铸造技术发展趋势及新一代精确铸造技术

发展方向

轻量化、精确化、强韧化、高效化、数字化、网络化和清洁化

一、铸件轻量化

近年来，对通过降低产品自重，以降低能源消耗和减少环境污染，提出了更迫切的需要，由于铝、镁合金的质量轻以及它们的优异性能，受到各国的普遍重视，尤其是镁合金是金属中最轻的，而且其产品材料回收率高，被认为是一种最具开发和发展前途的“绿色材料”。例如，美国福特汽车公司新车型中使用的主要材料中钢铁用量将大幅度减少，将从978kg降低到218kg，而铝及镁合金将显著增加，铝合金将从129kg增加到333kg，镁合金将从4.5kg增加到39kg。专家预测，到2009年，74%的汽车发动机汽缸体及98%的缸盖将用铝合金铸造。

二、铸件的精确化——新一代的精确铸造技术

名称

原理和特点

适用生产的铸件

出品率

毛坯

利用率

应    用

材料

(1)质量

(2)最小壁厚/mm

(1)尺寸公差

(2)表面粗糙度/μm

形状

特征

批量

/%

消 失 模 铸 造

是先用成形机获得零件形状的泡沫塑料模型(代替铸模进行造型)，接着涂抹耐火涂料及干燥，然后放入砂箱中填砂，并直接浇注液体金属，烧去塑料模型，得到铸件的方法。是一种近无余量，精确成形的新工艺

它无需取模，无分型面，无砂芯，并减少了由于型芯组合、合型而造成的尺寸误差，因此，铸件没有飞边、毛刺和超模斜度，尺寸精度高；工序简单，生产效率高；生产清洁，工人劳动强度低，要求技术熟练程度低；零件设计自由度大；投资少，成本低；但生产准备较复杂

合肥合力叉车集团公司生产的这类铸件，已达国际先进水平

铝合金、铜合金、铁、钢

(1)从数克到数吨

(2)铝合金2～3，铸铁4～5，铸钢5～6

(1)CT6～CT

9级

(2)R_a＝6.3～12.5，加工余量最多为1.5～2mm

各

种

形

状

铸

件

干砂振动造型，大批量，中、小件；自硬砂造型，单件，小批量，中、大件

40～75

70～80

铸件结构越复杂，砂芯越多，越能体现其优越性和经济性。目前国外多用在汽车发动机缸体、缸盖、进气歧管等铝合金铸件上，国内多是管件、耐磨耐热件、齿轮箱等钢铁铸件

顺 序 凝 固 熔 模 铸 造

由于科学技术的发展，传统的失蜡铸造技术已发展成为顺序凝固熔模铸造新技术，可以直接生产高温合金单晶体燃气轮机叶片

(见图)，这是精确铸造成形技术在航空、航天工业中应用的杰出范例。从20世纪60年代初期等轴晶高温合金实心涡轮叶片发展到20世纪90年代中期单晶高温合金空心涡轮叶片，叶片的承温能力提高了400℃左右。单晶高温合金涡轮叶片已在航空发动机上获得广泛应用(见图1)。美国第四代战斗机F22所用的推重比为10的发动机的第二代单晶合金高压涡轮空心工作叶片是材料与铸造成形制造技术高度集成的杰出体现。在这方面，我国与美国等工业发达国家相比，仍有较大差距。

图1  单晶高温合金涡轮叶片的应用

熔模铸造(又称失蜡铸造)

它是用可熔(溶)性一次模和一次型(芯)使铸件成形的方法。其铸件接近零件最后形状，可不加工，或加工量很小，就可直接使用，是一种近净形生产金属零件的先进工艺

它可以铸造形状复杂的铸件；产品精密；合金材料不受限制；生产灵活性高，适应性强

但生产铸件尺寸不能太大，工艺流程烦琐，铸件冷却速度较慢，生产周期长

铝、镁、铜、钛四种合金，铸铁、碳钢、不锈钢、合金钢、贵金属、镍、钴基高温合金

(1)1g到1t

(2)最小壁厚

0.5mm，最小孔径05mm，轮廓尺寸从几毫米到上千毫米

(1)CT4～CT6级

(2)R_a＝0.4～3.2μm

复杂

铸件

小、中、大批量

30～60

90

主要用于精密复杂的中、小铸件，目前几乎已应用于所有工业部门，如航空航天、造船、汽轮机、燃气轮机、兵器、电子、石油、化工、交通运输、机械、泵、阀、纺织、医疗、仪器仪表、家电等

半   固   态   金   属   铸   造

是利用球状初生固相的固液混合浆料铸造成形；或先将这种固液混合浆料完全凝固成坯料，再根据需要将坯料切分，并重新加热至固液两相区，利用这种半固态坯料进行铸造成形。这两种方法均称为半固态金属铸造。其工艺过程主要分为两大类工艺过程

由于半固态金属及合金坯料的加热、输送很方便，并易于实现自动化操作，因此，当固态金属触变压铸和触变锻造已成为当今金属半固态成形中的主要工艺方法。但流程更短、成本更低的半固态金属及合金的流变成形技术也正在逐步进入实际商业应用

例如，利用触变铸造法，1997年美国两家半固态铝合金成形工厂的生产能力分别达到每年5000万件，近年来，它的一些主要零件毛坯年产量为:制动总泵体240万件，油道和发动机支架各100万件，摇臂座150万～200万件，同步带托座20万件。另一公司利用镁合金触变射铸技术生产了50余万件半固态镁合金汽车零件。北京科技大学也成功连续铸出球状初生晶粒的AlSi7Mg合金坯料，并触变成形出汽车制动总泵壳及其他零件，触变成形实验达到中试水平等

工 艺 过 程 分 类

(1)流变铸造　是利用剧烈搅拌等方法制出预定固相分散的半固态金属料浆进行保温，然后将其直接送入成形机，铸造或锻造成形。采用压铸机成形的称为流变压铸，采用锻造机成形的，称为流变锻造

图2  半固态金属流变压铸示意图

1—搅拌棒；2—合金液；3—加热器；4—冷却器；5—搅拌室；

6—半固态合金浆料；7—压射冲头；8—压铸压射室；9—压铸型

(2)触变铸造　也是利用剧烈搅拌等方法制出球状晶的半固态金属料浆，并将它进一步凝固成锭坯或坯料，再按需要将坯料分切成一定大小，重新加热至固液两相区，然后利用机械搬运将其送入成形机，进行铸造或锻造。根据采用成形机不同，也可分为触变压铸、触变锻造等

图3  半固态金属触变压铸示意图

图4  半固态金属触变压铸设备平面布置图

1—坯料搬运机器人；2—H-630SC型压铸机；3—铸件抓取机器人；

4—浇注系统锯切机构；5—铸件冷却箱；

6—涂料喷涂装置；7—加热系统

优

点

①在重力下，重熔加热后的黏度很高，可机械搬运，便于实现自动化，在高速剪切作用下，黏度又可迅速降低，便于铸造；②生产效率高；③改善了金属的充型过程，不易发生喷溅，减少了合金的氧化和铸件裹气，提高了铸件的致密性，可通过热处理进一步强化，其强度比液体金属压铸件更高；④减少了凝固收缩，铸件收缩孔洞减少，可承受更高液体压力；⑤铸件不存在宏观偏析，性能更均匀；⑥其固相分散，便于调整，借此改变半固态金属料浆或坯料的表面黏度以适应不同工件的成形要求；⑦铸件为近终化成形，大幅度减少毛坯加工量，降低了生产成本；⑧充型温度低，减轻了对模具的热冲击，提高了模具寿命；⑨节约能源25%～30%；⑩操作更安全，工作环境更好；(11)半固态金属的黏度较高，便于加入增强材料(颗粒或纤维)廉价生产复合材料；(12)充填应力显著降低，因此，可成形很复杂的零件毛坯，其铸件性能与固态锻件相当，而降低了成本

不同铸件力学性能比较

A356和A357合金半固态触变压铸件与其他铸件的力学性能比较

合金

种类

成形

工艺

热处

理工

艺

屈服

强度

/MPa

抗拉

强度

/MPa

伸长

率

/%

硬度

HBS

合金

种类

成形

工艺

热处

理工

艺

屈服

强度

/MPa

抗拉

强度

/MPa

伸长

率

/%

硬度

HBS

A356

SSM

SSM

SSM

SSM

SSM

PM

PM

CDF

铸态

T4

T5

T6

T7

T6

T51

T6

110

130

180

240

26

186

138

280

220

250

255

320

310

262

186

340

14

20

5～10

12

9

5

2

9

60

70

80

105

100

80

—

—

A357

SSM

SSM

SSM

SSM

SSM

PM

PM

铸态

T4

T5

T6

T7

T6

T51

115

150

200

260

290

296

145

220

275

285

330

330

359

200

7

15

5～10

9

7

5

4

75

85

90

115

110

100

—

注：SSM—半固态触变压铸件，PM—金属型铸件，CDF—闭模锻件。

快   速   铸   造

快速铸造是利用快速成形技术直接或间接制造铸造用熔模、消失模、模样、模板、铸型或型芯等，然后结合传统铸造工艺快捷地制造铸件的一种新工艺

快速铸造与传统铸造比较有下列特点：

(1)适宜小批量、多品种、复杂形状的铸件

(2)尺寸任意缩放，数字随时修改，所见即所得

(3)工艺过程简单，生产周期短，制造成本低

(4)返回修改容易

(5)CAD三维设计所有过程基于同一数学模型

(6)设计、修改、验证、制造同步

快速铸造可以将CAD模型快速有效地转变为金属零件。它不仅能使过去小批量、难加工、周期长、费用高的铸件生产得以实现，而且将传统的分散化、多工序的铸造工艺过程集成化、自动化、简单化。它的推广应用对新产品开发试制和单件小批量铸件的生产，产生积极的影响，SLA或SL适合成形中、小件，可直接得到类似塑料的产品

快速成形技术 是指在计算机控制与管理下，根据零件的CAD模型，采用材料精确堆积的方法制造原型或零件的技术，是一种基于离散/堆积成形原理的新型制造方法

原    理

它是先由CAD软件设计出所需零件的计算机三维实体模型，即电子模型。然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，把原来的三维电子模型变成二维平面信息(截面信息)。再将分层后的数据进行一定的处理，加入加工参数，生成数控代码，在微机控制下，数控系统以平面加工方式，顺序地连续加工出每个薄层模型，并使它们自动粘接成形。这样就把复杂的三维成形问题变成了一系列简单的平面成形问题

图5  快速成形的原理

特    点

它是一种新的成形方法，不同于传统的铸、锻、挤压等“受迫成形”和车、铣、钻等“去除成形”。它几乎能快速制造任意复杂的原型和零件，而零件的复杂程度对成形工艺难度、成形质量、成形时间影响不大

(1)高度柔性　它取消了专用工具，在计算机的管理和控制下可以制造任意复杂形状的零件，将信息过程和物理过程高度相关地并行发生，把可重编程、重组、连续改变的生产装备用信息方式集中到一个制造系统中，使制造成本完全与批量无关

(2)技术高度集成　是计算机技术、数控技术、激光技术、材料技术和机械技术的综合集成。计算机

图6  快速成形的过程

和数控技术为实现零件的曲面和实体造型、精确离散运算和繁杂的数据转换，为高速精确的二维扫描以及精确高效堆积材料提供了保证；激光器件和功率控制技术使采用激光能源固化、烧结、切割材料成为现实；快速扫描的高生产率喷头为材料精密堆积提供了技术条件等

(3)设计、制造一体化　由于采用了离散/堆积的加工工艺，工艺规划不再是难点，CAD和CAM能够顺利地结合在一起，实现了设计、制造一体化

(4)快速性　从CAD设计到原型加工完毕，只需几小时至几十小时，复杂、较大的零部件也可能达几百小时，从总体看，比传统加工方法快得多

几  种  典  型  工  艺

(1)液态光敏聚合物选择性固化成形

(简称SLA或SL)　这种工艺的成形机原理如图7所示，由液槽、升降工作台、激光器(为紫外激光器，如氦隔激光器、氩离子激光器和固态激光器)、扫描系统和计算机数控系统等组成。液槽中盛满液态光敏聚合物，带有许多小孔的升降工作台，在步进电动机的驱动下，沿Z轴作往复运动，激光器功率一般为10～200mW，波长为320～370nm，扫描系统为一组定位镜，它根据控制系统的指令，按照每一截面轮廓的要求作高速往复摆动，从而使激光器发出的激光束发射并聚焦于液槽中液态光敏聚合物的上表面，并沿此面作X-Y方向的扫描运动。在受到紫外激光束照射的部位，液态光敏聚合物快速固化形成相应的一层固态截面轮廓

图7  液态光敏聚合物选择性固化成形机原理

1—激光器；2—扫描系统；3—刮刀；4—可升降工作台

1；5—液槽；6—可升降工作台2

它的成形过程如图8所示，升降工作平台的上表面处于液面下一个截面层厚的高度，该层液态光敏聚合物被激光束扫描发生聚合固化，并形成所需第一层固态截面轮廓后，工作台下降一层高度，液态光敏聚合物流过已固化的截面轮廓层，刮刀按设定的层高，刮去多余的聚合物，再对新铺上的一层液态聚合物进行扫描固化，形成第二层所需固态截面轮廓，它牢固地黏结在前一层上，如此重复直到整个工件成形完成

图8  液态光敏聚合物选择性固化成形过程

1—液槽；2—刮刀；3—可升降工作台；4

—液态光敏聚合物；5—制件

(2)薄形材料选择性切割成形(简称LOM) 这种工艺的成形机原理如图9所示，它由计算机、原材料存储及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统、模型取出装置和机架等组成。其成形过程如图10所示，计算机接受和存储工件的三维模型，沿模型的高度方向提取一系列的横截面轮廓线，向数控系统发出指令，原材料存储及进给机构将存于其中的原材料逐步送至工作台上方，热粘压机构将一层层材料粘合在一起。激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线，逐一在工作台上方的材料上切割出轮廓线，并将无轮廓区切割成小方网格，这是为了在成形之后能剔除废料，可升降工作台支承正在成形的工件，并在每层成形之后，降低一层材料厚度，以便送进、粘合和切割新的一层材料。数控系统执行计算机发出的指令，使一段段的材料逐步送至工作台的上方，然后粘合、切割，最终形成三维工件

图9  薄形材料选择性切割成形机原理

1—计算机；2—激光切割系统；3—热粘压机构；

4—导向辊1；5—原材料；6—原材料存储及送进机构；

7—工作台；8—导向辊2

最适合成形中、大件以及多种模具

图10  薄形材料选择性切割成形过程

(3)丝状材料选择性熔覆成形(简称FDM) 这种工艺的成形机的原理图如图11所示，加热喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓的信息作X-Y平面运动和Z方向运动。丝状热塑性材料，如ABS及MABS塑料丝、蜡丝、聚烯烃树脂丝、尼龙丝、聚酰胺丝等由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热至熔融态，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成截面轮廓。完成一层成形后，喷头上升一截面层的高度，再进行下一层的涂覆，如此循环，最终形成三维产品。为提高成形效率，可采用多个热喷头进行涂覆。由于结构的限制，加热器的功率不能太大，因此，实芯柔性丝材一般为熔点不太高的热塑性塑料或蜡料

图11 丝状材料选择性熔覆成形机的原理

1—供丝机构；2—丝状材料；

3—制件；4—加热喷头

适合制造中、小塑料件和蜡件

(4)粉末材料选择性黏结成形(简称TDP) 是用多通道喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息在铺好的一层粉末材料上有选择性地喷射黏结剂使部分粉末黏结，形成截面轮廓。一层成形完成后，工作台下降一截面层的高度，再进行下一层的黏结，如此循环，最终形成三维工件。一般情况下，黏结得到的工件必须放在加热炉中，进一步固化或烧结，以便提高黏结强度。其工艺原理如图12所示

图12  粉末材料选择性黏结工艺原理

图13是按上述原理设计用于制作陶瓷模的TDP型快速成形机，它有一个陶瓷粉喷头1，在直线步进电动机的驱动下，沿Y方向作往复运动，向工作台面喷洒一层厚度为100～200μm的陶瓷粉；另一个黏结剂喷头2，也用步进电动机驱动，跟随1，有选择性地喷洒黏结剂，黏结剂液滴的直径为15～20μm

适合成形小件

几种典型工艺 该工艺成形工件表面不够光洁，必须对整个截面进行扫描黏结，成形时间较长。采用多喷头可提高成形效率

图13  TDP型快速成形机

1—陶瓷粉喷头；2—黏结剂喷头；3—导轨1；

4—导轨2；5—驱动电动机；6—制件

三、数字化铸造——铸造过程的模拟仿真

原  理  和  特  点

应   用

计算材料科学随着计算机技术的发展，已成为一门新兴的交叉学科，是除实验和理论外解决材料科学中实际问题的第三个重要研究方法。它可以比理论和实验做得更深刻、更全面、更细致，可以进行一些理论和实验暂时还做不到的研究。因此，模拟仿真成为当前材料科学与制造科学的前沿领域及研究热点。根据美国科学研究院工程技术委员会的测算，它可以大幅度提高产品质量，增加材料出品率25%，降低工程技术成本13%～30%，降低人工成本5%～20%，增加投入设备利用率30%～60%，缩短产品设计和试制周期30%～60%等

多学科、多尺度、高性能、高保真及高效率是模拟仿真技术的努力目标，而微观组织模拟(从毫米、微米到纳米尺度)则是近年来研究的热点课题(图14)。通过计算机模拟，可深入研究材料的结构、组成及其各物理化学过程中宏观、微观变化机制，并由材料化学成分、结构及制备参数的最佳组合进行材料设计

图14  未来的多尺度模拟仿真

在国外，多尺寸模拟已在汽车及航天工业中得到应用。福特汽车公司提出了虚拟铝合金发动机缸体研究，其目标是能预测缸体的疲劳寿命。国内在相场法研究铝合金枝晶生长、无脆自动机法研究铝合金组织演变及汽车球墨铸铁件微观组织与性能预测等方面均已取得重要进展。最近，成功地采用CA方法研究单晶体叶片的结晶过程及组织演变

铸造过程的宏观模拟在工程应用中已是一项十分成熟的技术，已有很多商品化软件如MAGMA、PROCAST、DEFORM及中国的铸造之星(FT-STAR)等，并在生产中取得显著的经济及社会效益

①长江三峡水轮机重62t的不锈钢叶片已由中国二重集团铸造厂，采用模拟仿真技术，经反复模拟得到最优化铸造工艺方案

，一次试制成功(2000年)

②一片重218t的热轧薄板用轧机机架铸件到全部18片冷热轧机机架铸件由马鞍山钢铁公司制造厂与清华大学合作，采用先进铸造技术和凝固过程计算机模拟技术，优质完成，仅用10个月，且节约了上千万元生产费用

(1)

产品及铸造工艺设计集成系统

现代的产品设计及制造开发系统是在网络化环境下以设计与制造过程的建模与仿真为核心内容，进行的全生命周期设计。美国汽车工业希望汽车的研发周期缩短为15～25个月，而20世纪90年代汽车的研发周期为5年。美国先进金属材料加工工程研究中心提出了产品设计/制造(铸造)集成系统在网络化环境下，产品零部件的设计过程中同时要进行影响产品及零部件性能的铸造等成形制造过程的建模与仿真，它不仅可以提供产品零部件的可制造性评估，而且可以提供产品零部件的性能预测。因此，在网络化环境下，铸造过程的模拟仿真将在新产品的研究与开发中发挥重要作用。图15为产品虚拟开发与传统方法比较

图15  产品虚拟开发与传统方法比较

(2)

虚拟制造

虚拟制造是CAD、CAM和CAPP等软件的集成技术。其关键是建立制造过程的计算模型、模拟仿真制造过程。虚拟制造的基础是虚拟现实技术。所谓“虚拟现实”技术是利用计算机和外围设备，生成与真实环境一致的三维虚拟环境，使用户通过辅助设备从不同的“角度”和“视点”与环境中的“现实”交互

(3)

网

络

化

、

数

字

化

设

计

、

铸

造

与

管

理

系

统

集成的设计、制造与管理信息系统是未来铸造企业取得成功的必要条件(见图16)。所有工程、铸造与管理系统无缝连接，确保在正确的时间与地点能实时作出正确的决定。可在异地进行实时、协同的分布式生产，建成“虚拟企业”

图16  集成的设计、制造与管理信息系统

五、洁净化铸造——绿色铸造

美国在展望2010年的制造业前景时，进一步把“精确成形工艺”发展为“无废弃物成形加工技术(waste-freeprocess)”。所谓“无废弃物加工”的新一代制造技术是指加工过程中不产生废弃物；或产生的废弃物能在整个制造过程中作为原料而利用，并在下一个流程中不再产生废弃物。由于无废物加工减少了废料、污染和能量消耗，并对环境有利，从而成为今后推广的重要绿色制造技术。绿色铸造是长期的努力方向及目标，最近日本铸造工厂提出了3R的环境保护新概念(见图17)，即:减少废弃物(reduce)、再利用(reuse)及再循环(recvcle)。德国制定了《产品回收法规》

图17  与环境友好的3R日本铸造厂