Литье по выплавляемым моделям

Промышленный процесс на основе литья по выплавляемым моделям Вход-выходная крышка клапана для атомной электростанции, изготовленная с помощью литья по выплавляемым моделям

Литье по выплавляемым моделям - это промышленный процесс, основанный на литье по выплавляемым моделям, одной из старейших известных технологий обработки металлов давлением. 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 высокопроизводительных сплавов.

Хрупкие восковые модели должны выдерживать нагрузки, возникающие при изготовлении формы. Большая часть воска, используемого при литье по выплавляемым моделям, может быть восстановлена ​​и использована повторно. Литье по выплавляемым моделям - это современная форма литья по выплавляемым моделям, исключающая определенные этапы процесса.

Литье по выплавляемым моделям получило свое название от модели, которая покрыта (окружена) 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.

Жидкое стекло и золь кремнезема - это литье по выплавляемым моделям в настоящее время используются два основных метода 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 с использованием золя кремниевой кислоты стоит дороже, но имеет лучшую поверхность, чем метод жидкого стекла.

Этот процесс можно использовать как для небольших отливок в несколько унций, так и для больших 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 продукты с исключительным качеством поверхности и низкими допусками с минимальной обработкой поверхности или механической обработкой.

Содержание

• 1 Процесс
• 2 Преимущества
• 3 Недостатки
  • 3.1 Литье против силы тяжести
  • 3.2 Литье под давлением в вакууме
• 4 Подробности
• 5 История
• 6 Области применения
• 7 См. Также
• 8 Ссылки
  • 8.1 Примечания
  • 8.2 Библиография
• 9 Внешние ссылки

Процесс

Восковой узор, используемый для создания лопатки турбины реактивного двигателя

Отливки могут быть изготовлены из оригинальной восковой модели (прямой метод) или из восковых копий оригинального рисунка, не обязательно из воска (непрямой метод). Следующие шаги описывают косвенный процесс, который может занять от двух до семи дней.

1. Создание эталонного рисунка : Художник или изготовитель форм создает оригинальный рисунок из воска, глины, дерева, пластика. или другой материал. В последние годы стало популярным изготовление шаблонов с использованием 3D-печати с использованием в основном SLA- или DLP-принтеров на основе смолы для шаблонов с высоким разрешением или стандартной нити накала PLA, когда не требуется высокий уровень точности. При использовании шаблона, напечатанного на 3D-принтере, переходите непосредственно к шагу 5.
2. Создание формы : пресс-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 непосредственно по шаблону. В качестве альтернативы эталонный штамп может быть обработан независимо - без создания эталонного шаблона.
3. Изготовление восковых шаблонов : материалы шаблона, которые называются восковыми шаблонами, также могут включать пластик и замороженную ртуть. 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 ей остыть как твердый объект.. 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 того, как продукт затвердеет.
4. Сборка восковых моделей : Можно создать несколько восковых моделей и собрать их в один большой образец для отливки за одну порционную заливку. 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 шаблонов. Восковые рисунки также можно вырезать, что означает стирание линий разъема или штрихов с помощью нагретого металлического инструмента. Наконец, выкройки обрабатываются (удаляя дефекты), чтобы они выглядели как готовые изделия.
5. Нанесение паковочной массы : керамическая форма, известная как паковочная масса, изготавливается путем повторения ряда этапов - нанесения покрытия, лепки и упрочнения. - пока не будет достигнута желаемая толщина. Покрытие включает в себя погружение шаблона кластера в суспензию тонкого огнеупорного материала, а затем слив, чтобы создать равномерное покрытие 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 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. 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. Обычными огнеупорными материалами, используемыми для создания паковочной массы, являются: диоксид кремния, циркон, различные силикаты алюминия и оксид алюминия. Кремнезем обычно используется в форме плавленого кварца, но иногда используется кварц, поскольку 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 (я) обычно используются огнеупоры на основе циркония, потому что цирконий с меньшей вероятностью вступит в реакцию с расплавленным металлом. До кремнезема использовалась смесь гипса и измельченных старых форм (шамот ). Связующие вещества, используемые для хранения огнеупорного материала на месте включают в себя: этилсиликатная (спиртовой основе и химически установлен), коллоидный диоксид кремния (на водной основе, также известный как золя оксида кремния, установленный сушка), силикат натрия и их гибрид, контролируемый для pH и вязкости.
6. Депарафинизация : после полного отверждения керамических форм их переворачивают вверх. -вниз и помещен в печь или автоклав для расплавления и / или испарения парафина. Большинство отказов оболочки происходит в этот момент, потому что используемые парафины имеют коэффициент теплового расширения , который намного больше, чем у окружающего его паковочного материала - при нагревании воск расширяется и вызывает 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 форме можно просверлить отверстия, чтобы снизить эти напряжения. Любой воск, который вытекает из формы, обычно восстанавливается и используется повторно.
7. Предварительный прогревание : Затем форма подвергается выгоранию, при котором она нагревается до температуры от 870 ° C до 1095 ° C для удаления влаги и остаточный воск и 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 отремонтировать с помощью керамической суспензии или специальных цементов.
8. 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 в противном случае были бы трудно заполнить.
9. Удаление : корпус забивается, струйная очистка, вибрирует, сжимается или химически растворяется (иногда с жидкий азот ), чтобы освободить отливку. Литник отрезается и перерабатывается. Затем отливку можно очистить, чтобы удалить следы процесса литья, обычно с помощью шлифования.
10. Чистовой обработки : После шлифования законченная отливка затем 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 требует дополнительной правки, этот процесс обычно выполняется с помощью гидравлических правильных прессов, которые доводят изделие до его допусков.

• 

  Паковочная форма для литья турбокомпрессора ротора

• 

  Вид на внутреннюю инвестицию показывает гладкую поверхность и высокий уровень детализации

• 

  Готовая деталь

Преимущества

• Превосходная обработка поверхности
• Высокая точность размеров
• Чрезвычайно сложная детали можно отливать
• Почти любой металл можно отливать
• Отсутствие заусенцев и разделительных линий

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 механической обработки из пруткового материала ; например, производство оружия перешло на литье по выплавляемым моделям, чтобы снизить затраты на производство пистолетов.

Кроме того:

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

Литье против силы тяжести

Разновидностью техники разливки под действием силы тяжести является заполнение формы с использованием вакуума. Распространенная форма этого процесса называется Hitchiner process в честь компании Hitchiner Manufacturing Company, которая 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 заливке под действием силы тяжести, поскольку литник и некоторые литники не требуют затвердевания.

Этот метод более эффективен по металлу, чем традиционная разливка, поскольку в литниковой системе затвердевает меньше материала. При разливке под действием силы тяжести выход металла составляет от 15 до 50% по сравнению с 60-95% при разливке противодавления. Также имеется меньшая турбулентность, поэтому систему вентиляции можно упростить, поскольку она не должна контролировать турбулентность. Металл вытягивается снизу верхней части ванны, поэтому металл не содержит шлака и шлака (которые имеют меньшую плотность (легче) и всплывают в верхнюю часть ванны). Перепад давления помогает металлу течь во все детали пресс-формы. И, наконец, более низкие температуры могут быть использованы, что улучшает структуру зерна.

Этот процесс также используется для литого огнеупорного керамика под термином вакуумного литья.

Литье вакуумное давление

Отливка под вакуумом (VPC), правильно именуемая 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 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. Наиболее распространенными материалами для процесса вакуумного литья являются сплавы на основе никеля и суперсплавы. Для этого процесса литья часто используются турбокомпрессоры, 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. Пределы поперечного сечения составляют от 0,6 мм (0,024 дюйма) до 75 мм (3,0 дюйма). Типичные отклонения 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 микрометра (50–125 мкдюймов) RMS.

История

История литья по выплавляемым моделям насчитывает тысячи лет. Вначале его использовали для изготовления идолов, украшений и украшений, с использованием натурального пчелиного воска для узоров, глины для форм и ручного управления сильфон для топочных печей. Примеры были обнаружены по всему миру, например, в идолах Хараппанской цивилизации (2500–2000 до н.э.), гробницах Тутанхамона (1333–1324) в Египте (1333–1324). До н.э.), Месопотамия, ацтеков и майя Мексика, а также бенинская цивилизация в Африке, 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. Теофилом Пресвитером, монахом, который описал различные производственные процессы, включая рецепт для пергамент. Этой книгой пользовался 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 в Флоренции, Италия.

Литье по выплавляемым моделям стало использоваться как современный производственный процесс в конце XIX века, когда стоматологи начали использовать его для изготовления коронки и инкрустации, как описано Барнабасом Фредериком Филбруком из Каунсил-Блафс, Айова в 1897 году. Его использование было ускорено Уильямом Х. Таггартом из Чикаго, чья статья 1907 года описывала его разработку техники. 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 прецизионное изготовление формы сетки и специализированные сплавы, которые нельзя было формовать традиционными методами., или это потребовало 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.

Применения

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 направо: Питер Диамандис, Крис Левики и Стив Юрветсон.

Литье по выплавляемым моделям используется в аэрокосмической и электроэнергетической отраслях для производства турбин. лопасти сложной формы или системы охлаждения. 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 низким ценам.

Карстен Сольхейм произвел революцию в клюшке для гольфа дизайн через свою компанию PING, впервые применив литье по выплавляемым моделям для головорезов. 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.

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. Planetary Resources использовал эту технику для печати формы для нового небольшого спутника, который затем погружали в керамику, чтобы сформировать отливку для титана <15.>космический автобус со встроенным топливным баком и прокладкой кабеля.

См. Также

• Инженерный портал

• Литье в полную форму
• Литье по потерянной пене

Ссылки

Примечания

Библиография

• Американское общество для металлов; Международный справочный комитет ASM; ASM International Alloy Phase Diagram Committee (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.
• Sias, Fred R. (2006), Литье по выплавляемым моделям: старые, новые и недорогие методы (иллюстрированное издание), Woodsmere Press, ISBN 978-0-9679600-0-5.
• Калпакджян, Серопе; Шмид, Стивен (2006), Manufacturing Engineering and Technology (5-е изд.), Pearson, ISBN 0-13-148965-8.

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Литье по выплавляемым моделям.

• «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 г.
• Кевин Майклс (7 февраля 2019 г.). «Мнение: почему ахиллесовой пятке цепочки поставок 5000 лет». Авиационная неделя и космические технологии.