火车铸件技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

我国火车铸件一般采用熔模铸造法，我国是于上世纪五、六十年代开始将熔模铸造应用于工业生产。其后这种先进的铸造工艺得到巨大的发展，相继在航空、汽车、机床、船舶、内燃机、气轮机、电讯仪器、武器、医疗器械以及刀具等制造工业中被广泛采用，同时也用于工艺美术品的制造。

总体上，我国铸造领域的学术 研究 并不落后，很多 研究 成果居国际先进水平，但转化为现实生产力的少。国内铸造生产技术水平高的仅限于少数骨干企业， 行业 整体技术水平落后，铸件质量低，材料、能源消耗高，经济效益差，劳动条件恶劣，污染严重。具体表现在，模样仍以手工或简单机械进行模具加工；铸造原辅材料生产供应的社会化、专业化、商品化差距大，在品种质量等方面远不能满足新工艺新技术发展的需要；铸造合金材料的生产水平、质量低；生产管理落后；工艺设计多凭个人经验，计算机技术应用少；铸造技术装备等基础条件差；生产过程手工操作比例高，现场工人技术素质低；仅少数大型汽车、内燃机集团铸造厂采用先进的造型制芯工艺，大多铸造企业仍用震压造型机甚至手工造型，制芯以桐油、合脂和粘土等粘结剂砂为主。大多熔模铸造厂以水玻璃制壳为主；低压铸造只能生产非铁或铸铁中小件，不能生产铸钢件；用EPC技术稳定投入生产的仅限于排气管、壳体等铸件，生产率在30型/小时以下，铸件尺寸精度和表面粗糙度水平低；虽然建成了较完整的铸造 行业 标准体系，但多数企业被动执行标准，企业标准多低于GB（国标）和ISO（国际标准），有的企业废品率高达30%；质量和市场意识不强，仅少数专业化铸造企业通过了ISO9000认证。结合铸造企业特点的质量管理 研究 十分薄弱。

近年开发推广了一些先进熔炼设备，提高了金属液温度和综合质量，如外热式热风冲天炉开始应用，但为数少，使用铸造焦的仅占1%。一些铸造非铁合金厂仍使用燃油、焦炭坩埚炉等落后熔炼技术。冲天炉-电炉双联工艺仅在少数批量生产的流水线上得以应用。少数大、中型电弧炉采用超高功率（600-700kVA/t）技术。

开始引进AOD、VOD等精炼设备和技术，提高了高级合金铸钢的内在质量。重要工程用的超低碳高强韧马氏体不锈钢，采用精炼技术提高钢液纯净度，性能改善。0Cr16Ni5Mo、Cr13Ni5Mo铸造马氏体不锈钢在保持原有韧性基础上，屈强比由0.70-0.75提高到0.85-0.90，强度提高30%-60%，硬度提高20%-50%。

广泛应用国内富有稀土资源，如稀土镁处理的球墨铸铁在汽车、柴油机等产品上应用；稀土中碳低合金铸钢、稀土耐热钢在机械和冶金设备中得到应用；初步形成国产系列孕育剂、球化剂和蠕化剂，推动了铸铁件质量提高。

高强度、高弹性模量灰铸铁用于机床铸件，高强度薄壁灰铸铁件铸造技术的应用，使最薄壁厚达4-6mm的缸体、缸盖铸件本体断面硬度差小于HB30,组织均匀致密。灰铸铁表面激光强化技术用于生产。人工智能技术在灰铸铁性能预测中应用。蠕墨铸铁已在汽车排气管和大马力柴油机缸盖上应用，汽车排气管使用寿命提高4~5倍。钒钛耐磨铸铁在机床导轨、缸套和活塞环上应用，寿命提高1-2倍。高、中、低铬耐磨铸铁在磨球、衬板、杂质泵、双金属复合轧辊上使用，寿命提高。应用过滤技术于缸体、缸盖等高强度薄壁铸件流水线生产中，减少了夹渣、气孔缺陷，改善了铸件内在质量。

国产水平连铸生产线投入市场，可生产Φ30-250mm圆形及相应尺寸的方形、矩形或异形截面的灰铸铁及球墨铸铁型材。与砂型比，性能提高1-2个牌号，铁液利用率提高到95%以上，节能30%，节材30-50%，毛坯加工合格率达95%以上。

铸铁管 行业 引进23套Φ1000mm以下的中型球墨铸铁管离心铸造成套设备，其中20套目前正在正常生产。此外，用我国自行研制的球墨铸铁管离心铸造设备生产了Φ2600mm铸管，其中正常批量生产的铸管管径达到2200mm，而且我国自行研制的铸管离心铸造设备管径已可达到3000mm。

金属基复合材料 研究 有进步，短纤维、外加颗粒增强、原位颗粒增强 研究 都有成果，但较少实现工业应用。

某些重点 行业 的骨干铸造厂采用了直读光谱仪和热 分析 仪，炉前有效控制了金属液成分，采用超声波等检测方法控制铸件质量。

环保执法力度日渐加强，迫使铸造业开始重视环保技术。沈阳铸造 研究 所等开发了大排距双层送风冲天炉和冲天炉除湿送风技术；我国初建铸造焦生产基地，形成批量规模。铸造尘毒治理、污水净化、废渣利用等取得系列成果，并开发出多种铸造环保设备（如震动落砂机除尘罩、移动式吸尘器、烟尘净化装置、污水净化循环回用系统，铸造旧砂干湿法再生技术及设备、铸造废砂炉渣废塑料制作复合材料技术和设备等）。

商品化CAE软件已上市。一些大中型铸造企业开始在熔炼方面用计算机技术，控制金属液成分、温度及生产率等。成都科技大学研制成砂处理在线控制系统，清华大学等开发了计算机辅助砂型控制系统软件，华中科技大学成功开发商品化铸造CAE软件。

铸造业互联网发展快速，部分铸造企业网上电子商务活动活跃，如一些铸造模具厂实现了异地设计和远程制造。

铸造专家系统 研究 虽然起步晚，但进步快。先后推出了型砂质量管理专家系统、铸造缺陷 分析 专家系统、自硬砂质量 分析 专家系统、压铸工艺参数设计及缺陷诊断专家系统等。机械手、机器人在落砂、铸件清理、压铸及熔模铸造生产中开始应用。

第二节 产品工艺特点或流程

所谓熔模铸造工艺，简单说就是用易熔材料（例如蜡料或塑料）制成可熔性模型（简称熔模或模型），在其上涂覆若干层特制的耐火涂料，经过干燥和硬化形成一个整体型壳后，再用蒸汽或热水从型壳中熔掉模型，然后把型壳置于砂箱中，在其四周填充干砂造型，最后将铸型放入焙烧炉中经过高温焙烧（如采用高强度型壳时，可不必造型而将脱模后的型壳直接焙烧），铸型或型壳经焙烧后，于其中浇注熔融金属而得到铸件。

熔模铸件尺寸精度较高，一般可达ct4-6（砂型铸造为ct10~13，压铸为ct5~7）,当然由于熔模铸造的工艺过程复杂，影响铸件尺寸精度的因素较多，例如模料的收缩、熔模的变形、型壳在加热和冷却过程中的线量变化、合金的收缩率以及在凝固过程中铸件的变形等，所以普通熔模铸件的尺寸精度虽然较高，但其一致性仍需提高（采用中、高温蜡料的铸件尺寸一致性要提高很多）。

压制熔模时，采用型腔表面光洁度高的压型，因此，熔模的表面光洁度也比较高。此外，型壳由耐高温的特殊粘结剂和耐火材料配制成的耐火涂料涂挂在熔模上而制成，与熔融金属直接接触的型腔内表面光洁度高。所以，熔模铸件的表面光洁度比一般铸造件的高，一般可达ra.1.6~3.2μm。

熔模铸造最大的优点就是由于熔模铸件有着很高的尺寸精度和表面光洁度，所以可减少机械加工工作，只是在零件上要求较高的部位留少许加工余量即可，甚至某些铸件只留打磨、抛光余量，不必机械加工即可使用。由此可见，采用熔模铸造方法可大量节省机床设备和加工工时，大幅度节约金属原材料。

熔模铸造方法的另一优点是，它可以铸造各种合金的复杂的铸件，特别可以铸造高温合金铸件。如喷气式发动机的叶片，其流线型外廓与冷却用内腔，用机械加工工艺几乎无法形成。用熔模铸造工艺生产不仅可以做到批量生产，保证了铸件的一致性，而且避免了机械加工后残留刀纹的应力集中。

第三节 国内外技术未来发展趋势 分析

熔模精密铸造生产具有许多优点，但其同时具有工序多，工艺过程复杂，生产周期长，影响铸件质量的因素较多的缺点，在一定程度上制约了精密铸造的应用和发展。随着计算机技术的快速发展，计算机技术在精铸中的应用，从精铸件的结构设计、工艺制定到压型设计与制造、蜡模成型、型壳制造、型芯的制造等，给精铸件的生产带来了巨大变革。

1、计算机技术数值模拟技术在熔模精铸件结构设计及工艺制定中的应用

熔模铸件向更轻、薄及精整化方向发展，近年来提出了净形或近净形化铸造，以发挥熔模铸造的优势，满足现代工业对高质量零件的需求。这就要求熔模精铸件的结构更加合理，制定的工艺方案更加优化，对精铸技术提出了越来越高的要求。

传统的精铸件生产工艺，包括以下5个步骤：

1）铸件用户给铸造厂下达设计蓝图；

2）铸造厂作预算并从利于生产和降低成本的角度对设计提出改进意见；

3）铸造厂设计铸造工艺装备；

4）铸造厂向模具车间或造型车间下达工装图纸；

5）浇注铸件，铸件检验。

在铸件结构设计、压型设计、注蜡工艺参数制定、浇注系统等过程，传统的生产主要依靠工程技术人员的实际工作经验，缺乏科学的理论依据。特别对于复杂件和重要件，生产中往往要反复地修改铸件结构、压型或铸造工艺方案来达到最终的技术要求，计算机具有强大的计算能力和图形处理能力，能将数值 分析 技术、数据库技术、可视化技术结合经典传热、流动和凝固理论，通过模拟铸件充型、凝固及冷却， 分析 精密铸造过程的流场、温度场和应力场，预测铸件组织和许多铸造缺陷如冷隔、缩孔、热裂和变形等。因此可以通过并行工程，利用计算机技术对铸件的结构工艺性、铸造工艺进行模拟，为技术人员设计较合理的铸件结构和确定合理的工艺方案提供了有效的依据，从而避免传统的依靠经验进行结构设计和工艺制定的盲目性，可以缩短生产准备周期，节约试制成本。

数值模拟过程示意图

2、快速样件制造技术在压型及熔模制造中的应用

快速样件制造技术的出现，使压型和熔模的制造周期大大缩短。所谓快速样件制造就是首先在计算机上，形成熔模铸件的三维CAD数据文件，将之沿高度方向切割成许多薄片，然后按次序制造和组合，最终形成一个立体形状的制品。

1）用快速样件成型方法制造压型

根据成型方法，将快速样件成型方法制造压型可分为两种：一种是先用快速样件制作方法制成树脂或蜡质母模（原型），再用它来翻制环氧树脂或硅橡胶压型。此法生产压型可以满足小批量精铸件生产。如在SLA法制作的塑料母模表面喷涂约2mm厚的金属层，并在其后部充填环氧树脂制成金属-环氧树脂复合压型，可以满足数百件批量的精铸件生产。

另一种方法是根据CAD系统生产的压型型块几何模型，直接由SLA、SLS等法制成树脂压型。SLS法制造压型是将加工对象由树脂粉末换成表面带一薄层热固性树脂的钢粉，经激光烧结后，粘结成压型，然后再焙烧制品，将树脂烧掉，最后以铜液渗入，就可获得与金属性能相似的压型。

2）快速样件成型方法制造熔模

快速样件成型方法-SLA法、SLS法、FDM法和LOM法，均可用于快速制造熔模。使用SLS法和FDM法制作的蜡模，可以直接用于精铸件生产用的熔模；LOM法生产的纸制品，需对其外表面喷涂聚氨酯后，方可作为"熔模"进行制壳，或直接将纸制品外涂挂陶瓷型壳，而后将纸模烧掉。SLA法是用新型树脂生产树脂模样，将未固化的树脂倒出，而形成中空模样，硬化后，用蜡将树脂排出口密封，然后装上蜡质浇注系统，就可制壳了。

快速样件成型方法制造熔模工艺概况

3、DSPC法直接制造型壳

直接型壳制造又称DSPC法，与迄今所有的制壳工艺都有本质的不同，主要由型壳设计（SDV）和型壳制造（SPU）两大部分组成。

SDV法是将所制零件的CAD模型转换为型壳的数字化零件，并显示在屏幕上，当确定好每个型壳上零件的数量、型壳壁厚以及收缩率、浇注系统等铸造参数后，计算机就很快显示所制铸件型壳的几何形状，并进行铸造工艺的模拟，然后将有关数据传输给SPU。

SPU控制着一个可以精确上下移动的活塞，活塞上连接着一个料箱；与装有细陶瓷粉料斗相连的喷头，首先在料箱中均匀"喷铺"一薄层细陶瓷粉末；另外，计算机根据SPU数据控制着一个喷射印刷头，从中可以喷射出硅溶胶粘结剂，当印刷头在料箱中掠过细陶瓷粉时，根据指令"喷"出粘结剂。这样在有粘结剂的区域，将耐火材料粘在一起，形成型壳的一个截面，然后活塞向下移动，喷头再喷出一层粉料……。这样一层一层进行，最后制成整体型壳。未被粘结的耐火材料粉料可对粘结层起支撑作用，焙烧后，回收未粘结的粉末，就可以浇注金属液了。其工作原理见图2。DSPC法使熔模铸造省去了制造压型、制造蜡模及涂挂工序，工艺过程大大简化，而且由于不用考虑蜡模变形等因素，可制得近净形零件。利用此工艺的工厂，可在收到定单后的一周内交付熔模铸件。

直接型壳制造法（DSPC）

4、利用计算机控制激光制作陶瓷型芯

许多精铸件需要制作陶瓷型芯特别是复杂、精细的陶瓷型芯，如涡轮发动机空心叶片等，计算机可以根据CAD数据，控制激光束在陶瓷型芯上精确地加工出各种不同结构的型芯，特别是对于用传统制芯工艺很难制出的型芯，更显出其优点。

5、并行工程和集成技术在精铸业中的应用展望

计算机技术的不断发展和普及，并行工程和集成技术在精铸业中的应用将会逐渐广泛，将成为精铸业未来的发展趋势。

1）并行工程

并行工程就是将精铸件用户与精铸厂之间建立起紧密联系的电子数据通讯网，使用户和铸造厂之间进行并行的产品和工艺设计。用户通过此网向铸造厂下达精铸件的电子化模型图，铸造工程师可从计算机工作站中看到所生产零件的三维图象，确定几组工艺方案后在计算机上进行工艺方案的数值模拟，可以显示出不同工艺条件下可能存在的问题，如热裂、缩孔等，铸造工程师再迅速将有缺陷的电子化模型数据文件传递给用户和设计师，以便作出改进而获得高质量铸件。同样，压型、熔模、型壳制造的过程也可以实现并行，这样可以极大缩短研制、开发生产周期，降低成本，提高产品的市场竞争力。

2）集成技术

对于一个未采用CAD系统设计的零件或要复制某一样件，可以采用CT检测技术、数值模拟和快速样件制造集成技术。

CT技术即计算机层析射线摄影法，是一种X射线检测技术，能用来获得零件断面的二维图象，将各断面二维图象组合，就可以获得被测对象的三维立体形态。利用此技术，可以精确获得铸件的CAD模型数据，结合快速样件制造和数值模拟，可以缩短生产准备时间，降低制造型壳的成本。同时，CT技术测得的零件形状，可以用来对比设计铸件和生产铸件的尺寸；检测实际铸件和设计铸件的缺陷位置和数值模拟预测结果的符合程度。

5、计算机在精铸业中的应用，克服了精铸生产过程的缺点，使得精铸生产技术更加灵活，适应性更强，更适应现代工业对铸件快速、优质、复杂的要求。

1）计算机技术数值模拟技术在熔模精铸件结构设计及工艺制定中的应用，为技术人员设计较合理的铸件结构和确定合理的工艺方案提供了有效的依据。

2）快速样件制造技术在压型及熔模制造中的应用，使压型和熔模制造周期大大缩短。

3）DSPC法直接制造型壳，省去了传统制壳一层一层涂挂型壳的漫长周期。

4）利用计算机控制激光制作陶瓷型芯，可以生产出复杂的陶瓷型芯。

5）计算机技术的不断发展和普及，并行工程和集成技术在精铸业中的应用将会逐渐广泛，将成为精铸业未来的发展趋势。
 

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