永久模铸造法

永久模铸造是利用可重复使用的模具(即所谓的“永久模”,一般以金属制成)的金属铸造制程。利用重力填充模具是最常见的方法,称为重力铸造,不过也有使用气压或真空的制程。重力铸造还有一种变化形式,称为沥铸法,用以产生中空铸件。常用的铸件金属包含合金。其他材料如合金,还有也会使用石墨模具进行铸造。

Permanent mold casting

典型的零件包括栓槽、轮圈、齿轮、齿轮箱、管配件、燃油喷射系统外壳、车辆引擎活塞。

制程

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永久模铸造有4种主流制程:沥铸、真空铸造、重力铸造、低压铸造。

模具

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铸造用模具通常分成两半,一般以灰口铸铁制作,因为它的金属疲劳特性极佳,但是也有使用钢、青铜、石墨的例子。之所以选用这些材料,是因为它们的抗蚀能力和金属疲劳特性。它们通常不会很复杂,因为这些模具不会塌陷以补偿缩水;而且需要在毛胚一固化后就打开模具,以免发生热裂。需要使用模仁的时候,通常是用砂或金属制作模仁。

如上所述,在第一次铸造循环前先预热模具,然后连续进行铸造制程,在各个铸造循环间尽可能维持温度恒定。这样可以减少金属疲劳、促进金属流动、且有助于控制铸件金属的冷却速率。

排气通常可借由两半模具之间的微小缝隙进行,如果不够的话,还可以设置非常小的排气孔,让空气可以通过,但是熔融金属不行。用冒口补偿缩水是必须的,然而冒口的设计常常使材料利用率低于60%。

如果使用脱模剂还不足以让毛胚容易移出模具,常常会用顶出销一类的元件。这些销会设置在模具各处,而且会在毛胚表面留下圆形的小印痕。

沥铸

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沥铸是另一种永久模铸造方法,用来制作中空毛胚或中空铸件。先将材料倒进模具,然后让它冷却,直到材料在模具内形成一个壳,接着将残留的液体倒出来,留下中空的壳件。这种制程产生的毛胚具有良好的表面,但是壳厚不均匀。本制程常用低熔点材料来铸造装饰品,像是烛台、灯座、雕像。

本方法在1893年由William Britain开发,当时用来生产铅制玩具兵。它使用的材料比实心铸件少,而且可以得到更轻、更便宜的产品。然而,如果制程中倒出的液体过多,中空铸件常常会出现小洞。

真空铸造

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真空铸造的铸件具有LLPM铸件所有的优点,而且溶解的气体更少,因此熔融金属更为干净。这种制程可以处理薄壁外型,同时提供极佳的表面粗糙度。一般而言,其铸件的机械性质约比重力永久模铸件好上10%到15%。然而这种制程的铸件有0.2kg到5kg的重量限制。

重力铸造

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先将模具预热到150℃-200℃,如此可以让流体流动较为顺畅,减少毛胚的缺陷。接着,在模穴涂布隔热材料或脱模剂,避免毛胚黏在模具上,藉以延长模具寿命。然后安装砂心或金属模仁,并且将模具紧闭。接着将熔融金属液倒进模具里。固化后,开启模具并移除毛胚,以降低发生热裂的机会。然后制程会整个重头再来一次,只是不需再预热,因为前一个毛胚留下的热还足够,而隔热材料应该还够用几个毛胚。本制程常用在大量生产的工件,一般会用自动化设备来涂抹模具、倾注金属、移除毛胚。

为了使发生裂痕和空孔的几率降到最低,尽可能在较低的温度倾注金属。倾注温度范围端视毛胚材料而定;例如锌合金会在大约370℃的温度倾注,而灰口铸铁则加热到约1,370℃再进行倾注。

低压铸造

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低压永久模铸造制程的示意图

低压永久模(LPPM)铸造使用低压气体(一般介于3PSIg到15PSIg)来把熔融金属推进模穴里。参照示意图,此压力施加在金属池上,迫使熔融金属沿着隔热倾注管向上,最后流进模具底部。倾注管伸到盛桶底部,所以被推进模具里的材料非常干净。这种制程不需要冒口,因为所施加的压力会迫使熔融金属补偿缩水。它的材料利用率一般会超过85%。而且因为没有冒口,在倾注管内的熔融金属会回到盛桶中供下次使用。

绝大部分的LLPM铸件是铝、镁铸件,但是也有一部分是铜合金。这种制程有个好处,因为压力是固定的,填充模具所产生的紊流很小,所以气孔和熔渣很少。此种铸件比重力永久模铸件的机械性质好一些,二者约有5%的差距。其缺点则是循环时间比重力永久模铸件长。

优点和缺点

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永久模铸造法主要的优点是:模具可以重复使用、良好的表面粗糙度、良好的尺寸精度。

一般而言,尺寸在25mm以内,其公差是0.4mm,然后每多1公分再加0.02mm。如果该尺寸跨过分模线,则再加0.25mm 。典型的表面粗糙度介于2.5μm到7.5μm RMS。拔模角需2°到3°。壁厚的限制为3mm到50mm。常见铸件大小从100g到75kg不等。可以透过改变模具壁厚、加热或冷却模具的某些部分,产生定向固化(Directional Solidification)。而且金属模具的冷却速率很快,能得到比砂模铸造更细致的晶粒结构。需形成底切(Undercut)的时候,还能用可抽离的金属模仁,让模具依然可以快速作动。

永久模铸造法的缺点主要有3个:模具成本高、只能使用低熔点的熔融金属进行铸造、模具寿命短。

高模具成本导致永久模铸造法在小批量生产上不具经济效益。本制程用于铸钢或铁等高熔点金属的时候,模具寿命非常短;使用低熔点金属时,模具寿命会长一些,但是常常受限于金属疲劳、腐蚀,大约也只有10,000个到120,000个循环。影响模具寿命的因素有4个:模具材料、倾注温度、模具温度、模具结构。倾注温度取决于铸件金属,倾注温度愈高则模具寿命愈短。高倾注温度同时也会导致缩水问题和较长的循环时间。模具温度过低会产生滞流,模具温度过高则会使循环时间变长,而且会加剧模具腐蚀。模具(或铸件)的截面厚度差异很大的时候,模具寿命也会下降。

参考资料

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外部链接

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