Литье по выплавляемым моделям - Investment casting

Для литья по выплавляемым моделям в искусстве см. Литье по выплавляемой восковой модели.
Приемно-выпускная крышка клапана для атомной электростанции, изготовленная методом литья по выплавляемым моделям

Литье по выплавляемым моделям это промышленный процесс, основанный на литье по выплавляемым моделям, один 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 более совершенные воски, огнеупорные материалы а для изготовления узоров обычно используются специальные сплавы. Литье по выплавляемым моделям ценится за способность производить компоненты с точностью, воспроизводимостью, универсальностью и целостностью из различных металлов и высокопроизводительных сплавов.

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 потере пены это современная форма литья по выплавляемым моделям, исключающая определенные этапы процесса.

Литье по выплавляемым моделям получило свое название от модели вложил (окружены) огнеупорным материалом. Многие материалы подходят для литья по выплавляемым моделям; примерами являются сплавы нержавеющей стали, латунь, алюминий, углеродистая сталь и стекло. Материал заливают в полость в огнеупорный материал, который является точной копией нужной части. Из-за твердости используемых огнеупорных материалов, литье по выплавляемым моделям позволяет производить изделия с исключительным качеством поверхности, что может снизить потребность во вторичных машинных процессах.[3]

Стакан воды и золь кремнезема Литье по выплавляемым моделям в настоящее время является 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 же литье в песок, 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

Восковой узор, использованный для создания лопатки турбины реактивного двигателя

Отливки могут быть изготовлены как по оригинальной восковой модели (прямой метод), так и по восковым копиям оригинального рисунка, не обязательно из воска (косвенный метод). Следующие шаги описывают косвенный процесс, который может занять от двух до семи дней.

  1. Изготовить основной узор: Художник или изготовитель форм создает оригинальный узор из воск, глина, дерево, пластик, или другой материал.[5] В последние годы изготовление выкройки с использованием 3D печать стал популярным, когда используются SLA- или DLP-принтеры на основе смолы для узоров с высоким разрешением или стандартные нити PLA, когда не требуется высокий уровень точности. При использовании рисунка, напечатанного на 3D-принтере, переходите непосредственно к шагу 5.
  2. Создать форму: А плесень, известный как мастер умереть, выполнен по шаблону. Если эталонный шаблон был изготовлен из стали, эталонный штамп можно отлить непосредственно из шаблона, используя металл с более низкой температурой плавления. Резинка формы также можно отливать прямо по шаблону. В качестве альтернативы мастер-штамп может быть обработан независимо - без создания мастер-шаблона.[5]
  3. Изготовление восковых моделей: Хотя называется восковые модели, материалы для выкройки также могут включать пластик и замороженные Меркурий.[5] Восковые выкройки можно изготовить одним из двух способов. В одном процессе воск заливается в форму и полируется 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 объект.[нужна 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 застывания изделия.[5]
  4. Собираем восковые выкройки: Несколько восковых моделей могут быть созданы и собраны в одну большую модель для отливки за одну порционную заливку. В этой ситуации выкройки крепятся на воск. литник для создания кластера паттернов, или дерево. Для прикрепления узоров используется нагревательный инструмент, который слегка расплавляет обозначенные восковые поверхности, которые затем прижимаются друг к другу и оставляются для охлаждения и затвердевания. В дерево можно собрать до нескольких сотен шаблонов.[5][6] Восковые выкройки также можно преследовали, что значит линии разъема или же вспышки протираются нагретым металлическим инструментом. Наконец, шаблоны одетый (удалив недостатки), чтобы они выглядели как готовые изделия.[7]
  5. Нанесите паковочные материалы: Керамическая форма, известная как вложение, производится путем повторения ряда этапов - нанесения покрытия, штукатурки и закалки - до достижения желаемой толщины. Покрытие включает в себя погружение шаблона кластера в суспензию тонкого огнеупорного материала, а затем слив, чтобы создать равномерное покрытие поверхности. На этом первом этапе используются высококачественные материалы, также называемые грунтовка, чтобы уберечь мелкие детали от формы. Штукатурка наносит крупные керамические частицы путем окунания узоров в псевдоожиженный слой, поместив его в дождевальную шлифовальную машину, или нанеся материалы вручную. 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). Паковочные формы оставляют для полного высыхания, что может занять от 16 до 48 часов. Сушку можно ускорить, создав вакуум или минимизируя влажность окружающей среды. Паковочные формы также можно создать, поместив группы выкройки в фляга а затем заливку сверху жидкой паковочной массы. Затем колбу подвергают вибрации, чтобы позволить воздуху выйти и помочь паковочной массой заполнить небольшие пустоты.[5][8] Общий огнеупорный материалы, использованные для создания паковок: кремнезем, циркон, различные силикаты алюминия, и оксид алюминия. Кремнезем обычно используется в плавленый кварц форма, но иногда кварц используется, потому что он дешевле. 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 слоя (ов), циркон огнеупоры на основе обычно используются, потому что цирконий менее вероятно, будет реагировать с расплавленным металлом.[8] До кремнезема смесь штукатурки и измельченных старых форм (шамот ) использовался.[9] Связующие вещества, используемые для хранения огнеупорного материала на месте включают в себя: этилсиликат (на спиртовой основе и химически отвержденный), коллоидный кремнезем (на водной основе, также известный как золь кремниевой кислоты, затвердевающий при сушке), силикат натрия, и их гибрид, контролируемый для pH и вязкость.
  6. Депарафинизация: После полного отверждения керамические формы переворачивают вверх дном и помещают в печь или же автоклав чтобы расплавить и / или испарить воск. Большинство отказов оболочки происходит в этот момент, потому что используемые парафины имеют коэффициент теплового расширения это намного больше, чем окружающий его паковочный материал - 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, оставляя место для расширения остальной части воска. В определенных ситуациях перед нагревом в пресс-форме можно просверлить отверстия, чтобы уменьшить эти напряжения. Любой воск, вытекший из формы, обычно восстанавливается и используется повторно.[10]
  7. Прогрев предварительного нагрева: Затем форма подвергается Выгореть, который нагревает форму до температуры от 870 ° C до 1095 ° C для удаления влаги и остатков воска, а также для спекать плесень. 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, что позволяет лучше заполнить все детали формы и повысить точность размеров. Если дать форме остыть, любые найденные трещины можно заделать керамической жидкостью или специальными цементами.[10][11]
  8. Заливка: Паковочная форма затем помещается 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, заливка под давлением и центробежное литье - это методы, в которых используются дополнительные силы, и они особенно полезны, когда формы содержат тонкие части, которые иначе было бы трудно заполнить.[11]
  9. Распродажа: Снаряд забит, СМИ взорвали, вибрировал, водоструйный, или химически растворены (иногда с жидкий азот ) освободить отливку. Литник отрезается и перерабатывается. Затем отливку можно очистить, чтобы удалить следы процесса литья, обычно шлифование.[11]
  10. Отделка: Готовая отливка после шлифовки подлежит чистовой обработке. Обычно это идет дальше, чем шлифование, при этом загрязнения 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.[12]

  • Паковочная форма для литья турбокомпрессор ротор

  • Вид на внутреннюю отделку показывает гладкую поверхность и высокий уровень детализации.

  • Готовая заготовка

Преимущества

  • Отличная обработка поверхности[13]
  • Высокая точность размеров[13]
  • Отливка очень сложных деталей[13]
  • Отливать можно практически любой металл[13]
  • Никаких проблесков и разделительных линий[13]

Недостатки

Главный недостаток - это 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 равно меньше, чем при производстве той же детали путем механической обработки из Пруток; например, производство оружия перешло на литье по выплавляемым моделям, чтобы снизить затраты на производство пистолеты.

Кроме того:

  • Отливать объекты, требующие ядра, может быть сложно.
  • Этот процесс дорогостоящий, обычно ограничивается небольшим литьем и представляет некоторые трудности при использовании сердечников.
  • Отверстия не могут быть меньше 1/16 дюйма (1,6 мм) и не должны быть глубже примерно в 1,5 раза больше диаметра.[нужна цитата ]
  • Отливки по выплавляемым моделям требуют более длительных производственных циклов по сравнению с другими процессами литья.

Противогравитационное литье

Вариант метода самотечной заливки заключается в заполнении формы с помощью вакуума. Обычная форма этого называется Автостопщик после того, как компания Hitchiner Manufacturing Company изобрела эту технику. В этом методе 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 гравитационной заливке, поскольку литник и некоторые литники не требуют затвердевания.[14][15]

Этот метод более эффективен для металла, чем традиционная заливка, поскольку меньше материала затвердевает в литниковой системе. При разливке под действием силы тяжести выход металла составляет от 15 до 50% по сравнению с 60-95% при разливке противодавления. Кроме того, меньше турбулентность, поэтому систему ворот можно упростить, поскольку она не должна контролировать турбулентность. Металл вытягивается снизу верхней части ванны, поэтому в нем нет окалины 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 структуру зерна.[14]

Этот процесс также используется для литья огнеупорных материалов. керамика под термином вакуумное литье.[16]

Литье под вакуумом

Литье под вакуумом (VPC), правильно именуемого вакуумная помощь прямая заливка, использует давление газа и вакуум для улучшения качества отливки и минимизации пористость. 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.[17] Самые распространенные материалы для процесс вакуумного литья сплавы на основе никеля и суперсплавы. Продукты с турбонаддувом являются обычным применением для этого процесса литья,[18] хотя он также регулярно используется при производстве серебряных и золотых украшений.

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.[19] Пределы поперечного сечения составляют от 0,6 мм (0,024 дюйма) до 75 мм (3,0 дюйма). Типичный 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

В история литья по выплавляемым моделям насчитывает тысячи лет.[20] Его первое использование было для идолы, украшения и украшения, используя натуральные пчелиный воск для выкройки, глина для форм и ручное управление мехи для топочных печей. Примеры были найдены по всему миру, например, в Хараппан Идолы цивилизации (2500–2000 до н.э.), Египет могилы Тутанхамон (1333–1324 гг. До н.э.), Месопотамия, Ацтеков и майя Мексика, а Бенин цивилизация в Африка где производились 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. Теофил пресвитер, монах, описавший различные производственные процессы, в том числе рецепт пергамент. Этой книгой пользовались скульптор и ювелир. Бенвенуто Челлини (1500–1571), который подробно описал в своей автобиографии процесс литья по выплавляемым моделям, который он использовал для Персей с головой Медузы скульптура, стоящая в Лоджия деи Ланци в Флоренция, Италия.

Литье по выплавляемым моделям стало использоваться как современный производственный процесс в конце 19 века, когда стоматологи начали использовать его для изготовления коронок и вкладок, как описал Варнава Фредерик Филбрук из Каунсил-Блафс, Айова в 1897 г.[21] Его использование было ускорено Уильямом Х. Таггартом из Чикаго, чья статья 1907 года описывала его разработку техники.[нужна цитата ]. Он также разработал состав для восковых моделей с превосходными свойствами, разработал паковочную массу и изобрел машину для литья под давлением.

В 1940-х годах Вторая Мировая Война увеличил спрос на точность чистая форма производственные и специализированные сплавы которые не могли быть сформированы традиционными методами или 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

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

Литье по выплавляемым моделям используется в аэрокосмический и выработка энергии промышленности для производства турбинных лопаток сложной формы или систем охлаждения.[13] Лезвия, изготовленные методом литья по выплавляемым моделям, могут включать монокристаллические (SX), направленные (DS) лезвия 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 низкой цене.[нужна цитата ]

Карстен Сольхейм известная революция гольф Клуб дизайн через его компанию ПИНГ впервые применив литье по выплавляемым моделям для головок клюшек.[22] Вскоре этот процесс стал отраслевым стандартом, позволяющим распределять вес по периметру клюшки.

Другие отрасли, в которых используются стандартные литые детали, включают военную, медицинскую, коммерческую и автомобильную промышленность.

С увеличенной доступностью более высокого разрешения 3D принтеры, 3D-печать начала использоваться для изготовления расходных форм гораздо большего размера, используемых при литье по выплавляемым моделям. Планетарные ресурсы использовал эту технику для печати формы для нового небольшой спутник, который затем погружается в керамику, чтобы сформировать отливку для титан космический автобус со встроенным топливным баком и встроенной прокладкой кабеля.

Смотрите также

Рекомендации

Примечания

  1. ^ Описание процесса литья по выплавляемым моделям
  2. ^ Калпакчян и Шмид 2006.
  3. ^ Отливки по выплавляемым моделям
  4. ^ «Литье по выплавляемым моделям». Получено 2017-10-10.
  5. ^ а б c d е ж Дегармо, Блэк и Козер, 2003 г., п. 317.
  6. ^ Справочник ASM, п. 257.
  7. ^ Дворжак, Донна (май 2008 г.), "Не такое уж потерянное искусство литья по утраченной восковой модели", Медь в искусстве (13).
  8. ^ а б Справочник ASM С. 257–258.
  9. ^ Sias 2006 С. 13–14.
  10. ^ а б Справочник ASM С. 261–262.
  11. ^ а б c Дегармо, Блэк и Козер, 2003 г., п. 318.
  12. ^ "Руководство по процессу литья по выплавляемым моделям. Прецизионные отливки Texmo". Прецизионные отливки Texmo. Получено 2019-02-27.
  13. ^ а б c d е ж грамм Дегармо, Блэк и Козер, 2003 г., п. 319.
  14. ^ а б Дегармо, Блэк и Козер, 2003 г. С. 319–320.
  15. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2015-12-08. Получено 2015-12-05.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  16. ^ Митчелл, Брайан С. (2004), Введение в материаловедение и науку для химиков и инженеров-материаловедов, Wiley-IEEE, стр. 725, ISBN  978-0-471-43623-2.
  17. ^ Машина для вакуумного литья под давлением VPC K2S, получено 2010-03-03.
  18. ^ «Литье из никелевых сплавов».
  19. ^ "Wisconsin Investcast Division". MetalTek. 2014-10-30. Получено 2016-06-09.
  20. ^ «Долгая история воскового литья по выплавляемым моделям. Более пяти тысяч лет искусства и мастерства - ITRI - Рынки олова, технологии и устойчивость». www.itri.co.uk. Получено 2016-06-09.
  21. ^ Аскар К. (1988). «Отливка металлов в стоматологии: прошлое - настоящее - будущее» (PDF). Достижения в стоматологических исследованиях. 1 (2): 33–43. Дои:10.1177/08959374880020011701.
  22. ^ «Карстен Сольхейм навсегда изменил оборудование для гольфа, и он изменил меня тоже». 6 февраля 2011 г.. Получено 3 февраля 2019.

Библиография

внешняя ссылка