大型薄壁數(shù)字化熔模精鑄與工業(yè)化應用
合肥工業(yè)大學 劉繼廣 蘇章仁 楊友文 烏南
摘要：簡要介紹了熔模精密鑄造的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，簡單介紹了大型薄壁熔模精鑄研發(fā)過程與初步成果，簡述了數(shù)字化精密鑄造技術與產品特點，詳細介紹了數(shù)字化精密鑄造工廠構成與代表產品，描述了數(shù)字化精密鑄造設備功能與特點，介紹了省級數(shù)字化精密鑄造平臺建設與科研成果。
關鍵詞：大型薄壁，數(shù)字化，熔模精鑄，生產線設備，創(chuàng)新中心，科研成果
一、 概況
熔模鑄造又稱失蠟鑄造，是在可溶性蠟模的表面逐層交叉浸涂耐火涂料、撒砂與干燥，用蒸汽或熱水等加熱方法將熔模熔去而制成整體模殼，再進行高溫焙燒、澆注、凝固而獲得鑄件的一種鑄造方法。用該法得到的鑄件尺寸精確（CT3—CT8）、表面光滑（Ra0.4—Ra12.5）、棱角清晰，所以稱為精密鑄造。
早在4000多年前已出現(xiàn)失蠟鑄造技術，最早應用的為西亞（蘇美爾人）、古代中國、埃及和印度。我國古代應用失蠟鑄造法生產各種青銅器皿、鐘鼎及藝術品，其造型復雜華麗，紋飾細致、精巧，銘文美觀、清晰。
圖1 古代精密鑄造出土文物 圖2 現(xiàn)代工業(yè)用精密鑄件
20世紀初，該方法用于澆注金銀假牙齒，隨后用于制珠寶首飾。第二次世界大戰(zhàn)期間，航空工業(yè)首先采用熔模鑄造生產噴氣渦輪發(fā)動機葉片、渦輪增壓器等形狀復雜、尺寸精確、表面質量要求高且不易機械加工的鑄件，熔模鑄造開始在航空、國防及機械制造業(yè)得以實際應用。
由于產品設計與生產工藝數(shù)字化及生產裝備自動化的缺失與不足，熔模精密鑄造通常只能制造小尺寸鑄件（≤700mm）。大型精密零件的生產通常采用鑄造、鍛壓與焊接技術制造毛坯，再用切削加工的方式實現(xiàn)，材料損耗大、工序多、成本高，周期長。目前，世界上只有歐洲、北美及中國等少數(shù)國家可以手工制作大型薄壁精密鑄件，沒有實現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)生產。
隨著世界科學技術的飛速發(fā)展，數(shù)字化、智能化技術得到了快速開發(fā)與推廣應用，大型薄壁熔模精密鑄造技術也會得到質的飛躍發(fā)展，依靠鑄件產品的集成設計、少無切削加工的“短流程”精鑄工藝、自動化與數(shù)字化裝備技術的疊加與迭代進步，在國民經(jīng)濟各工業(yè)領域的產品輕量化方面逐漸呈現(xiàn)明顯的技術優(yōu)勢，必將發(fā)揮巨大的社會與經(jīng)濟效益。
二、 基地建設
1、 概述
2011年5月9日，合肥工業(yè)大學與蘇氏工業(yè)科學技術（北京）有限公司共建“精密鑄造研究所”，開展數(shù)字化精密鑄造技術的綜合開發(fā)和應用推廣。合肥工業(yè)大學技術作價入股的我國第一個大型薄壁數(shù)字化精密鑄造試制基地于2014年4月在河南安陽正式投產，已為我國各國防工業(yè)集團制造了大量真“精”“密”的優(yōu)質金屬結構零件，成功為航空、航天等行業(yè)制造了數(shù)百種“不可能”的零件產品，范圍涉及近20個型號的導彈核心艙段、神舟、天宮、北斗、嫦娥等多項國家重點工程項目。
圖3 非對稱龍骨彈體模型與宇航服骨架
為了解決超大型精密鑄造技術工業(yè)化應用問題，合肥工業(yè)大學于2014年6月接受安陽強基精密制造產業(yè)園委托，承建超大型薄壁數(shù)字化精密鑄造成套生產線項目，開展技術方案與施工圖設計、設備制造、安裝、調試及試生產等工作。經(jīng)過兩年多的艱苦努力，于2016年10月投產運行，試制成功了一體化戰(zhàn)略與戰(zhàn)術導彈彈體、世界首臺套全鋁鑄造新能源汽車車身、車架及核電次級系列化空心葉片等大型精密鑄件（見圖4）。
圖4 乘用車整體鋁合金車架、車身與核電次級空心葉片
2、 工廠規(guī)劃
已有新建廠房（寬2X24米、長189米、軌高5與8米），廠房結構與尺寸限制了生產線布局與生產能力，生產大綱確定鑄件尺寸范圍：截面800X800mm、長度700～3000mm，實行每日兩班制，生產多品種小批量大型鋁合金鑄件，年產12,000件。
備砂、制漿、制模與制殼車間恒溫隔熱處理，模殼干燥工部需要低溫低濕環(huán)境，制模車間采取防火措施，用防火墻與防火門隔離。工部間的物流轉運采用了地軌自動轉運車、卷簾門及電動閘機配合的方式，實現(xiàn)了不同工部間的相對隔離，滿足不同的工部環(huán)境的相對穩(wěn)定要求。
公用配電室、制冷機組、蒸汽與熱水鍋爐房、液氮儲備罐及碎殼收集與儲運塔均放置在廠房外綠化帶內。
3、 總體方案
該工廠由備砂、涂料、制蠟、制殼、脫化蠟、熱工、熔鑄、切割打磨等8個生產車間組成，設備總計180臺（套）。按照研制的方式不同，分為定制設備（聯(lián)合開發(fā)）和自制設備（獨立開發(fā)）兩大類，其中定制設備71臺（套），自制設備109臺（套），還有大量通用工裝。
圖5 數(shù)字精鑄工廠總體方案示意圖
4、 工藝特點
熔模精密鑄造工藝共有備砂、制漿、制蠟、制殼、脫化蠟、焙燒、熔鑄及后處理8個工部、共計40多道工序。針對工廠工部之間物流輸送量大、交叉較多、物料品種、工序設備、運行節(jié)拍等特點，分別采用氣力輸送、薄膜泵送、特制輥道托盤與料框、RGV、AGV等輸送方式，具體情況如下：
1）制模與制殼之間有蠟模采用RGV輸送；2）制模與脫化蠟之間有液態(tài)蠟料采用保溫蠟桶AGV輸送、輔助桿蠟采用料框立庫堆垛機與RGV輸送的輸送；3）制殼與備砂車間之間砂料采用氣力輸送+RGV定量車輸送、漿料采用流體管道與薄膜泵送；4）模殼干燥與脫蠟之間、脫蠟與熱工之間、熱工與熔鑄之間及模殼加固框均用采用托盤與RGV或輥道輸送；5）后處理的鑄件與回爐料采用料框+RGV輸送。
另外，同一個工部內部也有大量物流輸送：1）制模工部內有注蠟模具（主蠟樣與輔蠟樣兩種）、靜置水箱、組焊工裝、輔助蠟模及整體蠟模的輸送與轉運；2）制殼工部內有為實現(xiàn)多層沾漿與淋砂穿梭的模殼托盤在制殼與干燥工位的多次、多工位往復轉運輸送；3）熱工爐內外模殼與托盤的轉運輸送。
5、 廢氣余熱利用
為了充分利用模殼焙燒和預熱產生的廢熱煙氣余熱，設計選用了1臺4噸/小時熱水鍋爐和1臺2噸/小時蒸汽鍋爐，熱水鍋爐用于原料蠟的熱水化蠟、制蠟車間的模具加熱、工廠的冬季取暖及員工洗澡等；蒸汽鍋爐用于脫蠟車間的脫蠟，節(jié)能降耗效益顯著。
6、 物料循環(huán)利用
通過設置淋砂工位的散落砂溜槽、面砂、過背砂氣力輸送回收系統(tǒng)，將淋砂過程中的散落砂回收到面砂和過背砂緩存砂庫中，實現(xiàn)砂料的回收、循環(huán)再利用。
通過設置與脫蠟釜連接的蠟料真空水分離、蠟料過濾及冷卻設備，將模殼脫出的蠟料再生輸送到蠟料靜置桶中，蠟料回收率達95%以上。
圖6 蠟處理與散落砂收集系統(tǒng)
7、 數(shù)字化設備
1) 制模 分為主蠟樣制備、輔蠟樣制備、桿蠟制備及蠟樣機器人組焊等4個單元。主、輔蠟樣制備采用液壓數(shù)字伺服閉環(huán)控制技術，由自主設計的專用注蠟機將合格液態(tài)蠟料按照設定壓蠟曲線（壓力、速度等）注入恒溫模具中，保證注蠟過程蠟料以層流狀態(tài)流動，形成合格蠟樣。
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圖7 數(shù)字化制模與制殼系統(tǒng)
2) 制殼 分蠟樣刻蝕和清洗、沾面漿與固漿、淋砂、干燥及加固等共計7個工序。對不同規(guī)格的工件能夠實現(xiàn)自適應、自動數(shù)字化調整。每個工件每層模殼均需要在恒溫干燥室中進行數(shù)字化脈動微風吹拂干燥。
3) 脫蠟 分蒸汽脫蠟釜、蒸汽鍋爐與儲能器及蒸汽排蠟系統(tǒng)、蠟回收再生系統(tǒng)等5個單元。其中，蒸汽壓力和流量均采用數(shù)字化控制技術，確保在10秒鐘內迅速穩(wěn)定建壓，實現(xiàn)模殼無損、快速脫蠟。
圖8 數(shù)字化脫蠟與加配料系統(tǒng)
4) 加配料 分為鋁質爐料噴砂、預熱、稱重儲運、合金料稱重及電控系統(tǒng)等5個部分。爐料噴砂和預熱單元確保金屬爐料潔凈、無水；數(shù)字化稱重保證金屬爐料重量配比準確無誤，合金組分準確無誤；電控系統(tǒng)保證各單元設備運行平穩(wěn)、可靠，并配備數(shù)字顯示。
5) 模殼焙燒與預熱 將脫蠟后的模殼進行半陶瓷化焙燒硬化處理，經(jīng)過工藝堵孔、清洗后再將合格的模殼預熱到一定溫度，然后快速進入澆注工序，其主要作用是在鑄件澆注前，讓模殼具有一定的初始溫度，既提高金屬液的充型流動能力，又實現(xiàn)金屬液凝固過程中溫度場的溫度提升，改變傳統(tǒng)鑄造熱動力平衡點，實現(xiàn)薄壁鑄造生產。
6) 熔鑄單元 分為保溫自動澆注、加壓控溫澆注釜2個部分。保溫自動澆注完成金屬液的承接、保溫儲運及定量澆注等工作，定量澆注采用數(shù)字化伺服控制氣壓澆注技術，確保澆注過程平穩(wěn)、定量精確；加壓控溫澆注釜保證澆注后鑄件在加壓小環(huán)境下壓力結晶與凝固，實現(xiàn)大型、薄壁鑄件內部組織晶粒細化、機械性能提高。
7) 物流倉儲系統(tǒng) 包括3套立體式模殼干燥立庫，配套恒溫與恒濕系統(tǒng)、脈
沖風循環(huán)系統(tǒng)等。設立模具庫、蠟樣工裝庫、水箱庫及模殼加固工裝庫，共計7套立庫系統(tǒng)。可實現(xiàn)模殼逐層干燥與儲運，模具、蠟樣、工裝等自動儲運。將模殼自動識別技術與立庫儲存技術相結合應用于模殼干燥工序，將模具、工裝及蠟樣自動化生產與立庫運行一體化，均屬國內外首創(chuàng)。
圖9 數(shù)字化模殼焙燒與定量澆注、壓力凝固單元與物流倉儲系統(tǒng)
2020年5月29日，中國鑄造協(xié)會組織了“超大型薄壁精密鑄造數(shù)字化成套生產線的研制和應用”科技成果評價會，由著名中國工程院院士為組長的專家組評價該項目實現(xiàn)了大型彈體、核電空心葉片、新能源汽車整體車身等大型、復雜、薄壁件的一體化與輕量化制造，經(jīng)濟與社會效益顯著，項目整體技術達到國際先進水平，其中多工位制模與沾漿技術達到了國際領先水平。
三、 最新進展
1、 創(chuàng)新平臺
由合肥工業(yè)大學牽頭、中國鑄造協(xié)會與蘇氏精密制造（北京）股份公司共同發(fā)起，聯(lián)合國內外知名企業(yè)、國家級科研院所共同申報的“安徽省數(shù)字化精密鑄造制造業(yè)創(chuàng)新中心”（簡稱“精鑄中心”）于2017年10月正式通過安徽省工信廳組織的專家評審，并批準組建，主要進行精密鑄造產品研發(fā)設計、先進制造工藝與智能裝備的研發(fā)與試制，同時向行業(yè)單位提供技術咨詢、標準服務、檢測檢驗、人才培養(yǎng)和相關產業(yè)創(chuàng)新服務等工作。精鑄中心啟動儀式暨技術發(fā)展論壇于2018年5月在合肥工業(yè)大學成功舉辦。目前，正在與投資方與當?shù)卣⒄効蒲袆?chuàng)新平臺落地建設事宜。
2、 科研工作
1) 科技攻關
圍繞熔模精密鑄造技術與與裝備研制及應用，先后承擔省科技重大專項4項: 軌道交通自動門承載驅動關鍵鑄鋼件工藝研發(fā)及產業(yè)化（17030901050)、長壽命高耐蝕鋼鋁復合線材關鍵技術研發(fā)及產業(yè)化 (18030901084)、高比強鋁合金多功能顯控臺關鍵技術及產業(yè)化(18030901097)、智能化精密熔鑄生產線研制(1903a05020025)、重點研發(fā)計劃1項：新能源汽車輕量化電機殼高性價比成形技術的研發(fā)項目(201904a05020027)（圖10）。
圖10 鑄件工藝模擬優(yōu)化示意
2) 預研項目
(1) 大噸位多功能注蠟單元
包括模具加熱與冷卻、下模移入與合模、頂側注蠟與保壓、模具分離、下模移出、頂桿起模等均實現(xiàn)數(shù)字化自動運行。此外，可以實現(xiàn)主蠟樣和水溶蠟等不同蠟料注蠟的同機自動切換。制蠟過程中的最高保壓壓力可以達到2000KN，實現(xiàn)注蠟噸位與雙蠟料注蠟功能的世界首創(chuàng)。
圖11 大噸位多功能注蠟單元與水力清殼中心
(2) 水力清殼中心
包括帶殼精鑄件的上下料、抓取、輸送、清殼及廢料自動回收等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)多噴頭全覆蓋清殼、過程全自動操作，有效提升清殼效率和清殼質量，改善工作環(huán)境。
(3) 鑄鋼自動澆注生產線
該生產線是一種精密鑄造專用的鑄鋼澆注單元與鋼液輸送單元的組合系統(tǒng)，可實現(xiàn)精密鑄造鋼液在3.5分鐘內自動、高效地完成熔化爐出鋼、撇渣、蓋包、輸送、換包、澆注、澆包在線烘烤及剩余鋼液鑄錠等全流程工序，是我國精密鑄造行業(yè)的首臺套自動澆注生產線裝備產品。（圖12）
圖12 精密鑄鋼自動澆注生產線
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