專利名稱：一種復雜薄壁零件快速熔模鑄造方法
技術領域：
本發明屬于精密鑄造技術領域。具體是一種薄壁復雜零件快速熔模鑄造方法。是 一種基于聚苯乙烯泡沫塑料快速成形技術的薄壁復雜零件熔模鑄造方法。
背景技術：
熔模精密鑄造又稱失蠟法鑄造，是鑄造行業中的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 比其它鑄造方法要高，甚至其它鑄造方法難于成形的復雜、耐高溫、不易于加工的鑄件，均 可采用熔模精密鑄造。一般而言，熔模工藝流程是用易熔材料，例如蠟料制成可熔性模型(簡稱熔模或 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，然后將型殼置于砂箱中，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后，于其中澆注熔融金屬而得到鑄件。目前國內鑄造企業普遍采用金屬模具壓型獲得零件的蠟模，存在制模周期長、成 本昂貴、低溫蠟料制成的蠟模容易變形等問題。同時，在熔模鑄造的脫蠟工序中模殼型腔容 易掉入型砂，致使在澆注后出現鑄件產品落砂缺陷，鑄件的成品率低等缺陷。這些問題的存 在嚴重制約了熔模鑄造技術的發展。快速成型技術(RP)是近十年來迅速發展起來的一種新的成形技術，能夠快速將 CAD模型轉換成三維實體模型。目前有SLA光固化原型技術、FDM熔化沉積制造、SLS激光 選區燒結技術、LOM分層實體制造、ERP聚苯乙烯快速成形技術等系統。RP技術已成功地應 用于熔模鑄造生產中，各種RP技術能夠快速制造出熔模鑄造的“熔模”，從而省去金屬壓型 設計制造，縮短了生產周期。如FDM和SLS直接制造的蠟模，LOM的紙質熔模，SLA的樹脂 熔模以及ERP的泡沫塑料模均可以代替傳統蠟模，用于精密鑄造。其中，ERP制作的聚苯乙 烯泡沫塑料模樣具有尺寸精度高，制作成本低，焙燒氣化充分、殘余物少等優點，最適合替 代傳統蠟模作為熔模鑄造模樣。

發明內容
為了解決傳統熔模鑄造制殼工藝的復雜、生產周期長、材料繁雜、成本高和環境污 染的問題，本發明提供一種薄壁復雜零件快速熔模鑄造方法。該方法無需制造金屬模具壓 型，模樣成形效率高，精度好，生產周期短，特別適合于復雜形狀精密鑄件的中、小批量快速 制造以及新產品的試制。本發明采用的技術方案是一種復雜薄壁零件快速熔模鑄造方法，具體步驟是1)聚苯乙烯泡沫塑料模樣制備根據需要制備的零件進行造型設計出三維實體模型；然后選用剛度和強度較好的 密度> 26Kg/m3聚苯乙烯泡沫塑料板，采用聚苯乙烯快速成形設備制作出零件的泡沫塑料 模樣；
利用聚苯乙烯快速成形設備制作澆注系統。將泡沫塑料模型和澆注系統粘結在一 起組成熔模鑄造模樣；2)采用低溫滲蠟技術對聚苯乙烯泡沫塑料模樣進行表面處理；由于商品聚苯乙烯泡沫塑料板材均是由一個個聚苯乙烯珠粒二次發泡粘結形成， 泡沫塑料模表面必然存在網格狀發泡珠粒界面。這些微凸的界面使得泡沫塑料模樣表面粗 糙降低。如果不對這樣的熔模鑄造模樣表面處理，則會使鑄件表面光潔度達不到精密鑄造 質量要求。因此，為了增加零件表面光潔度，便于后續加工，需對已制備的泡沫塑料模樣進 行滲蠟處理。傳統滲蠟方法是將零件浸入熔融蠟液中，保溫一定時間來完成。但是由于快速 成形制備的泡沫塑料模樣強度較低，蠟液溫度過高時泡沫塑料模樣易收縮變形，影響后續 熔模鑄造加工精度。因此，必須降低滲蠟的溫度保證熔模的完整性，考慮到蠟的熔點很低 (60°C左右)，遠低于水的沸點和聚苯乙烯泡沫塑料的收縮溫度(120°C左右)，而且蠟不溶 于水，故本發明采用一種新表面滲蠟工藝，具體工藝步驟為①先將工業用蠟和一定比例的 水同時放入加熱容器中；②將水加熱到80 90°C，使蠟完全溶化并浮于水面；③將泡沫塑 料熔模模樣表面浸蠟，然后將其放置在10 40°C的通風環境下自然干燥。通過上述表面處 理，即增加了泡沫塑料模樣的表面光潔度，又增加了模型強度，為后續制殼工序帶來便利。3)制殼在聚苯乙烯泡沫塑料模樣上涂掛多層高固相、低粘度耐火漿料，以獲得 堅固的耐火熔模型殼。本發明的耐火漿料由耐火材料、水玻璃粘結劑混和而成，從內層漿料 到外層漿料，耐火材料中砂粒從70目到20目、粉料從270目到200目逐層變化。總的來說， 面層粒度要細、加固層則采用較粗的粒度以提高型殼的透氣性和退讓性。每層固相體積分 數不小于漿料體積的60%，總涂掛六層，型殼厚度達8mm左右。模組上每層涂漿料需充分干燥硬化后再涂掛下一層。面層采用自然干燥，干燥時 間大于lh ；后續各層采用化學硬化方法，將已涂掛耐火漿料的模組浸入氯化銨水溶液中， 使氯化銨與水玻璃粘結劑中的Na20發生化學反應，促使了水玻璃的膠凝，其反應為Na20. mSi02+2NH4Cl+nH20 = mSi02. (n_l) H20+2NaCl+2NH40H。4)焙燒待熔模型殼干燥硬化后，將其放入焙燒爐中，以50°C /h的升溫速度自室 溫升至150°C，再以200°C/h的升溫速度自150°C升至850°C，在850°C保溫2小時。經焙燒 后，不僅聚苯乙烯泡沫塑料模組被完全氣化，而且型殼中的水分、殘留蠟料、NH4C1及鹽分等 也被除去，進一步提高了型殼的強度和透氣性。5)精密鑄造成形澆注液態金屬，待冷卻后，得到最終的精密鑄件。本發明的聚苯乙烯泡沫塑料模組中在鑄造模樣末端預留一敞開型冒口，在型殼焙 燒冷卻后，通過此冒口引入壓縮空氣將熔模型腔內殘渣清除；耐火漿料中的粒料為電熔剛 玉、氧化硅、石英砂、氧化鋯或莫來石中的一種或一種以上的按任意比量的混合物，粉料主 要成分為石英粉。本發明利用聚苯乙烯快速成形技術制作出復雜形狀的薄壁聚苯乙烯泡沫塑料熔 模鑄造模樣和澆注系統，通過表面低溫滲蠟工藝改進鑄造模樣的表面質量，再在經過表面 處理后的泡沫塑料模組多次掛漿制的熔模型殼，在高溫下焙燒使泡沫塑料完全氣化，最后 澆注金屬得到精密鑄件。有益效果是本發明與傳統熔模鑄造方法比較，無需金屬壓型模具就可實現復雜
4形狀熔模的制備，同時省略了脫蠟工序，縮短了精密鑄件的生產周期，降低了生產成本，減 輕了工人的勞動強度。


圖1是本發明的工藝流程；圖2是復雜薄壁零件的主視3是圖2的側視圖；圖4是復雜薄壁零件的泡沫塑料模組圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。如圖1所示，本發明的工藝過程是利用聚苯乙烯快速成形技術制作出復雜形狀 的薄壁聚苯乙烯泡沫塑料熔模鑄造模樣和澆注系統，通過表面低溫滲蠟工藝改進鑄造模樣 的表面質量，再在經過表面處理后的泡沫塑料模組多次掛漿制的熔模型殼，在高溫下焙燒 使泡沫塑料完全氣化，最后澆注金屬得到精密鑄件。實施例是高速列車頭部的復雜曲面薄壁夾層零件。參照圖2和圖3所示的高速列車頭部的復雜曲面薄壁夾層結構，由于該零件具有 復雜曲面結構，且其最厚壁厚為3mm，其金屬壓型模具很難設計，因此制造比較困難。而利用 本發明中提出的工藝方法則能很好解決這一問題。具體實施步驟如下1)制備泡沫塑料模組應用三維造型軟件Pro/E對圖2和圖3所示的零件造型， 然后利用聚苯乙烯快速成形設備制作出零件的泡沫塑料模型；利用聚苯乙烯快速成形設備制作出澆注系統的泡沫塑料模型；將零件和澆注系統的泡沫塑料模型粘結形成圖4所示的熔模鑄造模組。2)表面處理采用表面滲蠟工藝進行表面處理。將已獲得的熔模鑄造模組在80 90°C的低溫蠟液中浸涂3次，每次間隔5分鐘，使得蠟液能夠均勻涂敷在泡沫塑料模組表具體工藝步驟為①先將工業用蠟和一定比例的水同時放入加熱容器中；②將水 加熱到80 90°C，使蠟完全溶化并浮于水面；③將泡沫塑料熔模模樣表面浸蠟3次，每次 間隔5分鐘，然后將其放置在10 40°C的通風環境下自然干燥。通過上述表面處理，即增 加了泡沫塑料模樣的表面光潔度，又增加了模型強度，為后續制殼工序帶來便利。3)制殼在泡沫塑料模組表面依次涂掛6層高固相、低粘度耐火漿料，面層主要由 耐火粉料和粘結劑組成，其它各層依次增加耐火粒料、減少耐火粉料，但總體耐火材料的固 相體積分數保持在60%以上。低粘度耐火漿料由耐火材料、水玻璃粘結劑混和而成，從內層漿料到外層漿料，耐 火材料中砂粒從70目到20目、粉料從270目到200目逐層變化。面層粒度細、加固層則采 用較粗的粒度以提高型殼的透氣性和退讓性。每層固相體積分數不小于漿料體積的60%， 型殼厚度達8mm。模組上每層涂漿料需充分干燥硬化后再涂掛下一層。面層采用自然干燥， 干燥時間大于lh ；后續各層采用化學硬化方法，將已涂掛耐火漿料的模組浸入氯化銨水溶 液中，使氯化銨與水玻璃粘結劑中的Na20發生化學反應，促使了水玻璃的膠凝，
4)焙燒待熔模型殼干燥硬化后，將其放入焙燒爐中，以50°C /h的升溫速度自室 溫升至150°C，再以200°C /h的升溫速度自150°C升至850°C，在850°C保溫2小時，使泡沫 塑料模組完全氣化，并除去型殼中的水分、殘留蠟料、NH4C1及鹽分等。型殼隨爐冷卻后，從 敞開冒口處引入壓縮空氣，清除熔模型腔內殘渣。5)精密鑄造成形將已獲得的熔模型殼預熱到300°C，澆注A356. 0鋁合金，待冷卻后，得到復雜薄壁 鋁合金鑄件。
權利要求
一種復雜薄壁零件快速熔模鑄造方法，其特征在于具體步驟是1)聚苯乙烯泡沫塑料鑄造模樣制備；根據需要制備的零件進行造型設計出三維實體模型；然后選用剛度和強度較好的密度＞26Kg/m3聚苯乙烯泡沫塑料板，采用聚苯乙烯快速成形設備制作出零件的泡沫塑料模樣；2)采用低溫滲蠟技術對聚苯乙烯泡沫塑料模樣進行表面處理；3)制殼在聚苯乙烯泡沫塑料模樣上涂掛多層高固相低粘度耐火漿料，獲得堅固的耐火熔模型殼；4)焙燒待熔模型殼干燥硬化后，將其放入焙燒爐中，以50℃/h的升溫速度自室溫升至150℃，再以200℃/h的升溫速度自150℃升至850℃，在850℃保溫2小時；經焙燒后，聚苯乙烯泡沫塑料模組被完全氣化；5)精密鑄造成形。
2.根據權利要求1所述的復雜薄壁零件快速熔模鑄造方法，其特征在于在所述的鑄 造模樣末端預留一敞開型冒口，在型殼焙燒冷卻后，通過此冒口引入壓縮空氣將熔模型腔 內殘渣清除。
3.根據權利要求1所述的一種復雜薄壁零件快速熔模鑄造方法，其特征在于所述的 型殼厚度達8mm左右。
4.根據權利要求1所述的一種復雜薄壁零件快速熔模鑄造方法，其特征在于所述 的低溫滲蠟工藝是①先將工業用蠟和一定比例的水同時放入加熱容器中；②將水加熱到 80 90°C，使蠟完全溶化并浮于水面；③將泡沫塑料熔模模樣表面浸蠟，然后將其放置在 10 40°C的通風環境下自然干燥。
5.根據權利要求1所述的一種復雜薄壁零件快速熔模鑄造方法，其特征在于所述的 制殼的高固相低溫耐火漿料由耐火材料、水玻璃粘結劑混和而成；從內層漿料到外層漿料， 耐火材料中砂粒從70目到20目、粉料從270目到200目逐層變化，面層粒度細、加固層則采 用較粗的粒度以提高型殼的透氣性和退讓性，每層固相體積分數不小于漿料體積的60%， 總涂掛六層，型殼厚度8mm左右。
6.根據權利要求1或5所述的一種復雜薄壁零件快速熔模鑄造方法，其特征在于所 述的涂掛多層耐火漿料的方法是每層涂漿料需干燥硬化后再涂掛下一層，面層采用自然 干燥，干燥時間大于lh ；后續各層采用化學硬化方法，將已涂掛耐火漿料的模組浸入氯化 銨水溶液中，使氯化銨與水玻璃粘結劑中的Na20發生化學反應，促使水玻璃膠凝。
全文摘要
本發明公開了一種薄壁復雜零件快速熔模鑄造方法。屬精密鑄造技術領域。該方法利用聚苯乙烯快速成形技術制作出復雜形狀的薄壁聚苯乙烯泡沫塑料熔模鑄造模樣和澆注系統，通過表面低溫滲蠟工藝改進鑄造模樣的表面質量，再在經過表面處理后的泡沫塑料模組多次掛漿制的熔模型殼，在高溫下焙燒使泡沫塑料完全氣化，最后澆注金屬得到精密鑄件。本發明與傳統熔模鑄造方法比較，具有無需制造金屬模具壓型，鑄件成形效率高，精度好，生產周期短的優點，特別適合于復雜形狀精密鑄件的中、小批量快速制造以及新產品的試制。
文檔編號B22C9/04GK101862811SQ201010111620
公開日2010年10月20日 申請日期2010年2月9日 優先權日2010年2月9日
發明者孫琨, 岑啟宏, 方亮, 王治國, 鮑崇高, 齊笑冰 申請人:徐州勝海機械制造科技有限公司