特种铸造的发展及应用

2024-11-24

特种铸造的发展及应用（共6篇）

特种铸造的发展及应用篇1

铸造技术是一门较为古老的技术, 航空工业的发展是离不开铸造技术的, 如果没有铸造技术作为支撑, 那么航空工业是无法快速的发展的, 铸造技术给航空工业的发展带来了历史性的突破。在航空工业的发展中, 是离不开钛合金、高温合金和铝合金等材料的, 这些材料都是飞机上的重要部件, 如果这些部件的质量没有达到标准, 那么飞机是无法使用的。在铸造技术中, 熔模精密铸造技术是航空工业发展中较为重要的一门技术。本文就是对熔模精密铸造技术在航空工业的应用及发展进行分析, 为相关的研究做出贡献。

1 熔模精密铸造技术在航空工业中的应用

国外的航空工业在发展上是十分迅速的, 欧洲的很多国家使用的都是一些较为先进的材料, 这些材料是非常丰富的, 是通过众多的科学家观察和研究才得到的, 在这些材料的使用中, 是离不开精密铸造技术的, 熔模精密铸造技术的使用让航空事业得到了迅速的发展。熔模精密铸造技术让很多较为复杂的精密构件产生, 这些构件已经在航空工业的发展中被广泛的应用, 无论是在性能上, 还是在可靠性上都非常的好, 只用熔模精密铸造技术, 还减少了构件材料的重量, 在生产的成本上也大幅度的减少, 这样对航空事业的发展是十分有利的。

1.1 高温合金熔模精密铸造技术

高温合金熔模精密铸造技术在航空工业的发展中是非常重要的, 高温合金熔模精密铸造技术主要是对一些热端部件进行制造, 例如整体涡轮盘。欧洲的一些国家, 是最早使用高温合金的国家, 在技术的不断完全下, 在工业生产中, 已经被广泛的应用。随着热等静压技术的不断发展, 高温合金熔模精密铸造技术在逐渐的提高, 随着计算机技术的发展, 还要将熔模铸件的成品率提高到一定的水平, 在合格率上已经达到了90%, 随着发动机的不断的升级, 还要在热端部位和材料上进行调整, 尤其是在成温能力上, 需要有着良好的腐蚀能力降低使用的成本。

1.2 钛合金熔模精密铸造技术

钛合金熔模精密铸造技术最早是在美国兴起的, 经过了逐渐的发展, 现在已经处于领先的地位, 在整个经济的发展中, 简单的钛合金熔模精密铸造技术已经无法满足航空工业的发展需要, 经过了人们的发展, 还开发出了熔模陶瓷铸型技术等较为先进的技术, 这些技术手段在整个航空工业发展中已经被广泛的使用。

例如美国的CF6-80C2型号发动机, 这一发动机的外形使用的就是钛合金精密铸件, 在钛合金熔模精密铸造技术使用的过程中, 提高了部件的可靠性, 在军用飞机上已经被验证, 现在这一技术经过完善, 已经在很多国家的军用飞机上使用, 而且在制造成本上也有着明显的优势。随着钛合金熔模精密铸造技术的使用, 在热处理的过程中, 可以提高钛合金的性能, 有些设备还通过部件组合进行整体性的提升, 例如美国的第四代战斗机就是利用较为先进的钛合金熔模精密技术, 尤其是在机翼和机体的关键部位, 可以起到很好的凝固作用, 经过检测, 在使用技术上是达标的。

1.3 铝合金熔模精密铸造技术

铝合金熔模精密铸造技术可使用的范围较广, 主要包括三个技术手段, 在发动机、石膏型铸造上都是较为领先的, 还可以在发动机上使用。这种技术主要是在一些中小部件的铸造中使用, 在尺寸的精度上也得到了迅速的提高。相关浇筑设备在尺寸上可以达到了1500mm左右, 在厚度上达到了3mm左右, 这些部件已经接近了净成形, 尤其是组合件的使用, 在重量上大幅度的减少。生产组合件让飞机的性能更加的复杂化, 在制造的周期上也得到了缩短, 在形状结构上也呈现出了整体化的趋势。

2 我国熔模精密铸造技术在航空工业应用中现状及发展建议

2.1 现状

2.1.1 高温合金精密铸造。

研究了系列的高温合金材料、高温陶瓷型芯材料及其制备工艺、近净形熔模材料与制备工艺、高温型壳材料与制壳工艺、定向和单晶结晶工艺和控制技术等, 形成了包括叶片材料、铸造工艺设计、工艺验证与质量控制等的等轴晶、定向柱晶和单晶叶片近净形熔模精密铸造技术体系, 成功应用于航空发动机叶片的生产。针对整体叶盘结构特点, 通过探索叶盘叶片凝固结晶过程温度场形成定向结晶以及轮盘形成等轴晶的温度梯度的控制途径, 显著提高了使用寿命。

2.1.2 钛合金精密铸造技术。

以钛合金熔模和石墨型精密铸造技术为基础, 研究开发了系列铸造钛合金及金属型、捣实型等新型精密铸造方法, 突破了稀土氧化物陶瓷型精铸材料和工艺、钛合金铸件固溶时效处理、双重处理以及降低钛合金铸件表面α-case厚度等技术, 提高了铸件的可靠性, 使钛合金铸件开始取代一些钛合金锻件, 研制出钛合金精铸件机身前尾梁, 初步实现了机体钛合金铸件替代锻件。

2.1.3 铝合金精密铸造技术。

以熔模铸造、石膏型等传统的精密铸造为基础, 研究开发出高强高韧铸造铝合金材料及新型树脂砂精密铸造、复合精密铸造等新型铝合金精密铸造方法, 突破了计算机优化设计和模拟技术、精密砂型铸造技术、特种型芯和复杂型腔铸造技术、反重力浇注设备与工艺等系列关键技术, 研制出一批高质量、高水平的铝合金精密铸件, 研制出某飞机进气道唇口铸件, 实现了大尺寸铝合金结构件无余量铸造 (1316±0.8mm) , 替代了进口, 铸件本体达到中等变形合金构件性能水平。

2.2 发展建议

2.2.1 建立完善的研究应用体系, 加强已有技术的集成和工程化研究, 稳定构件质量和性能, 快速提高航空发动机定向空心叶片、单晶叶片等关键产品的合格率, 提高工业化水平, 满足型号生产需求;

2.2.2 攻克高推重比航空发动机涡轮叶片、整体叶盘等高温合金核心部件以及尺寸在1000mm以上的大型高温合金、钛合金、铝合金整体构件精密铸造关键技术, 满足先进航空装备和大型飞机研制的需要;

2.2.3 加强应用基础理论和新型特种工艺研究, 掌握精密铸造过程基本规律, 建立系统的精密铸造基础理论和成形方法的框架, 寻找成形工艺与组织、尺寸、性能的定量关系, 实现铸件尺寸和组织的精确控制, 满足我国航空工业未来发展的需要。

3 结论

铸造技术是一项传统而又基础的工业技术, 也是航空工业中的关键制造技术之一。随着航空装备更新换代, 对构件的复杂程度、壁厚、尺寸精度、性能等要求不断提高, 促使铸造技术也随之不断发展。

参考文献

[1]吕志刚.我国熔模精密铸造的历史回顾与发展展望[J].铸造, 2012 (04) .

[2]陈咏华.镁合金熔模精密铸造技术研究现状[J].铸造设备与工艺.2010 (06) .

特种铸造的发展及应用篇2

关键词：充型过程；数值模拟；计算方法；验证方法

DOI：10.15938/j.jhust.2016.03.019

中图分类号：TG244 文献标志码：A 文章编号：1007—2683（2016）02—0096—05

0引言

铸造充型过程伴随着复杂的液体流动，易产生铸造缺陷，例如冷隔、浇不足、夹砂、裹气等，而生产人员必须确保铸件的最终尺寸在合理的公差范围内并成功消除缺陷。针对以上问题，研究人员于20世纪60年代开发了能够计算带有自由表面的不可压缩流体的非稳态流动数值方法。充型过程的研究及模拟能够帮助我们通过计算机技术，更加直观的观察铸造过程金属液的流动以及温度的分布情况，对易产生缺陷的位置进行预测，为避免铸件中的缺陷提供有力依据，并帮助技术人员及时更改生产工艺，缩短生产周期。本文对充型过程数值模拟的国内外发展情况做出了相应的概述，并总结了充型过程数值模拟所涉及的相关计算及验证方法，同时对充型过程数值模拟的未来发展进行了展望。

1铸造充型过程数值模拟技术的发展

1.1国外铸造充型过程数值模拟的发展

充型过程数值模拟起源于20世纪80年代。1983年，Hwang W S等将计算流体力学与铸造充型问题相结合，开展了对充型过程数值模拟技术的研究。1984年，Desai P V研究了强制对流对内浇道温度的影响，采用涡函数的方法研究了弱对流与温度场之间的关系。1985年，匹兹堡大学的Wang CM利用改进后SOLA-VOF方法进行铸件充型过程数值模拟，并用高速摄影技术进行验证，模拟结果与实验基本相符合。1988年，Lin H J等将二维SO-LA-VOF方法与传热学结合，预测了扁平压铸件充型时的冷隔问题，从而为压铸件的充型模拟提供相应指导。1991年，Jonsson P分别基于层流、湍流以及两种流态共有的三种状态，模拟了不同状态下金属液在型腔内的充型结果，进一步探讨了金属液流态对充型结果的影响。1992年，Yeh J L等又利用SOLA-VOF方法求解湍流的N-S方程以及带有自由表面的k-6湍流模型，对钢水的流动进行模拟，并用水力模型实验进行对比，结果表现出良好的一致性。1995年，在第七届铸造、焊接和凝固过程模拟大会上，伯明翰大学的Sirrel B等公布了标准实验结果，该标准实验结果作为对充型过程数值模拟结果的参考一直沿用至今。在此次大会上，各研究小组利用各自的模拟软件对铸件充型过程进行模拟，大部分模拟结果都与实体实验接近。1997年，Pan SM利用SOLA-VOF技术及k-ε湍流模型，分析了充型过程中流体和浇包内气体的流动现象，包括速率和气泡的流动迹线，其中气体和液体流动所产生的相互作用也被考虑到其中，该方法与生产实际紧密结合，具有实际应用意义。1998年Jtirgen Neises等将VOF方法进行改进，新算法利用非结构网格来控制单元体积的计算，能够将双曲线方程转换为单支抛物线方程进行求解，减少计算量。该方法已经能够运用到简单铸件的生产及工厂实际应用中。2004年Mirbagheri SMH等基于SOLA-VOF方法开发了一种新的算法，研究传热和传质以及型腔内压力对充型过程的影响，同时分析了金属液对不同铸型型壁的冲击作用。该研究工作利用具有不同颗粒度的模具浇注铝合金，研究不同粗糙度下的液体流动状态及金属液对模具的侵蚀程度。2005年Kashiwai S模拟了铝合金铸件的真空吸铸过程，分析了不同的吸人压力和解压缩率对充型过程的影响，研究表明，较高吸入压力和减压速度，会更容易在充型过程中产生湍流，增大夹渣和卷气的风险，使真空吸铸技术得到进一步发展。2007年Lee D Y等模拟了半固态镁合金的充型过程，对金属液在不同剪切速率和冷却速度下的流变性和触变性进行了研究，同时分析了粘度对充型过程的影响。2011年Korti AIN等利用动量守恒方程和连续性方程求解速度场和压力场，用VOF方法处理自由表面，研究了铝铸件在高压状态下，在水平气缸和型腔中的二维流动过程。2013年Mcbride D等基于离心铸造开发了一种计算模型，该模型能够捕捉到复杂离心铸件充型过程中自由表面的细节，研究气-液两相界面间流体膜所形成的浓缩物，同时利用水力学模拟实验验证模拟结果，并用高速摄像机捕获充型过程。

国外充型过程数值模拟技术发展迅速，体系完善，无论是流体本身的性能研究还是与铸件及铸型的结合，都拥有成熟理论支持和科研平台，并且涉及领域及学科十分广泛，对算法及计算方程的研究深入准确，为国内铸造充型过程数值模拟的发展提供了先进的科学指导和参考价值。

1.2国内铸造充型过程数值模拟的发展

国内充型过程数值模拟起步虽晚但发展迅速，1991年，沈阳铸造研究所的孙逊基于SOLA-VOF方法研制了充型过程流体流速的模拟软件，并在此基础上进一步编制了含有热对流和热扩散的三维传热模拟程序，与球铁铸造工艺相结合，开发了球铁铸造工艺CAD软件，并对球铁铸件进行数值模拟计算，为工厂实际生产进行指导帮助。1994年汪小平等采用SOLA-VOF法模拟了不可压缩连续流体自由表面的流动，开发了适用于复杂薄壁压铸件的流场数值模拟程序。1995年，陈立亮等在原有的EPC充填数学模型的基础上，自主开发三维气化膜充填应用软件，准确地模拟了气化膜铸件成型过程，使国内对气化膜的研究取得进展。1997年，清华大学的邱伟在自由表面的处理上对VOF算法的累积流量误差进行修正，利用共轭梯度法求解离散化迭代方程，并引用k-ε湍流模型，利用物理实验验证改进后的效果。1998年，陈立亮对如何加快铸件流场数值计算速度进行了研究，引入了平均收敛率以及总平均收敛率来分别作为选取动态松弛因子ω和衡量整个计算过程效率的标准。每隔一段时间，程序可以根据收敛率来不断调整松弛因子，使计算的收敛速度不断地提高。2001年，贾良荣等人基于有限差分法建立流动及传热的耦合计算模型，并利用SOLA-VOF算法开发了压铸件充型过程流动及热传分析软件，利用k-～湍流模型对“弓”形型腔的充型过程进行模拟，结合水力模拟实验进行验证，同时采用所开发的软件模拟了复杂压铸件的充型过程，分析了型腔表面的温度变化，提出“瞬态层”概念。同年，吴士平运用SOLA-VOF法求解动量守恒方程和连续性方程，对TiAl基合金的离心铸造充型过程进行数值模拟，并利用石蜡做为充型液体，进行实际浇注，验证模拟结果。2002年清华大学的王罡等人利用计算机群的网格化并行计算环境，对压铸件充型过程进行分析，建立并行搜索模型，通过调整效率参数，同时利用多节点优势，对原有的SO-LA-VOF串行算法进行改进，显著地提高了计算效率。2004年，哈尔滨理工大学的马秋等对镁合金压铸件充型过程进行了数值模拟计算，研究了充型过程的物理场，预测了铸件的缺陷位置，该实验证明了采用闭合式浇注系统充型平稳，温度场分布均匀，卷气和冷隔缺陷较少。2005年，赵海东等在有限差分法的基础上，提出了表面无量纲距离，表面充填比率和体积充填比率，建立充型过程模型，以预测充型过程氧化膜的卷入，并浇注铝合金铸件进行实体实验验证。2010年，张明远等采用Level Set方法追踪充型过程气一液两相流动界面，并利用Projec-tion方法对三维复杂铸件的多相流动过程进行模拟，成功地分析了充型过程中气-液两相流动行为。

国内充型过程数值模拟技术在参考国外先进技术的基础上，在短时间内取得了快速的发展，研究人员逐步依靠自身的科研力量，不断地填补国内充型过程研究的空白，在研究内容上不断深入，在研究方法上不断创新，使在该领域的研究体系日益完善。

2充型过程数值模拟计算方法

2.1 MAC及SMAC算法

MAC技术就是基于有限差分网格，对动量方程的两端进行离散，得到求解压力的泊松方程，并将连续性方程作为压力的约束条件对泊松方程进行变形，通过动量方程和连续性方程的同时迭代，求解相应的压力场和速度场。MAC算法在流体中加入标识粒子，它并不参与计算，而是作为一种跟踪描述的方法来反应流体流动的情况。由于MAC方法需要压力场和速度场同时迭代，并且需要大量的示踪粒子才能较为准确的反应自由表面的移动，这便加大了计算量，使计算速度慢，效率低。为此在MAC算法的基础上又开发了SMAC算法，该方法是将初始压力场代人动量守恒方程离散求解速度场，如果该速度场无法满足连续性方程，则会得到一个势函数，通过势函数得到一个校正速度场，再将校正速度场代人连续性方程进行验证，直到获得收敛的速度场。将成功收敛后的速度场代人动量方程便能够求解最终压力场。可见，SMAC算法只进行了速度场的迭代，所以可大幅度提高运算速度，节省计算空间。

2.2 SIMPLE算法

SIMPLE算法最早由帕坦卡提出，该方法的理论基础是压力场间接地由连续性方程规定，当正确的压力场代人动量方程时，便能得到满足连续性方程的速度场，因此计算速度场的困难在于压力场的迭代，SIMPLE算法的首要步骤便是估计一个可行的压力场。该方法为了找到可行的估计压力值P′，采取了以下步骤：①首先确定正确的压力方程为P=P*+P′，其中P′为压力修正。②基于压力方程的前提，估计一个压力场P*，代入动量方程求得速度分量ν*、μ*、ω*。③求解P′的离散化方程，再利用压力方程确定压力P_④利用速度修正公式计算最终速度分量ν、μ、ω。⑤求解影响流场的其它物理量的离散化方程。⑥将P作为一个新的估计压力场，代入计算第一步骤，进行迭代计算，直到所得压力场和速度场收敛。另外，SIMPLE算法采取基于MAC方法的交错网格处理，避免动量方程和连续性方程将锯齿状压力场和波形速度场处理为均匀压力场和均匀速度场，使迭代结果更加准确。但SIMPLE算法和MAC算法一样，都没能摆脱压力场和速度场同时迭代的方式，这需要同时求解由动量方程和连续性方程所推导的整个离散化方程组，加大了计算量，计算效率较低，并且SIMPLE算法尽管在迭代过程中早就得到正确的速度场，但压力场却很可能需要多次迭代后才会收敛从而得到正确的解。因此，帕坦卡等提出了改进的SIMPLE法即SIMPLER算法，该方法认为，如果只用压力修正方程来修正速度场，而由其它途径来获得修正的压力场，则会加快计算速度。在推导压力方程时，没有做任何假设，而是让正确的速度场参与运算，压力方程便会得到正确的压力场。SIMPLER算法可以立刻得到收敛的解，由压力修正方程得到合理的速度场。但SIMPLER算法在单次迭代中的计算量要大于SIMPLE算法，因为其在求解SIMPLE方法中所有的方程外，还要计算压力方程，不过由于迭代次数低于SIMPLE算法，所以整体的计算时间和计算效率要优于前者。

2.3 SOLA-VOF算法

该方法的独到之处在于其将SOLA方法和VOF方法相结合，利用SOLA方法求解动量方程和连续性方程，用VOF方法处理流体自由表面。在铸件充型过程中，液态金属是不可压缩的流体，其流动过程服从质量守恒和动量守恒，其数学形式就是连续性方程和动量守恒方程即N-S方程。在用SOLA-VOF方法求解动量方程和连续性方程时，同样先将当前的压力和速度场代人动量守恒方程，如果所得的速度场没有满足连续性方程，则通过改变压力值得到新的试算速度，并将新的试算速度代入连续性方程进行验证。由于每一个计算单元的校正压力直接由连续性方程算出的速度求出，然后校正速度场，所以只需对速度场进行迭代计算，便可同时得到正确的压力场和速度场，提高了计算效率。对于自由表面的处理，VOF法定义一个体积函数F，用于表示一个流体单元内液体的体积含量。当一个流体单元充满液体时，F值为1，F值为0时表示该流体单元没有液体，当0

2.4格子气方法

格子气方法又称离散粒子技术，它是指大量的微观个体按照一定的规律集合在一起便表现出高度的有序性，这决定了其组成的宏观物理系统具有复杂性质。这样便可以认为流体是由大量微观个体所组成，这些离子在网格空间内按照一定规律相互作用或移动，宏观上表现为流体的运动，任一个体有质量无体积，只能在网格点上存在，并沿着网格线在网格间运动，在同一时刻同一点上，沿着每一网格的运动方向最多只有一个粒子。粒子运动的方法是先让某一个分子按其速度矢量的指向移动一格，走到最邻近的格点。如果有两个分子以相对方向，同时向一个网格节点运动即发生碰撞，则由这两个分子组成的位形之间的角度要换成直角，而其它位形保持不变。利用格子气方法所构造的格子气自动机，可转变为不可压缩流体的二维和三维的动量方程，不仅是速度，在时间和空间上都是离散的，格子气模型与非线性的N-S方程有3方面差异：1）缺乏伽利略不变形；2）缺乏各向同性；3）维度交叉问题。格子气方法主要优点是算法稳定，边界条件易处理，对于单一节点的计算只涉及若干与其相邻的节点，可以进行并行计算。格子气方法的计算速度比传统方法快至少1000倍以上，在未来的模拟实验中存在相当大的发展空间。

3对于充型过程数值模拟结果的常用验证方法

3.1直接验证法

最常用的方法便是根据要求设计实验，浇注实体铸件，对充型过程可能产生的缺陷进行分析研究，与模拟结果进行对比，这种方法一般适用于中小型铸件，对于大型铸件，由于其体积大，浇注过程极为不易控制，并且每一次实际生产都会花费大量人力物力且无法保证铸件质量，所以对于大型铸件的充型模拟过程不宜采取这种方法。

3.2水力模拟实验

水力模拟实验是最常用的方法之一，成本较低且易于控制。该验证方法主要是用透明有机玻璃制成铸型型腔，以水代替金属液充入型腔，并用高速摄像机拍摄充型过程。但是由于液态水和液态金属的流动性存在一定差异，为此，也可以使用低熔点有机材料代替水进行模拟例如石蜡，同样取得了较好的效果。

3.3 X射线的应用

在充型过程中可以用带有一定电压的X射线进行观察，同时结合高速摄像机进行图像记录，这种验证方法所得到的结果准确但操作复杂。

3.4对比验证

充型过程数值模拟的发展已经到达一个较为成熟的阶段，世界许多科研机构也相继推出了可供与模拟结果相对比的标准实验结果，例如伯明翰大学的Sirrel B等公布的标准实验结果。基于这些标准实验结果，可将模拟的实验结果与其进行对比验证。

3.5商业化软件的应用

现在人们常用的商用化模拟软件如MAGMA，ProCAST，Flow-3D等已经发展的相当成熟，其模拟结果的准确性也得到广泛认同，因此对于同一实验可利用多个商业化模拟软件进行模拟，然后对比实验结果进行分析。

4展望

充型过程数值模拟虽然起步较晚，但发展迅速，多种计算方法的应用以及商业化软件的开发都有效的推动了充型过程数值模拟的研究进程。但充型过程较为复杂，涉及到流体力学、传热学、计算学等诸多学科内容，所以对充型过程的模拟研究依然任重而道远。

充型过程数值模拟的常用算法有很多，但都避免不了速度场或压力场的迭代，这就加大了计算量，使计算效率降低，因此应着重开发高精度快速算法，例如利用Projection方法代替SOLA方法求解动量方程，则无需进行速度场和压力场的耦合计算。

对于大型铸件而言，由于其结构复杂，受外界因素影响的程度大，充型过程不易控制，因此大型铸件充型过程的数值模拟往往和实际生产结果存在一定差距，为此需要更加精确的模拟参数以及功能更加全面的商业化软件。

半固态铸造的现状及发展前景篇3

关键词：半固态铸造,合金,发展前景

我国的铸造业有着悠久的历史, 随着铸造技术的发展以及对铸造品品质的更高要求, 传统的铸造方式表现出了在环保和轻量化等方面的不足, 这就要求我们采取更为先进的铸造技术。为满足新的铸造要求, 半固态铸造应运而生, 并且因为其表现出来的更为高效、更加节能以及更高品质等特性, 得到了广泛的认可和关注。

1 半固态铸造的特点

所谓的半固态铸造, 就是指在液态金属凝固过程之中, 通过搅拌, 把凝固过程中所形成的树枝晶改变成为非枝晶组织, 最终获得较高致密度的合金的一种先进铸造工艺。相对于传统的铸造工艺, 半固态铸造具有更多的优点。

1.1 铸造品品质精良

半固态铸造技术比传统工艺更便于合金的成形, 由于半固态的金属浆体具有很高的可塑性, 可以对其粘度进行调整, 在压力的作用之下, 半固态浆体能够迅速成形。并且半固态浆体能够由机械完成搬运, 提高铸造的自动化程度, 同时也提高了铸造的工作效率。更重要的是, 半固态下的成形操作不易造成喷溅, 有效减少了空气的参杂, 减少对金属造成的氧化, 使合金的致密性得到提高。半固态性决定了合金在成形过程中的收缩会减少, 有效减少可能形成的空隙, 保证合金可以承受更高的压力。由于半固态金属浆体没有宏观偏析的问题, 所以铸造出的合金在性能方面也会表现出均匀性。

1.2 节约成本

通过半固态铸造方法制造机械零件, 因为零件的高质量保证, 有效减少了后续机器加工的数量, 最终达到节约时间、降低成本的目的。由于半固态金属相对于液态金属温度低, 在铸造过程中减少了模具的损耗, 延长设备的使用寿命。同时相对于使金属融化成液态而言, 加热到半固态所用的燃料也大大减少, 做到了节约能源。半固态铸造由于其浆体可塑性高的特点, 方便加入一些特殊物质加强性能, 同时由于其成形速度快的特点, 可以缩短加工时间, 提高工作效率, 最终达到节约生产成本的目的。

2 半固态铸造的应用

2.1 汽车工业的应用

如今, 半固态铸造加工技术的应用越来越多, 但是我们不得不说汽车行业是应用最多, 也是取得最多成果的行业。在很多技术先进的国家, 半固态加工铸造品的生产量已经达到了相当的规模。半固态铸造制作的机械零件不仅具有自身质量轻, 强度高等特点还具有生产效率高, 生产成本低等优势, 这些特质吸引汽车零部件制造商不约而同的选择采取半固态加工的工艺。例如, 汽车刹车缸的铸造, 传统的刹车缸一般采用压铸的铸造工艺, 制作出的缸体气密性不强, 材质强度不够, 在使用过程之中, 介质油容易发生渗漏, 存在安全隐患。于此同时, 老式的刹车缸不能达成汽车轻量化的要求, 在提高燃料利用效率方面也是力不从心。为了适应汽车产业的发展, 半固态铸造应用到汽车部件制作过程中来。半固态制作工艺的采用, 使零部件生产效率大幅度提高, 汽车部件质量加强。

半固态铸造工艺在汽车行业中的使用非常广泛, 例如, 轻型车的轮毂、转向节、转向器壳以及悬挂支架等机械部件都采用半固态铸造的工艺进行生产, 因为只有半固态铸造的合金才能满足致密度高、强度高、可靠性高等要求。

半固态铸造的采用达到了汽车行业低成本、高质量以及高产量的要求, 推动了汽车生产的发展和创新, 与此同时, 汽车产业的发展也带动了半固态铸造业的进一步发展。在西方发达国家, 铝、镁合金的生产早已发展到工业化的阶段, 半固态铸造的使用促进了铸造技术方面的创新。越来越多的对于半固态铸造技术工艺特点、半固态合金的成形方法以及铸造方法的研究, 促进半固态铸造技术更深入的发展, 保证其能够为汽车行业的发展做出更大的贡献。

2.2 电子产业的应用

半固态技术制成品的使用虽然主要在汽车行业, 但是它也被广泛的运用到了医疗、武器以及航空航天的领域之中, 尤其是电子产业。我们知道, 镁合金在电子产业中的使用最为广泛。同一般的金属相比, 镁合金有较高的导热性、比强度和切削性, 并能减少对周围环境以及人体的电磁辐射伤害。电子产业对环保以及轻量化的要求比较高, 尤其是移动电话以及笔记本电脑等携带式电子产品, 镁合金重量轻、强度高、散热能力强的特性使它备受青睐。但是传统的镁合金铸造瑕疵率高、后续处理复杂而且稳定性低, 不仅影响自身功能的发挥还加大了生产成本。采用半固态技术铸造的镁合金不仅质量高、稳定性好还更加适应自动化生产的模式, 有效减少生产成本。现在, 很多电子产品生产商认识到了半固态铸造的优势, 通过新型的铸造方式逐渐实现电子产品生产的优质、高效和环保。

3 半固态铸造的前景

综上所述, 我们已经认识到了半固态铸造技术与传统铸造工艺相比所具有的优越性。但是我们不能仅仅满足于现状, 要发展我国的半固态铸造事业, 还需要我们不懈的努力。相对于技术发达的西方国家, 我国铸造业还存在着铸造设备落后, 模仿性较强等缺点, 进而限制了半固态铸造的应用和发展, 因此, 要发展半固态铸造事业要求我们关注铸造设备的研究和开发, 具有自主知识产权的配套设备是半固态铸造进一步发展的保证。同时, 我们还应该对半固态金属流变的性能进行深入的研究, 只有清楚理论依据才能更好的了解半固态铸造工艺, 更好的应用到实践中来。未来, 对于环保、节能、高效的产业的需求会越来越大, 半固态铸造的应用领域会越来越多, 这也要求我们加强半固态铸造的工业化水平。可以采取计算机进行模拟的方式, 将半固态铸造的工艺过程进行数据模拟, 并通过与实际生产数据进行比较的方法, 不断提高计算机模拟的可靠性与准确度, 为工业化发展做出准备。

现如今, 能源的可持续发展和环境的保护已经是我们必须重视的课题, 这就要求汽车的制造向着轻量化的方向发展。材质较轻同时具有高质量的合金最适合实现轻量化的目标, 这必然会导致汽车生产过程中采用更多的合金材料。合金在汽车方面的大量使用必然会加强半固态铸造技术的应用, 因为半固态铸造技术是制造高质量轻型合金的首选。除了汽车行业, 电子行业、航空航天、医疗器械等行业在制造方面也会逐渐淘汰老式零件, 更多的采用质量高、性能好、环保的合金材质。

4 结论

半固态铸造符合未来对于生产高质量、高性能、具有环保特性材质的要求, 是未来铸造业发展的方向。优质合金的广泛使用趋势, 不仅能够扩大半固态铸造的实际应用领域, 也会促进半固态铸造事业的不断深入和发展。总体来说, 半固态铸造事业会逐步取代落后的铸造方式, 具有非常光明的发展前景。

参考文献

[1]崔建忠, 路贵民.半固态浆制备技术新进展[J].哈尔滨工业大学学报, 2010, 32 (4) :110-113.

[2]许洛萍, 邵光杰, 李麟, 等.汽车轻量化用金属材料及其发展动态[J].上海金属, 2002, 24 (3) :1-7.

特种铸造的发展及应用篇4

机械加工技术具有悠久的历史, 对于人类的飞速发展和社会的快速进步具有至关重要的作用。例如18世纪70年代就已经发明了蒸汽机, 但是由于当时生产力的限制, 制造不出具有高精度的蒸汽气缸, 因此无法推广。随着科技的不断进步, 一直到气缸镗床的出现, 才进一步发展了蒸汽工艺, 蒸汽机才算是得到广泛的应用, 第一次工业革命才会迅速发展。随着科学技术的不断发展, 各种新型的工程加工材料不断涌现以及被广泛的应用, 同时由于对所加工的工件的精度要求和要求工件的复杂度越来越高, 因此对于机械制造工艺技术也有了进一步要求。由于受到刀具材料性能、结构的影响, 使得传统的机械加工技术不能满足人类进步的要求, 越来越多的束缚生产力的进步, 与此同时各种新型的加工方法便应运而生。新的加工方法在加工过程中主要不再依靠传统的机械能, 而是更多的直接或者间接的利用其他形式的能量来完成所要求的加工;但是随着对待加工要求的越来越高, 当下的特种加工技术正迅速朝着高度智能化、精度化、绿色无污染以及准确使用适当的复合工艺和新型工艺的方向飞速发展。

2 特种加工技术的特点

(1) 加工范围上更加广泛, 甚至可以不受加工材料各种强度、硬度等相关因素的影响。

(2) 以柔克刚, 即加工时不需要加工工具.整个加工过程中工具和工件之间不存在明显的机械力, 因此加工时不受工件的强度和硬度的影响。

(3) 加工方法日新月异, 向着精密加工方向发展。

3 特种加工技术的应用

特种加工技术对新型武器装备的研发和生产制造, 起到至关重要的作用。随着新型武器的迅速发展, 各国对于特种加工技术的需求也日益迫切。特种加工技术的主要应用领域是:

(1) 各种难以加工材料, 例如合金、高强钢、等强度高、韧性好、韧度高、高熔点材料。

(2) 难加工零件, 例如复杂零件中的三维型腔以及窄缝等的加工。

(3) 各种较低刚度零件, 例如薄壁零件、弹性元件等零件的加工。

4 特种加工技术的种类

4.1 电火花加工技术

电火花加工 (EDM) 在上世纪40年代开始研究并且逐步应用于生产。它是指在加工过程中, 主要利用工件和工具之间不断产生的脉冲性火花放电, 依靠放电时局部产生的高温把金属侵蚀下来。因在放电过程中可以看到火花, 因此被称之为电火花加工。电火花加工时, 脉冲电源的一端接工具电极, 另一端接工件电极, 两极都放入具有一定绝缘度的液体介质 (如常用煤油或矿物油) 中。工具电极可以由自动进给调节装置控制, 从而保证工具与工件在正常加工时可以维持很小的放电间隙 (0.01~0.05mm) 。当脉冲电压加到两极之间, 便会将当时条件下两极间最近点的液体介质击穿, 从而可以形成放电通道。与此同时, 由于该通道的横截面积小, 放电时间短, 从而可以使能量高度集中 (10~107W/mm) , 在放电区域中所产生的瞬时高温足以使材料熔化乃至蒸发, 形成一个小凹坑。

4.2 激光加工技术

激光加工是一种利用光能量进行加工的方法。由于激光具有准确性好、功率大等特点, 在聚焦后, 往往可以形成很高的细微光束, 有很强的功率密度。该激光束照射到工作的表面时, 一部分光能量会被表面吸收从而转变为热能。对于不透明的物质, 因为光的吸收深度非常小 (在100um以下) , 因此热能的转换容易发生在物质表面。可以使工件局部区域的温度急速升高足直至被加工材料熔化甚至气化, 同时由于热扩散, 可以使斑点周围的金属熔化, 随着光能的不断被吸收, 被加工区域的金属蒸气迅速膨胀, 从而产生一次微型爆炸, 把熔融物高速喷射出来。 (如图2所示)

5 特种加工发展研究方向

(1) 不断改进、向着高效率、高可靠性方向发展。

(2) 向多功能化和智能化方向发展。扩大加工的应用范围, 向复合加工方向发展。

(3) 推进新技术、新工艺、新设备的工程化和产业化工作。

(4) 向着绿色发展, 更加保护环境。

参考文献

[1]张纹, 蒋维波.特种加工技术的应用与发展趋势[J].农业装备技术, 2006, 32 (03) :24-25.

[2]赵万生.特种加工技术[M].北京:高等教育出版社, 2001.

特种铸造的发展及应用篇5

1 特种聚苯乙烯外墙外保温系统的技术性能及其特点

1.1 特种聚苯乙烯外墙外保温系统的技术性能

特种聚苯乙烯外墙外保温系统主要是以导热系数不大于0.032 W/ (m·K) 、燃烧性能B1级的特种聚苯乙烯板 (Sto EPS Top32) 为保温材料, 采用粘贴及必要的附加锚栓锚固方式固定于基层墙体, 表面覆以玻纤网格布增强抹面层构成的薄抹灰外墙外保温系统。按抹面层材料及饰面层种类不同分为“Sto经典” (无水泥基) 、“Sto传统型” (水泥基) 和“Sto面砖饰面” (水泥基) , 该系统具有保温性能好, 防火等级较高, 施工简便等特点。

1.2 特种聚苯乙烯外墙外保温系统的特点

特种聚苯乙烯外墙外保温系统采用的特殊聚苯板中含有石墨成分, 因此又称为“石墨聚苯板”。石墨聚苯板使得特种聚苯乙烯外墙外保温系统具有以下特点:1) 石墨聚苯板燃烧性能完全达到B1级 (GB 8624-1997建筑材料燃烧性能分级方法) 的指标, 因此, 特种聚苯乙烯外墙外保温具有良好的防火性能。2) 石墨聚苯板含有特殊的石墨颗粒, 可以反射热辐射, 并且其中含有能够大幅度提升保温隔热性能的红外线吸收物, 从而减少房屋的热损失。3) 石墨聚苯板的突出绝热能力在低密度时表现的特别明显。4) 石墨聚苯板的导热系数小, 建筑物在设计时可以增大窗墙比, 使得房间的窗户面积增加, 最终增强了建筑物的采光效果。5) 由于石墨聚苯板厚度比普通的聚苯乙烯保温板的厚度薄4 cm, 使得在计算房屋的建筑面积时, 在相同的面积内业主的使用面积增加。

2 特种聚苯乙烯外墙外保温系统的应用

介休市汾秀住宅小区二期外墙保温工程于2013年2月开工, 2013年10月底竣工, 该外墙保温工程采用了特种聚苯乙烯外墙外保温系统。

2.1 特种聚苯乙烯外墙外保温系统工程的施工工艺流程

基层处理→测量放线→粘贴石墨聚苯板→安装锚固件→石墨聚苯板面打磨、找平→配制抹面砂浆、贴压玻纤网格布→节点及特殊部位处理。

2.2 特种聚苯乙烯外墙外保温系统的施工内容

1) 基层处理。结构墙体基面必须清理干净, 保证无油污、脱模剂等影响粘结的附着物。凸起、空鼓和疏松部位应剔除并找平墙体充分湿润后抹找平层。用2 m靠尺检查墙面平整度和垂直度, 超差部分应由土建施工单位进行剔凿或用聚合物水泥砂浆修补平整。基层必须干燥并具有一定的机械强度。

2) 测量弹线。根据建筑立面设计和外墙外保温技术要求, 在墙面弹出外门窗水平、垂直控制线。挂基准线:在建筑外墙大角 (阴阳角) 、门窗洞口及其他必要处挂垂直基准钢线, 每个楼层适当位置挂水平线, 用以控制石墨聚苯板的垂直度和平整度。

3) 粘贴石墨聚苯板。a.石墨聚苯板切割。用手用刀锯切割, 标准板面尺寸为600 mm×1 200 mm, 对角线及板厚误差±2 mm, 非标准尺寸或局部不规则处可现场裁切, 尺寸允许偏差为±2 mm, 但必须注意切口与板面垂直。石墨聚苯板用聚合物砂浆点框法施工。b.石墨聚苯板粘贴。石墨聚苯板应切割成型不得拼接, 并应按水平排板方式粘贴, 竖缝应逐行错缝。石墨聚苯板面应平整, 相邻板粘贴时不应出现通缝。从洞口周边开始粘贴, 需切割的板块放在中间, 如图1所示。c.石墨聚苯板墙体预留孔做法。在墙体预留孔处, 石墨聚苯板留洞与预留孔位置要一致, 比预留孔要大一些, 将网格布裁成十字形, 卷入孔内壁, 用粘结剂粘住。外侧应附加一道, 剪成十字, 并且与基层十字缝应错开。

4) 安装锚固件。锚固件安装应至少在胶粘剂使用24 h后进行, 用电锤在石墨聚苯板表面三板交界处向内打孔, 孔径视锚固件直径而定, 进墙深度不小于50 mm, 敲击方式钉入8长度不小于120 mm的锚固钉, 顶头和圆盘不得超出板面。

5) 石墨聚苯板打磨、找平。对板面接缝高低较大的区域用粗砂纸打磨找平, 打磨时动作要轻, 并以圆周运动打磨。打磨后及时将石墨聚苯板碎屑及浮灰用刷子清理干净。

6) 刷抹面砂浆、贴压玻纤网格布。a.配制抹面砂浆。根据配聚合物抹面砂浆的使用说明书提供的掺配比例配制, 专人负责, 严格计量, 机械搅拌, 确保搅拌均匀。拌和好的抹面砂浆在静停10 min后再经二次搅拌方可使用。抹面砂浆必须随拌随用, 拌和好的抹面砂浆应保证在2 h内用完。配好的料注意防晒避风, 以免水分蒸发过快。b.抹底层抹面砂浆。石墨聚苯板粘贴完毕, 锚固件固定完经监理部门验收合格后进行聚合物砂浆抹灰。抹灰分底层和面层两次。在石墨聚苯板面抹底层砂浆, 厚度为2 mm～2.5 mm。c.贴压玻纤网格布。网格布应按工作面的长宽要求裁剪, 并应留出搭接宽度。网格布的裁剪应顺经纬向进行。将整幅网格布沿水平方向绷直绷平, 注意将网格布内曲的一面朝里, 用抹子由中间向四周将网格布抹平, 使其贴紧。网格布水平搭接宽度、垂直方向搭接宽度不小于100 mm, 搭接处用聚合物砂浆补充底层砂浆的空缺处, 不得使网格布褶皱、空鼓、翘边。考虑到首层的抗撞击要求, 在标准外保温做法的基础上加铺一层网格布, 再抹一道抹面砂浆罩面, 以提高抗撞击强度。

7) 节点及特殊部位处理。a.保温墙立面标准做法见图2。b.窗上口保温及滴水线做法见图3。待窗上口的保温附加网、面层网格布、抗裂砂浆施工完毕之后, 开始做滴水线。结合具体现场的做法, 确定滴水线距离外立面30 mm, 滴水线采用的8 mm的塑料滴水线嵌入上口。c.窗下口处理节点做法见图4。首先按照洞口附加网格要求, 对窗口位置附加;其次, 做好窗口的找坡10%, 从内侧向外侧找坡。

3 采用特种聚苯乙烯外墙外保温系统获得的效益

1) 采用的特种聚苯乙烯保温板含有特殊的石墨颗粒, 可以像镜子一般反射热辐射, 并且其中含有能够大幅度提升保温隔热性能的红外线吸收物, 从而减少房屋的热损失。它的绝热能力比普通聚苯乙烯板至少高出30%, 有助于提高能效并减少二氧化碳的排放。

2) 达到相同绝热效果使用的特种聚苯乙烯保温板比普通的聚苯乙烯保温板成本低。只需要使用170 kg的特种聚苯乙烯保温板就可使面积200 m2、保温系统达到0.032 W/ (m·K) 的低导热系数。如果采用常规的聚苯乙烯保温板大约需300 kg, 相当于节省40%的成本。

3) 采用特种聚苯乙烯保温板远比其他保温隔热材料更具有生态效率, 使得特种聚苯乙烯外墙外保温系统在降低取暖和降温成本以及减轻环境负担方面做出了突出贡献。

4 结语

随着国内第三步建筑节能65%标准的实施, 以及公安部、住房和城乡建设部关于《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》通知的印发, 市场需要保温性能好、防火性能等级高的外墙保温系统。因此, 导热系数为0.032、燃烧性能为B1级的特种聚苯乙烯外墙外保温系统将具有非常广阔的市场前景。

摘要：介绍了特种聚苯乙烯外墙外保温系统的技术性能及其特点, 重点论述了特种聚苯乙烯外墙外保温系统的应用及获得的效益, 阐明了特种聚苯乙烯外墙外保温系统在降低取暖和降温成本以及减轻环境负担方面的优势。

特种铸造的发展及应用篇6

关键词：快速成型,熔模铸造,激光烧结,PSB粉

0 引言

快速成型技术自问世以来以其广泛的应用领域和应用价值发展非常迅速。该技术通过与精密铸造、机械加工等制造手段相结合, 已经成为模型和零件制造的有效方法, 在航空、汽车、电子、军事装备、建筑模型等领域得到了广泛应用[1]。快速成型技术是由三维转化成二维 (离散化) , 再由二维累积到三维 (材料堆积) 的工作过程。目前, 快速成型比较成熟的工艺方法有选择性激光烧结 (SLS) 、光固化立体造型 (SLA) 、熔融沉积造型 (FDM) 以及分层实体制造 (LOM) 。

1 与熔模精密铸造相关的快速成型技术及其应用

1.1 选择性激光烧结技术

选择性激光烧结技术成型过程与零件的复杂程度无关, 是真正的自由成型。SLS几乎可以成型任意几何形状的零件, 对中空结构 (hollowed areas) 、槽中套槽 (notches within notches) 及悬臂结构 (overhangs) 等结构的零件成型特别有效。图1、图2即为选择性激光烧结技术生产的典型零件。

选择性激光烧结通常采用塑料、金属、陶瓷的粉末作为成型材料。其工艺过程是:先在工作台上铺上一层粉末, 在计算机控制下用激光束有选择地进行烧结 (零件的空心部分不烧结, 仍为粉末材料) , 被烧结部分则固化在一起构成零件的实心部分。一层完成后再进行下一层, 新一层与其上一层牢牢地烧结在一起。全部烧结完成后, 去除多余的粉末, 便得到烧结成的零件。

1.2 选择性激光烧结采用PSB粉料在熔模精密铸造上的应用

目前, 熔模精密铸造在生产结构复杂, 用模具几乎无法实现产品时通常采用快速成型制作其生产所用的蜡模。采用选择性激光烧结与熔模精密铸造结合在一起解决生产难题的方法已经得到了很好的应用。即用PSB粉 (其典型性能见表1, 其烧结工艺参数见表2) 烧结成的零件用毛刷及其它专用工具将零件上的浮粉清除, 最后用压缩空气将残余的粉末吹掉。

说明:激光功率的大小影响成型零件的强度和变形, 激光功率高, 成型零件的强度高, 但激光功率过高在烧结过程中会引起变形, 一般激光功率设定为12.5~15 W (实际激光功率设置参数近似为总功率百分比, 所以10~20 W大致对应为20%~40%)

将零件清理干净后需要进行蜡化处理。将零件以适当位置摆放在网状平板上, 将蜡熔化在70℃保温30 min待蜡温稳定后将放有零件的网状平板缓慢浸入蜡液中, 等零件完全浸入蜡液中待无气泡溢出时, 把零件从蜡液中取出, 静置使多余的蜡析出。等零件冷却至室温后即可对零件即蜡模进行精修处理。

2 选择性激光烧结技术在熔模精密铸造中的应用及不足

2.1 采用选择性激光烧结技术生产的零件表面质量

因为选择性激光烧结技术的加工特点, 零件是一层一层铺粉激光逐层烧结而成的, 所以当零件结构坡度较小时就会有很明显的阶梯纹 (如图3所示) 。假如在零件外表面浸蜡完精修后可去除阶梯纹, 如果在零件内腔出现此类阶梯纹可能因为工具无法到达而无法去除, 影响零件最终表面质量。

因此, 如何通过数据处理软件的改进或其它方法实现零件表面质量达标是目前快速成型技术下一步发展需要解决的问题。

2.2 选择性激光烧结蜡模型壳的脱蜡方法

目前, 选择性激光烧结用PSB粉制作的蜡模脱蜡方法是将阴干的型壳空架在明火上或放入高温炉内烧蚀, 型壳中的蜡模熔化流出, 余量分解、消失。

若空架在明火上烧型壳未完全燃烧的碳化物四处乱飘, 严重影响空气质量, 不符合工业绿色化发展理念;若直接将型壳直接放入高温炉内烧蚀, 刚乳化的蜡液会慢慢流出炉膛, 在此过程即会起火燃烧, 火苗会直接窜出高温炉, 直接威胁到生产安全。因此, 研究新型烧结用料使之符合绿色生产、安全生产尤为迫切。

3 结语

总之, 快速成型技术应用于熔模铸造是目前其领域解决某些生产棘手问题的一个新途径, 但还不够优化, 因此, 进一步研发新工艺, 新材料使之更符合生产规律和企业发展将是下一步研究的重点。

参考文献