stringtranslate.com

Литье по выплавляемым моделям

Впускно-выпускная крышка клапана атомной электростанции, изготовленная методом литья по выплавляемым моделям.

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» также может относиться к современным процессам литья по выплавляемым моделям.

Литье по выплавляемым моделям использовалось в различных формах в течение последних 5000 лет. В 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 его способность производить компоненты с точностью, повторяемостью, универсальностью и целостностью из различных металлов и высокопроизводительных сплавов.

Хрупкие восковые модели должны выдерживать силы, возникающие во время изготовления форм. Большую часть воска, используемого при литье по выплавляемым моделям, можно утилизировать и использовать повторно. [2] Литье по выплавляемым моделям — это современная форма литья по выплавляемым моделям, которая исключает определенные этапы процесса.

Литье по выплавляемым моделям названо так потому, что в ходе этого процесса модель покрывается (окружается) огнеупорным материалом для изготовления формы, а в форму заливается расплавленное вещество. Материалы, которые можно отливать, включают сплавы нержавеющей стали, латунь, алюминий, углеродистую сталь и стекло. Полость внутри огнеупорной формы представляет собой слегка увеличенную по размеру, но в остальном точную копию желаемой детали. Благодаря твердости используемых огнеупорных материалов литье по выплавляемым моделям позволяет производить изделия с исключительным качеством поверхности, что позволяет снизить потребность во вторичных машинных процессах. [3]

Литье по выплавляемым моделям из жидкого стекла и кремнезоля — два основных метода литья по выплавляемым моделям, которые используются в настоящее время. Основными отличиями являются шероховатость поверхности и стоимость отливки. Метод жидкого стекла депарафинизируется в высокотемпературную воду, а керамическая форма изготовлена ​​из кварцевого песка жидкого стекла. Метод кремнезоля депарафинизируется в мгновенном огне, а кремнезоль-цирконовый песок изготавливает керамическую форму. Метод золя кремнезема стоит дороже, но имеет лучшую поверхность, чем метод жидкого стекла. [4]

Этот процесс можно использовать как для небольших отливок весом 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 при больших объемах затраты на единицу продукции снижаются. Литье по выплавляемым моделям позволяет создавать сложные формы, которые были бы затруднительны или невозможны при использовании других методов литья. Он также может производить продукцию с исключительным качеством поверхности и низкими допусками с минимальной требуемой отделкой поверхности или механической обработкой.

Процесс

Восковой образец, использованный для создания лопаток турбины реактивного двигателя.

Отливки могут быть изготовлены по оригинальной восковой модели (прямой метод) или по восковым репликам оригинальной модели, которые не обязательно изготавливать из воска (непрямой метод). Следующие шаги описывают непрямой процесс, который может занять от двух до семи дней.

  1. Создайте мастер-выкройку : художник или изготовитель форм создает оригинальный узор из воска , глины , дерева , пластика или другого материала. [5] В последние годы стало популярным производство моделей с использованием 3D-печати моделей, созданных с помощью программного обеспечения для автоматизированного проектирования, с использованием в основном стереолитографии на основе смолы (SLA) или 3D-принтеров DLP для моделей с высоким разрешением или стандартной нити PLA при высоком уровне точности. не требуются. Если вы используете шаблон, напечатанный на 3D-принтере, переходите непосредственно к шагу 5.
  2. Создание формы . Форма , известная как мастер-матрица , изготавливается в соответствии с основным шаблоном. Если мастер-образец был изготовлен из стали, мастер-матрицу можно отлить непосредственно из шаблона, используя металл с более низкой температурой плавления. Резиновые формы также можно отливать непосредственно по мастер-выкройке. Альтернативно, мастер-матрицу можно изготовить независимо, без создания мастер-образца. [5]
  3. Изготовление восковых моделей : хотя они и называются восковыми моделями , материалы для моделей могут также включать пластик и замороженную ртуть . [5] Восковые модели можно создавать одним из двух способов. В ходе одного процесса воск заливают в форму и растирают до тех пор, пока ровный слой, 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 предполагает заполнение всей формы расплавленным воском и ее остывание как твердого объекта. [ нужна цитация ]
    Если требуется стержень, есть два варианта: растворимый воск или керамика. Сердцевины из растворимого воска предназначены для плавления паковочной массы с остальной частью восковой модели; Керамические стержни удаляются после затвердевания изделия. [5]
  4. Сборка восковых моделей : можно создать несколько восковых моделей и собрать их в одну большую модель для отливки за одну партию. В этой ситуации узоры прикрепляются к восковому литнику для создания кластера или дерева узоров. Для прикрепления узоров используется нагревательный инструмент, который слегка расплавляет обозначенные восковые поверхности, которые затем прижимают друг к другу и оставляют остывать и затвердевать. В дерево можно собрать до нескольких сотен узоров. [5] [6] Также можно вырезать восковые узоры , то есть линии разделения или выступы стираются с помощью нагретого металлического инструмента. Наконец, выкройки обрабатываются (путем удаления дефектов), чтобы они выглядели как готовые изделия. [7]
  5. Нанесение паковочных материалов . Керамическая форма, известная как паковочная масса , изготавливается путем повторения ряда этапов — нанесения покрытия, штукатурки и затвердевания — до тех пор, пока не будет достигнута желаемая толщина.
    1. Нанесение покрытия включает погружение кластера узоров в раствор мелкозернистого огнеупорного материала, а затем его осушение для создания однородного поверхностного покрытия. На этом первом этапе, также называемом грунтовкой , используются высококачественные материалы , чтобы сохранить мелкие детали от формы.
    2. При штукатурке крупные керамические частицы наносятся путем погружения рисунков в псевдоожиженный слой , помещения их в дождевую шлифовальную машину или нанесения материалов вручную.
    3. Закалка позволяет покрытиям затвердеть. Эти шаги повторяются до тех пор, пока паковочная масса не достигнет необходимой толщины — обычно от 5 до 15 мм (от 0,2 до 0,6 дюйма). Инвестиционные формы оставляют для полного высыхания, что может занять от 16 до 48 часов. Сушку можно ускорить, применяя вакуум или минимизируя влажность окружающей среды. Формы для паковочной массы также можно изготовить, поместив группы образцов в опоку , а затем вылив сверху жидкий паковочный материал. Затем опоку вибрируют, чтобы позволить захваченному воздуху выйти и помочь паковочной массе заполнить любые небольшие пустоты. [5] [8]
    4. Материалы : распространенными огнеупорными материалами, используемыми для создания паковок, являются: кремнезем, циркон, различные силикаты алюминия и оксид алюминия . Кремнезем обычно используется в форме плавленого кварца , но иногда используется кварц , поскольку он дешевле. Алюмосиликаты представляют собой смесь глинозема и кремнезема, причем обычно используемые смеси имеют содержание глинозема от 42 до 72%; при 72% оксида алюминия это соединение известно как муллит . При нанесении первичного покрытия обычно используются огнеупоры на основе циркона , поскольку цирконий с меньшей вероятностью вступит в реакцию с расплавленным металлом. [8] До кремнезема использовалась смесь гипса и измельченных старых форм ( шамота ). [9] Связующие вещества, используемые для удержания огнеупорного материала, включают: этилсиликат (на основе спирта и химически отверждаемый), коллоидный диоксид кремния (на водной основе, также известный как золь кремнезема, отверждаемый путем высыхания), силикат натрия и гибридный кремнезем. из них контролировали pH и вязкость .
  6. Удаление воска : после полного отверждения керамических форм их переворачивают и помещают в печь или автоклав для расплавления и/или испарения воска. Большинство отказов оболочки происходит именно на этом этапе, поскольку используемый воск имеет коэффициент теплового расширения , который намного превышает коэффициент теплового расширения 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 плавиться и быстро стекать, освобождая место для расширения остального воска. В определенных ситуациях перед нагревом в форме можно просверлить отверстия, чтобы уменьшить эти напряжения. Любой воск, вытекший из формы, обычно восстанавливают и используют повторно. [10]
  7. Предварительный нагрев для обжига : затем форма подвергается обжигу , при котором форма нагревается до температуры от 870 ° C до 1095 ° C для удаления влаги и остаточного воска, а также для спекания формы. Иногда этот нагрев также используется для предварительного нагрева формы перед заливкой, но в других случаях форме дают остыть, чтобы ее можно было протестировать. Предварительный нагрев позволяет металлу дольше оставаться жидким, что позволяет лучше заполнить все детали формы и повысить точность размеров. Если дать форме остыть, любые обнаруженные трещины можно заделать с помощью керамического раствора или специального цемента. [10] [11]
  8. Заливка : паковочную форму затем помещают открытой стороной вверх в ванну, наполненную песком. Металл можно разливать под действием силы тяжести или принудительно, применяя положительное давление воздуха или другие силы. Литье в вакууме , литье под наклоном , литье под давлением и центробежное литье — это методы, которые используют дополнительные силы и особенно полезны, когда формы содержат тонкие секции, которые в противном случае было бы трудно заполнить. [11]
  9. Дайвинг : оболочку забивают, подвергают пескоструйной очистке , вибрации , гидроабразивной обработке или химическому растворению (иногда с помощью жидкого азота ) для освобождения отливки. Литник отрезается и отправляется на переработку. Затем отливку можно очистить, чтобы удалить следы процесса литья, обычно путем шлифования . [11]
  10. Финишная обработка : После шлифования готовая отливка подлежит финишной обработке. Обычно это выходит за рамки шлифовки: примеси и негативы удаляются с помощью ручной обработки и сварки. В случае, если деталь нуждается в дополнительной правке, этот процесс обычно проводят на гидравлических правильных прессах, которые приводят изделие в соответствие с его допусками. [12]

Преимущества

Недостатки

Основным недостатком является общая стоимость, особенно при мелкосерийном производстве. Некоторые из причин высокой стоимости включают специализированное оборудование, дорогостоящие огнеупоры и связующие, большое количество операций по изготовлению формы, необходимость большого количества рабочей силы и случайные мелкие дефекты. Однако стоимость все равно ниже, чем при изготовлении той же детали путем механической обработки из прутка ; например, производство оружия перешло на литье по выплавляемым моделям, чтобы снизить затраты на производство пистолетов .

Кроме того:

Противогравитационное литье

Вариант техники гравитационной заливки заключается в заполнении формы с помощью вакуума. Распространенная форма этого процесса называется процессом Хитчинера в честь производственной компании Hitchiner, которая изобрела этот метод. В этом методе форма имеет нисходящую загрузочную трубку, которая опускается в расплав. Вакуум втягивает расплав в полость; когда важные детали затвердевают, вакуум сбрасывается, и неиспользованный материал покидает форму. Для этого метода можно использовать значительно меньше материала, чем для гравитационной заливки, поскольку литнику и некоторым литникам не требуется затвердевать. [17] [18]

Этот метод более эффективен по металлу, чем традиционная заливка, поскольку в литниковой системе затвердевает меньше материала. Гравитационная разливка дает выход металла только от 15 до 50% по сравнению с 60-95% при противогравитационной разливке. Также меньше турбулентности, поэтому литниковую систему можно упростить, поскольку ей не нужно контролировать турбулентность. Металл вытягивается из-под верхней части ванны, поэтому в нем нет окалины и шлака (которые имеют меньшую плотность (легче) и всплывают наверх ванны). Перепад давления помогает металлу проникать в каждую деталь формы. Наконец, можно использовать более низкие температуры, что улучшает структуру зерна. [17]

Этот процесс также используется для литья огнеупорной керамики под термином вакуумное литье . [19]

Литье в вакууме под давлением

Литье под давлением в вакууме ( VPC ), правильно называемое прямой заливкой с использованием вакуума , использует давление газа и вакуум для улучшения качества отливки и минимизации пористости . Обычно машины VPC состоят из верхней и нижней камер: верхней камеры или плавильной камеры, в которой находится тигель, и нижней литейной камеры, в которой находится муфельная форма. Обе камеры соединены небольшим отверстием с пробкой. В нижней камере создается вакуум, в верхней создается давление, а затем пробка удаляется. Это создает наибольший перепад давления для заполнения форм. [20] Наиболее распространенными материалами для процесса вакуумного литья являются сплавы с высоким содержанием никеля и суперсплавы. Изделия с турбокомпрессорами часто используются для этого процесса литья [21] , хотя он также регулярно используется при производстве серебряных и золотых украшений.

Подробности

Литье по выплавляемым моделям используется практически с любым литейным металлом. Однако наиболее распространенными являются алюминиевые сплавы, медные сплавы и сталь. При промышленном использовании пределы размера 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 последующего сантиметра (0,002 дюйма для каждого дополнительного дюйма). Стандартная чистота поверхности составляет 1,3–4 микрометра (50–125 мкдюйм) RMS. [13]

История

История литья по выплавляемым моделям насчитывает тысячи лет. [23] Его самое раннее использование было для идолов , украшений и ювелирных изделий , с использованием натурального пчелиного воска для узоров, глины для форм и мехов с ручным управлением для топки печей. Примеры были найдены по всему миру, например, в идолах Хараппской цивилизации (2500–2000 гг. до н. э.), гробницах Тутанхамона в Египте (1333–1324 гг. до н. э.), Месопотамии , ацтеков и майя в Мексике , а также в цивилизации Бенина в Африке , где В результате этого процесса были созданы детальные произведения искусства из меди, бронзы и золота. Безусловно, одно из первых выявленных применений процесса литья по выплавляемым моделям было замечено в предметах, найденных в «Пещере сокровищ», обнаруженной на юге Израиля. Эти предметы были идентифицированы как изготовленные около 3700 г. до н. э. с использованием методов датирования по углероду-14. [24]

Самый ранний известный текст, описывающий процесс литья по выплавляемым моделям (Schedula Diversarum Artium), был написан около 1100 года нашей эры 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 Ланци во Флоренции , Италия .

Литье по выплавляемым моделям вошло в употребление как современный промышленный процесс в конце 19 века, когда дантисты начали использовать его для изготовления коронок и вкладок, как описано Барнабасом Фредериком Филбруком из Каунсил-Блафс, штат Айова, в 1897 году. [25] Его использование было ускорено Уильямом. Х. Таггарт из Чикаго, чья статья 1907 года описала его разработку техники . Он также разработал состав восковой модели с превосходными свойствами, разработал паковочную массу и изобрел машину для литья под давлением.

В 1940-х годах Вторая мировая война увеличила спрос на производство точных сетчатых форм и специализированные сплавы , которым невозможно было придать форму традиционными методами или которые требовали слишком большой механической 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

Представление цельного титанового спутника космического автобуса компанией Planetary Resources в феврале 2014 года. Жертвенная форма для литья по выплавляемым моделям была напечатана на 3D-принтере со встроенной прокладкой кабеля и тороидальным топливным баком. Слева направо: Питер Диамандис , Крис Левицки и Стив Юрветсон .

Литье по выплавляемым моделям используется в аэрокосмической и энергетической промышленности для производства турбинных лопаток сложной формы или систем охлаждения. [13] Лопасти, изготовленные методом литья по выплавляемым моделям, могут включать монокристаллические (SX), направленно-затвердевшие (DS) или обычные равноосные лопатки.

Литье по выплавляемым моделям также широко используется производителями огнестрельного оружия для изготовления ствольных коробок, спусковых крючков, курков и других точных деталей по низкой цене. [ нужна цитата ]

Карстен Солхейм произвел революцию в дизайне клюшек для гольфа благодаря своей компании PING , впервые включив в нее литье по выплавляемым моделям для головок клюшек. [26] Этот процесс быстро стал отраслевым стандартом, позволяющим распределять вес по периметру головки клюшки.

Другие отрасли, в которых используются стандартные детали, отлитые по выплавляемым моделям, 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 начала использоваться для изготовления гораздо более крупных жертвенных форм, используемых при литье по выплавляемым моделям. Компания Planetary Resources использовала эту технику для печати формы для нового небольшого спутника , которую затем погружают в керамику, чтобы сформировать отливку для титанового космического автобуса со встроенным топливным баком и встроенной прокладкой кабеля.

Смотрите также

Рекомендации

Примечания

  1. ^ Описание процесса литья по выплавляемым моделям
  2. ^ Калпакджян и Шмид 2006.
  3. ^ Отливки по выплавляемым моделям
  4. ^ "Инвестиционный кастинг" . Проверено 10 октября 2017 г.
  5. ^ abcdef Дегармо, Black & Kohser 2003, стр. 317.
  6. ^ Справочник ASM, стр. 257.
  7. ^ Дворжак, Донна (май 2008 г.), «Не столь уж утраченное искусство литья по выплавляемым моделям», Медь в искусстве (13).
  8. ^ ab Справочник ASM, стр. 257–258.
  9. ^ Сиас 2006, стр. 13–14.
  10. ^ Справочник ab ASM, стр. 261–262.
  11. ^ abc Degarmo, Black & Kohser 2003, стр. 318.
  12. ^ «Руководство по процессу литья по выплавляемым моделям. Прецизионные отливки Texmo» . Прецизионные отливки Texmo . Проверено 27 февраля 2019 г.
  13. ^ abcdefg Дегармо, Black & Kohser 2003, стр. 319.
  14. ^ «Кастинг по инвестициям». Сила за гранью . Проверено 30 марта 2021 г.
  15. ^ «Минимизация энергопотребления и отходов в индустрии литья по выплавляемым моделям» (PDF) . Американский совет по энергоэффективной экономике . Проверено 30 марта 2021 г.
  16. ^ «Инвестиционный кастинг». Открытый университет . Проверено 30 марта 2021 г.
  17. ^ ab Degarmo, Black & Kohser 2003, стр. 319–320.
  18. ^ "Услуги литья против гравитации Хитчинера" ​​. Архивировано из оригинала 8 декабря 2015 г. Проверено 5 декабря 2015 г.
  19. ^ 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.
  20. ^ Машина для вакуумного литья под давлением VPC K2S , получено 3 марта 2010 г. .
  21. ^ «Литье из никелевого сплава».
  22. ^ "Подразделение инвестиций штата Висконсин". МеталТек . 30 октября 2014 г. Проверено 9 июня 2016 г.
  23. ^ «Долгая история литья по выплавляемым моделям. Более пяти тысяч лет искусства и мастерства - ITRI - Рынки олова, технологии и устойчивое развитие» . www.itri.co.uk. _ Проверено 9 июня 2016 г.
  24. ^ «Все, что вам нужно знать о литье по выплавляемым моделям» . www.deangroup-int.co.uk . Проверено 27 октября 2021 г.
  25. ^ Асгар К. (1988). «Литье металлов в стоматологии: прошлое – настоящее – будущее» (PDF) . Достижения в области стоматологических исследований . 1 (2): 33–43. дои : 10.1177/08959374880020011701. hdl : 2027.42/67759 . PMID  3073783. S2CID  17215227.
  26. ^ «Карстен Сольхейм навсегда изменил снаряжение для гольфа, и он изменил меня тоже». 6 февраля 2011 года . Проверено 3 февраля 2019 г.

Библиография

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с кастингом для инвестиций .