消失模铸造技术发展的重点领域。目前我国消失模铸造铸铁件,材料、工艺、设备均较成熟,变速箱体、耐磨件、电机壳体、水泵铸件、弯管零件、下水道井盖等已稳定生产;但铝合金及镁合金消失模铸造、低碳钢类消失模铸造、发动机缸盖等复杂铸件消失模铸造的成套技术,仍有较大的技术进步空间。铝合金、镁合金、低碳钢零件的消失模铸造,能稳定生产的铸件种类较少,涉及的材料、工艺及装备问题还没有很好地解决。
其次,需针对我国消失模铸造技术发展的重点领域,开展基础研究与技术攻关。例如,铝合金消失模铸造技术的应用。我国仍需要解决泡沫模样材料、涂料、特种铝合金消失模铸造工艺及装备等问题。
最后,应以具体铸件的消失模铸造稳定生产为目标,“产、学、研”相结合,使得我国消失模铸造技术应用有本质上的突破。例如:以发动机(铁质或铝质)缸体缸盖、双层水冷电机壳等铸件消失模铸造稳定生产为突破口,从工艺设计、过程模拟、材料、装备等方向入手,开展研究及技术攻关,全面彻底地解决面临的技术难题。
3.2 技术研究
针对我国消失模铸造技术应用发展存在的主要问题,应开展的技术研究内容包括:
(1)消失模铸造工艺设计理论与方法研究;
(2)消失模铸造过程模拟准确建模及软件技术开发研究;
(3)高强度低密度少含碳量泡沫模样材料及其发泡成形技术研究;
(4)复杂铝(镁)合金铸件的消失模精密铸造涂料技术研究;
(5)散砂粒多维振动充填紧实技术及装备研究;
(6)镁(铝)合金真空低压消失模铸造技术与装备系统研究;
(7)铝(镁)合金消失模铸造压力凝固关键技术与装备系统研究;
(8)泡沫模样数控高速加工装备及刀具技术研究;
(9)自动化预发及泡沫成型工艺与设备系统研究。
3.2.1 关键技术研究
(1)铝合金或镁合金特种消失模铸造技术及装备研究。解决铝合金消失模铸件存在大量针孔缺陷、气密性差等问题,解决镁合金消失模复杂铸件成形困难、氧化夹杂严重等问题。
(2)消失模铸造过程模拟准确建模及软件技术开发研究。解决消失模铸造过程模拟不准确、模拟软件缺乏问题。
(3)复杂铸件泡沫模样的(散砂)振动紧实理论、技术与装备研究。解决复杂铸件泡沫模样的(散砂)振动紧实困难问题。
(4)高强度、低密度、含碳量少的泡沫模样材料的开发及研究,从根本上解决消失模铸造长期以来存在的碳缺陷问题;
(5)泡沫模样数控高速加工装备及刀具技术研究。采用泡沫切削加工及消失模铸造技术,提高快速生产单件、小批量模具毛坯、机床机架、异形铸件的精度和表面质量。
3.2.2 共性技术研究
(1)消失模铸造工艺设计理论与共性技术;
(2)消失模铸造过程模拟软件技术研究;
(3)复杂铸件泡沫模样的(散砂)振动紧实理论与技术;
(4)适用于不同铸造合金消失模铸造(不同成形方法)的泡沫模样材料;
(5)适用于不同金属消失模铸造的涂料技术;
(6)泡沫塑料高速加工方法与空心刀具技术;
(7)自动化预发及泡沫成型工艺与设备系统。
重点项目
(1)铝合金或镁合金消失模特种铸造技术与装备。以生产高质量复杂铝合金汽车零件、复杂铝合金或镁合金航空铸件为目标,开发汽车发动机缸盖、缸体、歧气管、复杂箱体以及航空发动机机匣等复杂铝合金或镁合金铸件的消失模铸造成套技术、材料与装备。
(2)数控高速加工泡沫模样装备、材料及精确组装技术。以生产高质量模具毛坯、机床机架、单件(小批量)异形铸件为目标,采用数控高速加工机床(旋转速度大于10 000转/分钟)加工泡沫塑料模样,结合模样片精密测量组装和有粘结剂砂型铸造,开发所需的装备、材料及精确组装技术。
政策建议
建议政府、企业、学术单位开展“产学研”协作,有明确目的地针对具体的消失模铸造产品零件(如:铁合金、铝合金或镁合金的发动机缸体、缸盖、歧气管、双层水冷电机壳,复杂航空铝合金或镁合金机匣等)开展研究攻关,以解决所涉及的材料、工艺及装备技术等问题,使我国消失模铸造的技术、材料与装备水平有一个较大的提升。