Литье по выплавляемым моделям - это промышленный процесс, основанный на литье по выплавляемым моделям , одном из старейших известных методов обработки металлов давлением. [1] Термин «литье по выплавляемым моделям» может также относиться к современным процессам литья по выплавляемым моделям.
Литье по выплавляемым моделям использовалось в различных формах в течение последних 5000 лет. В своих самых ранних формах пчелиный воск использовался для формирования узоров, необходимых для процесса литья. Сегодня для изготовления узоров обычно используются более совершенные воски, огнеупорные материалы и специальные сплавы. Литье по выплавляемым моделям ценится за способность производить компоненты с точностью, воспроизводимостью, универсальностью и целостностью из различных металлов и сплавов с высокими эксплуатационными характеристиками.
Хрупкие восковые модели должны выдерживать нагрузки, возникающие при изготовлении формы. Большая часть воска, используемого при литье по выплавляемым моделям, может быть переработана и использована повторно. [2] Литье по выплавляемым моделям - это современная форма литья по выплавляемым моделям, исключающая определенные этапы процесса.
Литье по выплавляемым моделям названо так потому, что процесс покрывает (окружает) узор огнеупорным материалом для изготовления формы, а расплавленное вещество заливается в форму. Материалы, которые можно отливать, включают сплавы нержавеющей стали, латунь, алюминий, углеродистую сталь и стекло. Полость внутри огнеупорной формы является точной копией нужной детали. Благодаря твердости используемых тугоплавких материалов, литье по выплавляемым моделям позволяет производить изделия с исключительным качеством поверхности, что может снизить потребность во вторичных машинных процессах. [3]
В настоящее время жидкое стекло и литье по выплавляемым моделям из золя кремния являются двумя основными методами литья по выплавляемым моделям. Основные отличия - шероховатость поверхности и стоимость литья. Метод жидкого стекла депарафинируется в высокотемпературной воде, а керамическая форма изготавливается из жидкого кварцевого песка. Метод силикагеля депарафинирует в пламени, а циркониевый песок из силикагеля делает керамическую форму. Метод силикагеля стоит дороже, но имеет лучшую поверхность, чем метод жидкого стекла. [4]
Этот процесс можно использовать как для небольших отливок в несколько унций, так и для крупных отливок весом в несколько сотен фунтов. Это может быть дороже, чем литье под давлением или литье в песчаные формы , но удельные затраты снижаются при больших объемах. Литье по выплавляемым моделям может создавать сложные формы, которые были бы трудными или невозможными при использовании других методов литья. Он также может производить изделия с исключительным качеством поверхности и низкими допусками с минимальной обработкой поверхности или механической обработкой.
Процесс
Отливки могут быть изготовлены как по оригинальной восковой модели (прямой метод), так и по восковым копиям оригинального рисунка, которые необязательно делать из воска (непрямой метод). Следующие шаги описывают косвенный процесс, который может занять от двух до семи дней.
- Создание эталонного рисунка : художник или изготовитель форм создает оригинальный рисунок из воска , глины , дерева , пластика или другого материала. [5] В последние годы производство шаблонов с использованием 3D-печати стало популярным с использованием в основном SLA- или DLP-принтеров на основе смолы для шаблонов с высоким разрешением или стандартной нити PLA, когда не требуется высокий уровень точности. При использовании рисунка, напечатанного на 3D-принтере, перейдите непосредственно к шагу 5.
- Создание формы : форма , известная как эталонный штамп , изготавливается в соответствии с эталонным шаблоном. Если эталонный шаблон был изготовлен из стали, эталонный штамп можно отлить непосредственно из шаблона, используя металл с более низкой температурой плавления. Резиновые формы также можно отливать прямо по шаблону. В качестве альтернативы мастер-матрица может быть обработана независимо - без создания мастер-шаблона. [5]
- Изготовление восковых моделей : хотя они и называются восковыми моделями , материалы для выкройки также могут включать пластик и замороженную ртуть . [5] Восковые выкройки можно изготовить одним из двух способов. В одном процессе воск заливается в форму и перемешивается до тех пор, пока равномерное покрытие, обычно толщиной около 3 мм (0,12 дюйма) не покроет внутреннюю поверхность формы. Это повторяется до тех пор, пока не будет достигнута желаемая толщина рисунка. Другой метод заключается в том, чтобы заполнить всю форму расплавленным воском и дать ему остыть как твердый предмет. [ необходима цитата ]
Если требуется сердцевина, есть два варианта: растворимый воск или керамика. Растворимые восковые стержни предназначены для плавления паковочной массы вместе с остальной частью восковой модели; керамические стержни удаляются после затвердевания изделия. [5] - Сборка восковых моделей : можно создать несколько восковых моделей и собрать их в одну большую модель, которую можно отлить за один раз. В этой ситуации узоры прикрепляются к восковому литнику для создания кластера узоров или дерева. Чтобы прикрепить узоры, используется нагревательный инструмент, чтобы слегка расплавить обозначенные восковые поверхности, которые затем прижимаются друг к другу и оставляются для охлаждения и затвердевания. В дерево можно собрать до нескольких сотен выкроек. [5] [6] шаблоны Воск может также быть чеканка , что означает прощание линии или мелькания протерты с использованием инструмента нагретого металла. Наконец, выкройки обрабатываются (удаляя дефекты), чтобы они выглядели как готовые изделия. [7]
- Применить инвестиционные материалы : Керамическая плесень, известный как инвестиции , получают путем повторения серии этапов покрытия, Штукатурные и закалка-пока требуемая толщина не будет достигнута. Нанесение покрытия включает погружение кластера узора в суспензию мелкозернистого огнеупорного материала с последующим сливом для создания равномерного покрытия поверхности. На этом первом этапе, также называемом грунтовочным покрытием , используются тонкие материалы, чтобы защитить мелкие детали от формы. При штукатурке крупные керамические частицы наносятся путем погружения рисунков в псевдоожиженный слой , помещения его в шлифовальную машину для дождя или вручную. Затвердевание позволяет покрытиям затвердеть. Эти шаги повторяются до тех пор, пока паковочная масса не достигнет требуемой толщины - обычно от 5 до 15 мм (от 0,2 до 0,6 дюйма). Паковочные формы оставляют для полного высыхания, что может занять от 16 до 48 часов. Сушку можно ускорить, создав вакуум или минимизируя влажность окружающей среды. Формы для паковочной массы можно также создать, поместив узлы в колбу и затем вылив сверху жидкую паковочную массу. Затем колбу подвергают вибрации, чтобы позволить воздуху выйти и помочь паковочной массой заполнить небольшие пустоты. [5] [8] Обычными огнеупорными материалами, используемыми для создания паковочной массы, являются: диоксид кремния, циркон, различные силикаты алюминия и оксид алюминия. Кремнезем обычно используется в виде плавленого кварца , но иногда используется кварц, потому что он менее дорогой. Силикаты алюминия представляют собой смесь оксида алюминия и диоксида кремния, где обычно используемые смеси имеют содержание оксида алюминия от 42 до 72%; при 72% оксида алюминия соединение известно как муллит . Во время первичного покрытия (ов), циркон основанных огнеупоров широко используются, так как цирконий , менее вероятно, вступает в реакцию с расплавленным металлом. [8] До кремнезема использовалась смесь гипса и измельченных старых форм ( шамот ). [9] Связующие, используемые для удержания огнеупорного материала на месте, включают: этилсиликат (на спиртовой основе, химически отвержденный), коллоидный кремнезем (на водной основе, также известный как золь кремнезема, отверждаемый сушкой), силикат натрия и гибрид. из них контролируется по pH и вязкости .
- Депарафинизация : как только керамические формы полностью затвердеют, их переворачивают вверх дном и помещают в печь или автоклав для расплавления и / или испарения воска. Большинство отказов оболочки происходит в этот момент, потому что используемый парафин имеет коэффициент теплового расширения, который намного больше, чем у окружающей его паковочной массы - при нагревании воск расширяется и создает напряжение. Чтобы свести к минимуму эти напряжения, воск нагревают как можно быстрее, чтобы внешние поверхности воска могли быстро плавиться и стекать, оставляя пространство для расширения остальной части воска. В определенных ситуациях перед нагревом в форме можно просверлить отверстия, чтобы снизить эти напряжения. Любой воск, вытекший из формы, обычно восстанавливается и используется повторно. [10]
- Предварительный прогрев : форма затем подвергается выгоранию , при котором она нагревается до температуры от 870 ° C до 1095 ° C для удаления влаги и остаточного воска, а также для спекания формы. Иногда это нагревание также используется для предварительного нагрева формы перед заливкой, но в других случаях форме дают остыть, чтобы ее можно было проверить. Предварительный нагрев позволяет металлу дольше оставаться жидким, чтобы он лучше заполнял все детали формы и повышал точность размеров. Если дать форме остыть, любые найденные трещины можно заделать керамической жидкостью или специальными цементами. [10] [11]
- Заливка : Паковочную форму затем помещают открытой стороной вверх в ванну с песком. Металл можно заливать под действием силы тяжести или нагнетать за счет приложения избыточного давления воздуха или других сил. Вакуумное литье , наклонное литье , разливка под давлением и центробежное литье - это методы, которые используют дополнительные силы и особенно полезны, когда формы содержат тонкие секции, которые иначе было бы трудно заполнить. [11]
- Распаковка : Оболочка забиваются, средства массовых взорваны , вибрировали , waterjeted , или химически растворенный (иногда с жидким азотом ) , чтобы освободить отливки. Литник отрезается и перерабатывается. Затем отливку можно очистить, чтобы удалить следы процесса литья, обычно шлифованием . [11]
- Чистовая обработка : После шлифовки готовая отливка подлежит чистовой обработке. Обычно это идет дальше шлифования, при этом загрязнения и негативы удаляются с помощью ручного инструмента и сварки. В случае, если деталь требует дополнительной правки, этот процесс обычно выполняется с помощью гидравлических правильных прессов, которые приводят изделие в соответствие с его допусками. [12]
Паковочная форма для отливки ротора турбокомпрессора
Вид на внутреннюю отделку показывает гладкую поверхность и высокий уровень детализации.
Готовая заготовка
Преимущества
- Отличная обработка поверхности [13]
- Высокая точность размеров [13]
- Чрезвычайно сложные детали можно отливать [13]
- Практически любой металл можно отливать [13]
- Без проблесков и разделительных линий [13]
- Эффективное использование металла [14]
- Меньше экологических опасностей от литейного процесса [15]
Недостатки
Главный недостаток - общая стоимость, особенно для мелкосерийного производства. Некоторые из причин высокой стоимости включают специализированное оборудование, дорогостоящие огнеупоры и связующие, множество операций по изготовлению пресс-формы, необходимость в больших трудозатратах и случайные мелкие дефекты. Однако стоимость все же меньше, чем при производстве той же детали путем обработки из пруткового материала ; например, производство оружия перешло на литье по выплавляемым моделям, чтобы снизить затраты на производство пистолетов .
Кроме того:
- Отливать объекты, требующие ядра, может быть сложно.
- Этот процесс дорогостоящий, обычно ограничивается небольшим литьем и представляет некоторые трудности, когда задействованы сердечники.
- Отверстия не могут быть меньше 1/16 дюйма (1,6 мм) и не должны быть глубже примерно в 1,5 раза больше диаметра. [16]
- Отливки по выплавляемым моделям требуют более длительных производственных циклов по сравнению с другими процессами литья.
- На качество формы и отливки влияет множество факторов процесса, поэтому система управления качеством является сложной задачей.
Литье против силы тяжести
Вариант метода самотечной разливки заключается в заполнении формы с помощью вакуума. Распространенная форма этого процесса называется Hitchiner process в честь компании Hitchiner Manufacturing Company, которая изобрела эту технику. В этой технологии форма имеет наполняющуюся трубу, направленную вниз, которая опускается в расплав. Вакуум втягивает расплав в полость; когда важные детали затвердевают, вакуум сбрасывается, и неиспользованный материал покидает форму. В этом методе можно использовать значительно меньше материала, чем при заливке под действием силы тяжести, поскольку литник и некоторые литники не требуют затвердевания. [17] [18]
Этот метод более эффективен для металла, чем традиционная заливка, поскольку меньше материала затвердевает в литниковой системе. При самотечной разливке выход металла составляет от 15 до 50% по сравнению с 60-95% для противогравитационной разливки. Также имеется меньшая турбулентность, поэтому систему ворот можно упростить, поскольку она не должна контролировать турбулентность. Металл вытягивается снизу верхней части ванны, поэтому в нем нет шлака и шлака (которые имеют меньшую плотность (легче) и всплывают в верхнюю часть ванны). Перепад давления помогает металлу течь во все детали пресс-формы. Наконец, можно использовать более низкие температуры, что улучшает зернистую структуру. [17]
Этот процесс также используется для литья огнеупорной керамики под термином вакуумное литье . [19]
Литье под вакуумом
Вакуумное литье под давлением ( VPC ), правильное название которого - прямая разливка с использованием вакуума , использует давление газа и вакуум для улучшения качества литья и минимизации пористости . Обычно машины VPC состоят из верхней и нижней камеры - верхней камеры или плавильной камеры, в которой находится тигель, и нижней литейной камеры, в которой размещается форма для выплавляемых форм. Обе камеры соединены через небольшое отверстие с пробкой. В нижней камере создается вакуум, в верхней - давление, а затем снимается пробка. Это создает наибольший перепад давления для заполнения форм. [20] Наиболее распространенными материалами для процесса вакуумного литья являются сплавы на основе никеля и суперсплавы. Турбокомпрессоры - обычное применение для этого процесса литья [21], хотя он также регулярно используется при производстве серебряных и золотых ювелирных изделий.
Подробности
Литье по выплавляемым моделям используется практически с любым литым металлом. Однако наиболее распространены алюминиевые сплавы, медные сплавы и сталь. При промышленном использовании ограничения по размеру составляют от 3 г (0,1 унции) до нескольких сотен килограммов. [22] Пределы поперечного сечения составляют от 0,6 мм (0,024 дюйма) до 75 мм (3,0 дюйма). Типичные допуски составляют 0,1 мм для первых 25 мм (0,005 дюйма для первого дюйма) и 0,02 мм для каждого дополнительного сантиметра (0,002 дюйма для каждого дополнительного дюйма). Стандартная обработка поверхности составляет 1,3–4 мкм (50–125 мкдюймов) RMS. [13]
История
История выплавляемым восковым литья восходит тысячи лет. [23] Его самое раннее использование было для идолов , украшений и украшений , с использованием натурального пчелиного воска для узоров, глины для форм и ручных мехов для топки печей. Примеры были найдены по всему миру, например, в Harappan цивилизации (2500-2000 до н.э.) идолы, Египет Гробницы «s из Тутанхамона (1333-1324 до н.э.), Месопотамия , ацтеков и майя Мексики и Бенина цивилизации в Африке , где Процесс произвел подробные художественные работы из меди, бронзы и золота.
Самый ранний известный текст, описывающий процесс литья по выплавляемым моделям (Schedula Diversarum Artium), был написан около 1100 г. н.э. Теофилом Пресвитером , монахом, который описал различные производственные процессы, включая рецепт пергамента . Эту книгу использовал скульптор и ювелир Бенвенуто Челлини (1500–1571), который подробно описал в своей автобиографии процесс литья по выплавляемым моделям, который он использовал для скульптуры Персея с головой Медузы, которая стоит в Лоджии деи Ланци во Флоренции , Италия .
Прецизионное литье стало использоваться в качестве современного промышленного процесса в конце 19 - го века, когда стоматологи начали использовать его , чтобы сделать коронки и инкрустацию, как описано Варнава Фредериком Филбруком из Каунсил, штат Айова в 1897. [24] Его использование было ускорено Уильяма Х. Таггарт из Чикаго, чья статья 1907 года описывала его разработку техники [ необходима цитата ] . Он также создал состав для восковых моделей с превосходными свойствами, разработал паковочную массу и изобрел машину для литья под давлением.
В 1940-х годах Вторая мировая война увеличила спрос на производство прецизионных сеток и специализированных сплавов, которые нельзя было формовать традиционными методами или которые требовали слишком большой обработки. Промышленность обратилась к литью по выплавляемым моделям. После войны его использование распространилось на многие коммерческие и промышленные применения, в которых использовались сложные металлические детали.
Приложения
Литье по выплавляемым моделям используется в аэрокосмической промышленности и энергетике для производства лопаток турбин сложной формы или систем охлаждения. [13] Лезвия, изготовленные методом литья по выплавляемым моделям, могут включать монокристаллические (SX), направленные (DS) или обычные равноосные лезвия.
Литье по выплавляемым моделям также широко используется производителями огнестрельного оружия для изготовления приемников, спусковых крючков, курков и других прецизионных деталей по невысокой цене. [ необходима цитата ]
Карстен Сольхейм произвел революцию в дизайне клюшек для гольфа через свою компанию PING , впервые применив литье по выплавляемым моделям для клюшек. [25] Этот процесс быстро стал отраслевым стандартом, позволяющим распределять вес по периметру клюшки.
Другие отрасли, которые используют стандартные литые детали, включают военную, аэрокосмическую, медицинскую, ювелирную, авиационную, автомобильную и гольф-клубы, особенно с момента появления технологии 3D-печати.
С увеличением доступности 3D-принтеров с более высоким разрешением 3D- печать стала использоваться для изготовления расходных форм гораздо большего размера, используемых при литье по выплавляемым моделям. Компания Planetary Resources использовала эту технику для печати формы для нового небольшого спутника , которая затем погружалась в керамику, чтобы сформировать отливку для титанового космического автобуса со встроенным топливным баком и встроенной прокладкой кабеля.
Смотрите также
- Литье в полную форму
- Литье по потерянной пене
Рекомендации
Заметки
- ^ Описание процесса литья под давлением
- ^ Kalpakjian & Schmid 2006 .
- ^ Литье по выплавляемым моделям
- ^ "Литье по выплавляемым моделям" . Проверено 10 октября 2017 .
- ^ Б с д е е ДеГармо, Black & Kohser 2003 , стр. 317.
- ^ Справочник ASM , стр. 257.
- ^ Дворжак, Донна (май 2008 г.), «Не столь утерянное искусство литья по выплавляемой восковой модели» , Медь в искусстве (13).
- ^ a b Справочник по ASM , стр. 257–258.
- ^ Sias 2006 , стр. 13-14.
- ^ a b Справочник по ASM , стр. 261–262.
- ^ a b c Degarmo, Black & Kohser 2003 , стр. 318.
- ^ "Руководство по процессу литья по выплавляемым моделям. Прецизионные отливки Texmo" . Прецизионные отливки Texmo . Проверено 27 февраля 2019 .
- ^ a b c d e f g Degarmo, Black & Kohser 2003 , стр. 319.
- ^ «Литье по выплавляемым моделям» . Forcebeyond . Проверено 30 марта 2021 года .
- ^ «Энергия и минимизация отходов в индустрии литья по выплавляемым моделям» (PDF) . Американский совет по энергоэффективной экономике . Проверено 30 марта 2021 года .
- ^ «Литье по выплавляемым моделям» . Открытый университет . Проверено 30 марта 2021 года .
- ^ a b Degarmo, Black & Kohser 2003 , стр. 319–320.
- ^ «Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2015-12-08 . Проверено 5 декабря 2015 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ Митчелл, Брайан С. (2004), Введение в материаловедение и науку для инженеров-химиков и инженеров-материаловедов , Wiley-IEEE, стр. 725, ISBN 978-0-471-43623-2.
- ^ Машина для вакуумного литья под давлением VPC K2S , дата обращения 03.03.2010 .
- ^ «Литье из никелевых сплавов» .
- ^ «Подразделение Wisconsin Investcast» . MetalTek . 2014-10-30 . Проверено 9 июня 2016 .
- ^ «Долгая история литья по выплавляемым моделям. Более пяти тысяч лет искусства и мастерства - ITRI - Рынки олова, технологии и устойчивость» . www.itri.co.uk . Проверено 9 июня 2016 .
- ^ Аскар К. (1988). «Металлы литья в стоматологии: прошлое - настоящее - будущее» (PDF) . Достижения в стоматологических исследованиях . 1 (2): 33–43. DOI : 10.1177 / 08959374880020011701 . ЛВП : 2027,42 / 67759 . PMID 3073783 . S2CID 17215227 .
- ^ «Карстен Сольхейм навсегда изменил снаряжение для гольфа, и он изменил меня» . 6 февраля 2011 . Дата обращения 3 февраля 2019 .
Библиография
- Американское общество металлов; Международный справочный комитет ASM; Международный комитет по фазовой диаграмме сплавов ASM (1990), Справочник ASM: литье , 15 (10-е изд.), ASM International, ISBN 978-0-87170-021-6.
- Дегармо, Э. Пол; Black, J T .; Козер, Рональд А. (2003), Материалы и процессы в производстве (9-е изд.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
- Сиас, Фред Р. (2006), Литье по выплавляемым моделям: старые, новые и недорогие методы (иллюстрированный ред.), Woodsmere Press, ISBN 978-0-9679600-0-5.
- Калпакджян, Серопе; Шмид, Стивен (2006), Производство и технология (5-е изд.), Пирсон, ISBN 0-13-148965-8.
Внешние ссылки
- «Спектр возможностей литья по выплавляемым моделям: сплавы и руководство по проектированию PMI» (PDF) . Precision Metalsmiths, Inc. Архивировано из оригинального (PDF) от 19 февраля 2012 года . Проверено 23 февраля 2009 .
- Кевин Майклс (7 февраля 2019 г.). «Мнение: почему ахиллесовой пятке цепочки поставок 5000 лет» . Авиационная неделя и космические технологии .