大型薄壁数字化熔模精铸与工业化应用
合肥工业大学 刘继广 苏章仁 杨友文 乌南
摘要：简要介绍了熔模精密铸造的历史、现状及发展趋势，简单介绍了大型薄壁熔模精铸研发过程与初步成果，简述了数字化精密铸造技术与产品特点，详细介绍了数字化精密铸造工厂构成与代表产品，描述了数字化精密铸造设备功能与特点，介绍了省级数字化精密铸造平台建设与科研成果。
关键词：大型薄壁，数字化，熔模精铸，生产线设备，创新中心，科研成果
一、 概况
熔模铸造又称失蜡铸造，是在可溶性蜡模的表面逐层交叉浸涂耐火涂料、撒砂与干燥，用蒸汽或热水等加热方法将熔模熔去而制成整体模壳，再进行高温焙烧、浇注、凝固而获得铸件的一种铸造方法。用该法得到的铸件尺寸精确（CT3—CT8）、表面光滑（Ra0.4—Ra12.5）、棱角清晰，所以称为精密铸造。
早在4000多年前已出现失蜡铸造技术，最早应用的为西亚（苏美尔人）、古代中国、埃及和印度。我国古代应用失蜡铸造法生产各种青铜器皿、钟鼎及艺术品，其造型复杂华丽，纹饰细致、精巧，铭文美观、清晰。
图1 古代精密铸造出土文物 图2 现代工业用精密铸件
20世纪初，该方法用于浇注金银假牙齿，随后用于制珠宝首饰。第二次世界大战期间，航空工业首先采用熔模铸造生产喷气涡轮发动机叶片、涡轮增压器等形状复杂、尺寸精确、表面质量要求高且不易机械加工的铸件，熔模铸造开始在航空、国防及机械制造业得以实际应用。
由于产品设计与生产工艺数字化及生产装备自动化的缺失与不足，熔模精密铸造通常只能制造小尺寸铸件（≤700mm）。大型精密零件的生产通常采用铸造、锻压与焊接技术制造毛坯，再用切削加工的方式实现，材料损耗大、工序多、成本高，周期长。目前，世界上只有欧洲、北美及中国等少数国家可以手工制作大型薄壁精密铸件，没有实现规模化工业生产。
随着世界科学技术的飞速发展，数字化、智能化技术得到了快速开发与推广应用，大型薄壁熔模精密铸造技术也会得到质的飞跃发展，依靠铸件产品的集成设计、少无切削加工的“短流程”精铸工艺、自动化与数字化装备技术的叠加与迭代进步，在国民经济各工业领域的产品轻量化方面逐渐呈现明显的技术优势，必将发挥巨大的社会与经济效益。
二、 基地建设
1、 概述
2011年5月9日，合肥工业大学与苏氏工业科学技术（北京）有限公司共建“精密铸造研究所”，开展数字化精密铸造技术的综合开发和应用推广。合肥工业大学技术作价入股的我国第一个大型薄壁数字化精密铸造试制基地于2014年4月在河南安阳正式投产，已为我国各国防工业集团制造了大量真“精”“密”的优质金属结构零件，成功为航空、航天等行业制造了数百种“不可能”的零件产品，范围涉及近20个型号的导弹核心舱段、神舟、天宫、北斗、嫦娥等多项国家重点工程项目。
图3 非对称龙骨弹体模型与宇航服骨架
为了解决超大型精密铸造技术工业化应用问题，合肥工业大学于2014年6月接受安阳强基精密制造产业园委托，承建超大型薄壁数字化精密铸造成套生产线项目，开展技术方案与施工图设计、设备制造、安装、调试及试生产等工作。经过两年多的艰苦努力，于2016年10月投产运行，试制成功了一体化战略与战术导弹弹体、世界首台套全铝铸造新能源汽车车身、车架及核电次级系列化空心叶片等大型精密铸件（见图4）。
图4 乘用车整体铝合金车架、车身与核电次级空心叶片
2、 工厂规划
已有新建厂房（宽2X24米、长189米、轨高5与8米），厂房结构与尺寸限制了生产线布局与生产能力，生产大纲确定铸件尺寸范围：截面800X800mm、长度700～3000mm，实行每日两班制，生产多品种小批量大型铝合金铸件，年产12,000件。
备砂、制浆、制模与制壳车间恒温隔热处理，模壳干燥工部需要低温低湿环境，制模车间采取防火措施，用防火墙与防火门隔离。工部间的物流转运采用了地轨自动转运车、卷帘门及电动闸机配合的方式，实现了不同工部间的相对隔离，满足不同的工部环境的相对稳定要求。
公用配电室、制冷机组、蒸汽与热水锅炉房、液氮储备罐及碎壳收集与储运塔均放置在厂房外绿化带内。
3、 总体方案
该工厂由备砂、涂料、制蜡、制壳、脱化蜡、热工、熔铸、切割打磨等8个生产车间组成，设备总计180台（套）。按照研制的方式不同，分为定制设备（联合开发）和自制设备（独立开发）两大类，其中定制设备71台（套），自制设备109台（套），还有大量通用工装。
图5 数字精铸工厂总体方案示意图
4、 工艺特点
熔模精密铸造工艺共有备砂、制浆、制蜡、制壳、脱化蜡、焙烧、熔铸及后处理8个工部、共计40多道工序。针对工厂工部之间物流输送量大、交叉较多、物料品种、工序设备、运行节拍等特点，分别采用气力输送、薄膜泵送、特制辊道托盘与料框、RGV、AGV等输送方式，具体情况如下：
1）制模与制壳之间有蜡模采用RGV输送；2）制模与脱化蜡之间有液态蜡料采用保温蜡桶AGV输送、辅助杆蜡采用料框立库堆垛机与RGV输送的输送；3）制壳与备砂车间之间砂料采用气力输送+RGV定量车输送、浆料采用流体管道与薄膜泵送；4）模壳干燥与脱蜡之间、脱蜡与热工之间、热工与熔铸之间及模壳加固框均用采用托盘与RGV或辊道输送；5）后处理的铸件与回炉料采用料框+RGV输送。
另外，同一个工部内部也有大量物流输送：1）制模工部内有注蜡模具（主蜡样与辅蜡样两种）、静置水箱、组焊工装、辅助蜡模及整体蜡模的输送与转运；2）制壳工部内有为实现多层沾浆与淋砂穿梭的模壳托盘在制壳与干燥工位的多次、多工位往复转运输送；3）热工炉内外模壳与托盘的转运输送。
5、 废气余热利用
为了充分利用模壳焙烧和预热产生的废热烟气余热，设计选用了1台4吨/小时热水锅炉和1台2吨/小时蒸汽锅炉，热水锅炉用于原料蜡的热水化蜡、制蜡车间的模具加热、工厂的冬季取暖及员工洗澡等；蒸汽锅炉用于脱蜡车间的脱蜡，节能降耗效益显著。
6、 物料循环利用
通过设置淋砂工位的散落砂溜槽、面砂、过背砂气力输送回收系统，将淋砂过程中的散落砂回收到面砂和过背砂缓存砂库中，实现砂料的回收、循环再利用。
通过设置与脱蜡釜连接的蜡料真空水分离、蜡料过滤及冷却设备，将模壳脱出的蜡料再生输送到蜡料静置桶中，蜡料回收率达95%以上。
图6 蜡处理与散落砂收集系统
7、 数字化设备
1) 制模 分为主蜡样制备、辅蜡样制备、杆蜡制备及蜡样机器人组焊等4个单元。主、辅蜡样制备采用液压数字伺服闭环控制技术，由自主设计的专用注蜡机将合格液态蜡料按照设定压蜡曲线（压力、速度等）注入恒温模具中，保证注蜡过程蜡料以层流状态流动，形成合格蜡样。
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图7 数字化制模与制壳系统
2) 制壳 分蜡样刻蚀和清洗、沾面浆与固浆、淋砂、干燥及加固等共计7个工序。对不同规格的工件能够实现自适应、自动数字化调整。每个工件每层模壳均需要在恒温干燥室中进行数字化脉动微风吹拂干燥。
3) 脱蜡 分蒸汽脱蜡釜、蒸汽锅炉与储能器及蒸汽排蜡系统、蜡回收再生系统等5个单元。其中，蒸汽压力和流量均采用数字化控制技术，确保在10秒钟内迅速稳定建压，实现模壳无损、快速脱蜡。
图8 数字化脱蜡与加配料系统
4) 加配料 分为铝质炉料喷砂、预热、称重储运、合金料称重及电控系统等5个部分。炉料喷砂和预热单元确保金属炉料洁净、无水；数字化称重保证金属炉料重量配比准确无误，合金组分准确无误；电控系统保证各单元设备运行平稳、可靠，并配备数字显示。
5) 模壳焙烧与预热 将脱蜡后的模壳进行半陶瓷化焙烧硬化处理，经过工艺堵孔、清洗后再将合格的模壳预热到一定温度，然后快速进入浇注工序，其主要作用是在铸件浇注前，让模壳具有一定的初始温度，既提高金属液的充型流动能力，又实现金属液凝固过程中温度场的温度提升，改变传统铸造热动力平衡点，实现薄壁铸造生产。
6) 熔铸单元 分为保温自动浇注、加压控温浇注釜2个部分。保温自动浇注完成金属液的承接、保温储运及定量浇注等工作，定量浇注采用数字化伺服控制气压浇注技术，确保浇注过程平稳、定量精确；加压控温浇注釜保证浇注后铸件在加压小环境下压力结晶与凝固，实现大型、薄壁铸件内部组织晶粒细化、机械性能提高。
7) 物流仓储系统 包括3套立体式模壳干燥立库，配套恒温与恒湿系统、脉
冲风循环系统等。设立模具库、蜡样工装库、水箱库及模壳加固工装库，共计7套立库系统。可实现模壳逐层干燥与储运，模具、蜡样、工装等自动储运。将模壳自动识别技术与立库储存技术相结合应用于模壳干燥工序，将模具、工装及蜡样自动化生产与立库运行一体化，均属国内外首创。
图9 数字化模壳焙烧与定量浇注、压力凝固单元与物流仓储系统
2020年5月29日，中国铸造协会组织了“超大型薄壁精密铸造数字化成套生产线的研制和应用”科技成果评价会，由著名中国工程院院士为组长的专家组评价该项目实现了大型弹体、核电空心叶片、新能源汽车整体车身等大型、复杂、薄壁件的一体化与轻量化制造，经济与社会效益显著，项目整体技术达到国际先进水平，其中多工位制模与沾浆技术达到了国际领先水平。
三、 最新进展
1、 创新平台
由合肥工业大学牵头、中国铸造协会与苏氏精密制造（北京）股份公司共同发起，联合国内外知名企业、国家级科研院所共同申报的“安徽省数字化精密铸造制造业创新中心”（简称“精铸中心”）于2017年10月正式通过安徽省工信厅组织的专家评审，并批准组建，主要进行精密铸造产品研发设计、先进制造工艺与智能装备的研发与试制，同时向行业单位提供技术咨询、标准服务、检测检验、人才培养和相关产业创新服务等工作。精铸中心启动仪式暨技术发展论坛于2018年5月在合肥工业大学成功举办。目前，正在与投资方与当地政府洽谈科研创新平台落地建设事宜。
2、 科研工作
1) 科技攻关
围绕熔模精密铸造技术与与装备研制及应用，先后承担省科技重大专项4项: 轨道交通自动门承载驱动关键铸钢件工艺研发及产业化（17030901050)、长寿命高耐蚀钢铝复合线材关键技术研发及产业化 (18030901084)、高比强铝合金多功能显控台关键技术及产业化(18030901097)、智能化精密熔铸生产线研制(1903a05020025)、重点研发计划1项：新能源汽车轻量化电机壳高性价比成形技术的研发项目(201904a05020027)（图10）。
图10 铸件工艺模拟优化示意
2) 预研项目
(1) 大吨位多功能注蜡单元
包括模具加热与冷却、下模移入与合模、顶侧注蜡与保压、模具分离、下模移出、顶杆起模等均实现数字化自动运行。此外，可以实现主蜡样和水溶蜡等不同蜡料注蜡的同机自动切换。制蜡过程中的最高保压压力可以达到2000KN，实现注蜡吨位与双蜡料注蜡功能的世界首创。
图11 大吨位多功能注蜡单元与水力清壳中心
(2) 水力清壳中心
包括带壳精铸件的上下料、抓取、输送、清壳及废料自动回收等环节，实现多喷头全覆盖清壳、过程全自动操作，有效提升清壳效率和清壳质量，改善工作环境。
(3) 铸钢自动浇注生产线
该生产线是一种精密铸造专用的铸钢浇注单元与钢液输送单元的组合系统，可实现精密铸造钢液在3.5分钟内自动、高效地完成熔化炉出钢、撇渣、盖包、输送、换包、浇注、浇包在线烘烤及剩余钢液铸锭等全流程工序，是我国精密铸造行业的首台套自动浇注生产线装备产品。（图12）
图12 精密铸钢自动浇注生产线
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