stringtranslate.com

Литье по выплавляемым моделям

Крышка входного-выходного отверстия клапана для 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» может также 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 для создания шаблонов, необходимых для процесса литья, использовался пчелиный воск. Сегодня для изготовления шаблонов 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. Значительная часть воска, используемого при литье по выплавляемым моделям, может быть восстановлена ​​и использована повторно. [2] Литье по выплавляемым моделям — это современная форма литья по выплавляемым моделям, которая исключает некоторые этапы процесса.

Литье по выплавляемым моделям так называется, потому что процесс инвестирует (окружает) модель огнеупорным материалом для создания формы, и расплавленное вещество заливается в форму. Материалы, которые можно отливать, включают сплавы нержавеющей стали, латунь, алюминий, углеродистую сталь и стекло. Полость внутри огнеупорной формы представляет собой слегка увеличенный, но в остальном точный дубликат желаемой детали. Благодаря твердости используемых огнеупорных материалов литье по выплавляемым моделям позволяет производить изделия с исключительными поверхностными качествами, что может снизить потребность во вторичных машинных процессах. [3]

Жидкое стекло и литье по выплавляемым моделям с использованием золя кремния являются двумя основными методами литья по выплавляемым моделям, которые в настоящее время используются. Главные различия заключаются в шероховатости поверхности и стоимости литья. Метод жидкого стекла депарафинизируется в высокотемпературной воде, а керамическая форма изготавливается из кварцевого песка жидкого стекла. Метод золя кремния депарафинизируется во вспышке пламени, а циркониевый песок с использованием золя кремния делает керамическую форму. Метод золя кремния 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. Однако он больше всего подходит для небольших деталей в больших объемах. [5] Он может быть дороже, чем литье под давлением или литье в песчаные формы , но себестоимость единицы продукции снижается при больших объемах. Литье по выплавляемым моделям позволяет производить сложные формы, которые было бы трудно или невозможно получить с помощью других методов литья. Он также позволяет производить изделия с исключительными качествами поверхности и низкими допусками с минимальной отделкой поверхности или требуемой механической обработкой.

Процесс

Восковая модель, используемая для создания лопатки турбины реактивного двигателя.

Отливки можно изготавливать с оригинальной восковой модели (прямой метод) или с восковых копий оригинальной модели, которые не обязательно должны быть сделаны из воска (косвенный метод). Следующие шаги описывают косвенный процесс, который может занять от двух до семи дней.

  1. Создание эталонного шаблона : художник или изготовитель форм создает оригинальный шаблон из воска , глины , дерева , пластика или другого материала. [6] В последние годы производство шаблонов с использованием 3D-печати моделей, созданных с помощью программного обеспечения для автоматизированного проектирования, стало популярным с использованием в основном стереолитографических (SLA) или DLP 3D-принтеров на основе смолы для шаблонов с высоким разрешением или стандартной нити PLA, когда не требуется высокая точность. Если используется шаблон, напечатанный на 3D-принтере, переходите сразу к шагу 5.
  2. Создание формы : форма , известная как мастер-штамп , изготавливается в соответствии с мастер-шаблоном. Если мастер-шаблон был изготовлен из стали, мастер-штамп можно отлить непосредственно из шаблона, используя металл с более низкой температурой плавления. Резиновые формы также можно отливать непосредственно из мастер-шаблона. В качестве альтернативы мастер-штамп можно обрабатывать независимо — без создания мастер-шаблона. [6]
  3. Изготовление восковых моделей : хотя они и называются восковыми моделями , материалы моделей могут также включать пластик и замороженную ртуть . [6] Восковые модели можно изготовить одним из двух способов. В одном процессе воск заливается в форму и размазывается 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 модели. Другой метод заключается в заполнении всей формы расплавленным воском и его охлаждении в виде твердого объекта. [ необходима цитата ]
    Если требуется стержень, есть два варианта: растворимый воск или керамика. Растворимые восковые стержни предназначены для выплавления литьевого покрытия вместе с остальной частью восковой модели; керамические стержни удаляются после затвердевания продукта. [6]
  4. Соберите восковые модели : несколько восковых моделей могут быть созданы и собраны в одну большую модель для литья за одну партию. В этой ситуации модели прикрепляются к восковому литнику для создания кластера моделей или дерева. Для прикрепления моделей нагревательный инструмент используется для легкого расплавления обозначенных восковых поверхностей, которые затем прижимаются друг к другу и оставляются для охлаждения и затвердевания. В дерево можно собрать до нескольких сотен моделей. [6] [7] Восковые модели также могут быть проштампованы , что означает, что линии разъема или выступы стираются с помощью нагретого металлического инструмента. Наконец, модели обрабатываются ( путем удаления дефектов), чтобы выглядеть как готовые изделия. [8]
  5. Нанесение паковочных материалов : керамическая форма, известная как паковочная масса , изготавливается путем повторения ряда этапов — нанесения покрытия, оштукатуривания и затвердевания — до тех пор, пока не будет достигнута желаемая толщина.
    1. Покрытие включает погружение кластера шаблона в суспензию тонкозернистого огнеупорного материала, а затем слив для создания равномерного покрытия поверхности. Тонкие материалы используются на этом первом этапе, также называемом грунтовкой , чтобы сохранить мелкие детали формы.
    2. Штукатурка наносится путем погружения грубых керамических частиц в псевдоожиженный слой , помещения его в дождевую шлифовальную машину или путем нанесения материалов вручную.
    3. Затвердевание позволяет покрытиям затвердеть. Эти шаги повторяются до тех пор, пока вложение не достигнет требуемой толщины — обычно от 5 до 15 мм (от 0,2 до 0,6 дюйма). Формы для вложения оставляются для полного высыхания, что может занять от 16 до 48 часов. Сушку можно ускорить, применив вакуум или минимизировав влажность окружающей среды. Формы для вложения также можно создать, поместив кластеры шаблонов в колбу , а затем вылив сверху жидкий вложение. Затем колбу вибрируют, чтобы выпустить захваченный воздух и помочь вложению заполнить любые небольшие пустоты. [6] [9]
    4. Материалы : распространенные огнеупорные материалы, используемые для создания шихты: кремнезем, циркон, различные алюмосиликаты и глинозем . Кремнезем обычно используется в форме плавленого кварца , но иногда используется кварц , потому что он менее дорогой. Алюмосиликаты представляют собой смесь глинозема и кремнезема, где обычно используемые смеси имеют содержание глинозема от 42 до 72%; при 72% глинозема соединение известно как муллит . Во время первичного(ых) слоя(ев) обычно используются огнеупоры на основе циркония , потому что цирконий менее склонен реагировать с расплавленным металлом. [9] До кремнезема использовалась смесь гипса и измельченных старых форм ( шамот ). [10] Связующие, используемые для удержания огнеупорного материала на месте, включают: этилсиликат (на спиртовой основе и химически отвержденный), коллоидный кремнезем (на водной основе, также известный как силикатный золь, отвержденный путем сушки), силикат натрия и их гибрид, контролируемый по pH и вязкости .
  6. Dewax : После того, как керамические формы полностью затвердеют, их переворачивают вверх дном и помещают в печь или автоклав для расплавления и/или испарения воска. Большинство разрушений оболочки происходит на этом этапе, поскольку используемые воски имеют коэффициент теплового расширения , который намного больше, чем у окружающего их паковочного материала — по мере нагрева воск расширяется и создает напряжение. Чтобы минимизировать эти напряжения, воск нагревают как можно быстрее, чтобы внешние поверхности воска могли быстро расплавиться и стечь, освобождая место для расширения остальной части воска. В определенных ситуациях перед нагреванием в форме могут быть просверлены отверстия, чтобы помочь уменьшить эти напряжения. Любой воск, который вытекает из формы, обычно восстанавливается и используется повторно. [11]
  7. Предварительный нагрев выжиганием : форма затем подвергается выжиганию , которое нагревает форму до температуры от 870 °C до 1095 °C для удаления влаги и остатков 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 испытать. Предварительный нагрев позволяет металлу оставаться жидким дольше, чтобы он мог лучше заполнить все детали формы и повысить точность размеров. Если форма остается остывать, любые обнаруженные трещины можно отремонтировать с помощью керамической суспензии или специальных цементов. [11] [12]
  8. Заливка : Затем литьевая форма открытой стороной вверх помещается в ванну, заполненную песком. Металл может быть залит самотеком или принудительно, путем применения положительного давления воздуха или других сил. Вакуумное литье , наклонное литье , 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. [12]
  9. Извлечение : оболочка подвергается ударам молотка, струйной обработке , вибрации , водоструйной очистке или химическому растворению (иногда с использованием жидкого азота ) для извлечения отливки. Литник отрезается и перерабатывается. Затем отливку можно очистить, чтобы удалить следы процесса литья, обычно шлифованием. [ 12 ]
  10. Отделка : После шлифовки готовая отливка затем подвергается отделке. Обычно это идет дальше шлифовки, при этом примеси и негативы удаляются с помощью ручного инструмента и сварки. В случае, если деталь нуждается в дополнительной правке, этот процесс обычно выполняется с помощью гидравлических правильных прессов, которые приводят изделие в соответствие с его допусками. [13]

Преимущества

Недостатки

Главным недостатком является общая стоимость, особенно для мелкосерийного производства. Некоторые из причин высокой стоимости включают специализированное оборудование, дорогостоящие огнеупоры и связующие, много операций по изготовлению формы, требуется много рабочей силы и иногда возникают мелкие дефекты. Тем не менее, стоимость все еще меньше, чем производство той же детали путем механической обработки из прутковой заготовки ; например, производство оружия перешло на литье по выплавляемым моделям, чтобы снизить затраты на производство пистолетов .

Кроме того:

Противогравитационное литье

Разновидностью метода гравитационной заливки является заполнение формы с помощью вакуума. Распространенная форма этого называется процессом Хитчинера по имени компании Hitchiner Manufacturing Company, которая изобрела этот метод. В этом методе форма имеет направленную вниз заливочную трубу, которая опускается в расплав. Вакуум втягивает расплав в полость; когда важные части затвердевают, вакуум сбрасывается, и неиспользованный материал покидает форму. Метод может использовать значительно меньше материала, чем гравитационная заливка, поскольку литник и некоторые литники не должны затвердевать. [18] [19]

Эта техника более эффективна с точки зрения металла, чем традиционная заливка, поскольку в литниковой системе затвердевает меньше материала. Гравитационная заливка имеет выход металла всего от 15 до 50% по сравнению с 60-95% при противогравитационной заливке. Также меньше турбулентности, поэтому литниковую систему можно упростить, поскольку ей не нужно контролировать турбулентность. Металл вытягивается из-под верхней части ванны, поэтому металл свободен от окалины и шлака (которые имеют меньшую плотность (легче) и всплывают наверх ванны). Перепад давления помогает металлу течь во все запутанные участки формы. Наконец, можно использовать более низкие температуры, что улучшает структуру зерна. [18]

Этот процесс также используется для литья огнеупорной керамики под термином вакуумное литье . [20]

Литье под вакуумным давлением

Литье под давлением в вакууме ( VPC ), правильно называемое вакуумной прямой заливкой , использует давление газа и вакуум для улучшения качества литья 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 литьевая форма. Обе камеры соединены через небольшое отверстие, содержащее пробку. Вакуум втягивается в нижнюю камеру, в то время как давление подается в верхнюю, а затем пробка удаляется. Это создает наибольший перепад давления для заполнения форм. [21] Наиболее распространенными материалами для процесса вакуумного литья являются сплавы на основе высокого никеля и суперсплавы. Турбокомпрессорные изделия являются обычным применением для этого процесса литья, [22] хотя он также регулярно используется в производстве серебряных и золотых ювелирных изделий.

Подробности

Литье по выплавляемым моделям используется практически с любым литейным металлом. Однако наиболее распространены алюминиевые сплавы, медные сплавы и сталь. В промышленном использовании пределы размеров составляют от 3 г (0,1 унции) до нескольких сотен килограммов. [23] 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 отделка поверхности составляет 1,3–4 микрометра (50–125 мкдюйм) RMS. [14]

История

История литья по выплавляемым моделям насчитывает тысячи лет. [24] Его самое раннее применение было для идолов , украшений и ювелирных изделий , с использованием натурального пчелиного воска для шаблонов, глины для форм и ручных мехов для раздувания 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 и цивилизации Бенин в Африке , где этот процесс производил подробные произведения искусства из меди, бронзы и золота. Безусловно, одно из самых ранних идентифицированных 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. [25]

Самый ранний известный текст, описывающий процесс литья по выплавляемым моделям (Schedula Diversarum Artium), был написан около 1100 г. н. э. Феофилом Пресвитером , монахом, который описал различные производственные процессы, включая рецепт пергамента . Этой книгой пользовался скульптор и ювелир Бенвенуто Челлини (1500–1571), который в своей автобиографии подробно описал процесс литья по выплавляемым моделям, который он использовал для скульптуры «Персей с головой Медузы» , которая находится в Лоджии Ланци во Флоренции , Италия .

Литье по выплавляемым моделям стало использоваться как современный промышленный процесс в конце 19 века, когда стоматологи начали использовать его для изготовления коронок и вкладок, как описал Барнабас Фредерик Филбрук из Каунсил-Блаффс, штат Айова, в 1897 году. [26] Его использование было ускорено Уильямом Х. Таггартом из Чикаго, чья статья 1907 года описала его разработку техники [ требуется ссылка ] . Он также разработал восковую модельную смесь с превосходными свойствами, разработал паковочный материал и изобрел машину для литья под давлением воздуха.

В 1940-х годах Вторая мировая война увеличила спрос на точное изготовление чистых форм 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 приложения, в которых использовались сложные металлические детали.

Приложения

Представление титанового интегрального космического спутника-автобуса компанией Planetary Resources в феврале 2014 года. Жертвенная форма для литья по выплавляемым моделям была напечатана на 3D-принтере с интегральной кабельной разводкой 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. [14] Лопатки, изготовленные методом литья по выплавляемым моделям, могут включать монокристаллические (SX), направленно-кристаллизованные (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. [ необходима ссылка ]

Карстен Солхейм произвел революцию в дизайне клюшек для гольфа с помощью своей компании PING , впервые применив литье по выплавляемым моделям для головок клюшек. [27] Вскоре этот процесс стал отраслевым стандартом, позволившим распределить вес по всему периметру головки клюшки.

К другим отраслям, в которых используются стандартные литые детали, относятся военная, аэрокосмическая, медицинская, ювелирная, авиационная, автомобильная и гольф-клубы, особенно с появлением технологии 3D-печати.

С ростом доступности 3D-принтеров с более высоким разрешением 3D-печать начала использоваться для изготовления гораздо более крупных жертвенных форм, используемых в литье по выплавляемым моделям. Компания Planetary Resources использовала эту технологию для печати формы для нового небольшого спутника , которую затем окунают в керамику для формирования выплавляемой модели для титанового космического автобуса со встроенным топливным баком и встроенной кабельной трассой.

Смотрите также

Ссылки

Примечания

  1. ^ Описание процесса литья по выплавляемым моделям
  2. ^ Калпакджян и Шмид 2006.
  3. ^ Литье по выплавляемым моделям
  4. ^ "Литье по выплавляемым моделям" . Получено 2017-10-10 .
  5. ^ "Что такое литье по выплавляемым моделям? - Процесс литья по выплавляемым моделям - Литье по выплавляемым моделям | Milwaukee Precision Casting". www.milwaukeeprec.com . Получено 16.10.2024 .
  6. ^ abcdef Дегармо, Блэк и Кошер 2003, стр. 317.
  7. ^ Справочник ASM, стр. 257.
  8. ↑ Дворжак, Донна (май 2008 г.), «Не так уж и утерянное искусство литья по выплавляемым моделям», Медь в искусстве (13), архивировано из оригинала 20 августа 2013 г. , извлечено 22 марта 2009 г..
  9. ^ ab Справочник ASM, стр. 257–258.
  10. ^ Сиас 2006, стр. 13–14.
  11. ^ ab Справочник ASM, стр. 261–262.
  12. ^ abc Degarmo, Black & Kohser 2003, стр. 318.
  13. ^ "Руководство по процессу литья по выплавляемым моделям. Texmo Precision Castings". Texmo Precision Castings . Получено 27.02.2019 .
  14. ^ abcdefg Дегармо, Black & Kohser 2003, стр. 319.
  15. ^ "Литье по выплавляемым моделям". Forcebeyond . Получено 30 марта 2021 г.
  16. ^ "Минимизация энергии и отходов в литьевой промышленности" (PDF) . Американский совет по энергоэффективной экономике . Получено 30 марта 2021 г.
  17. ^ "Инвестиционное литье". Открытый университет . Получено 30 марта 2021 г.
  18. ^ ab Degarmo, Black & Kohser 2003, стр. 319–320.
  19. ^ "Hitchiner's Countergravity Casting Services". Архивировано из оригинала 2015-12-08 . Получено 2015-12-05 .
  20. ^ Митчелл, Брайан С. (2004), Введение в материаловедение и науку для инженеров-химиков и материаловедов, Wiley-IEEE, стр. 725, ISBN 978-0-471-43623-2.
  21. ^ Машина для литья под вакуумным давлением VPC K2S , получено 03.03.2010 .
  22. ^ «Литье никелевых сплавов».
  23. ^ "Wisconsin Investcast Division". MetalTek . 2014-10-30 . Получено 2016-06-09 .
  24. ^ "Долгая история литья по выплавляемым моделям. Более пяти тысяч лет искусства и мастерства - ITRI - Рынки олова, технологии и устойчивое развитие". www.itri.co.uk . Получено 09.06.2016 .
  25. ^ "Все, что вам нужно знать о литье по выплавляемым моделям". www.deangroup-int.co.uk . Получено 27.10.2021 .
  26. ^ Асгар К (1988). «Литье металлов в стоматологии: прошлое - настоящее - будущее» (PDF) . Достижения в стоматологических исследованиях . 1 (2): 33–43. doi :10.1177/08959374880020011701. hdl : 2027.42/67759 . PMID  3073783. S2CID  17215227.
  27. ^ "Карстен Солхейм навсегда изменил снаряжение для гольфа, и он изменил меня тоже". 6 февраля 2011 г. Получено 3 февраля 2019 г.

Библиография

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Инвестиционное литье» .