CN108746496B - 一种熔模铸造用型壳制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种熔模铸造用型壳制备方法，该方法包括加强杆确定、加强型熔模模组制备、型壳制备、脱除加强杆、脱除熔模和型壳焙烧。根据铸件结构以及熔模受力情况及充型凝固过程计算机模拟确定加强杆位置，有利于防止熔模和型壳变形，并对熔模和型壳形成支撑。通过脱除加强杆在熔模内形成孔道和脱模口，使型壳无需翻转即可脱模，提高了型壳的内腔表面质量。

Description

一种熔模铸造用型壳制备方法

技术领域

本发明涉及一种高尺寸精度、复杂结构熔模铸造用型壳制备方法，可应用于熔模铸造和消失模铸造领域。

背景技术

熔模铸造是工业制造高尺寸精度、复杂结构产品的主要方法，已被广泛用于制造石油、电子、化工、汽车和航空航天等领域部件。熔模铸造工艺主要是采用易熔材料制成可熔性模型(熔模)，在其上涂覆若干层特制的耐火涂料(加撒沙)，经过干燥与化学硬化形成一个整体模组，再从模组中熔失熔模而获得中空的型壳，然后将型壳进行高温焙烧，制成浇注用的型壳，最后在型壳内浇注熔融的金属，制备出铸件。因而熔模精密铸造主要包括熔模制备、型壳制备和熔炼浇注三个主要过程。其中型壳制备是其中最重要的过程，型壳质量直接影响铸件的表面质量和内部冶金缺陷控制。型壳的发展主要经历了金属型、石墨型和氧化物陶瓷型壳三个阶段，目前精密铸件采用的型壳主要为氧化物陶瓷型壳。为满足铸件对尺寸精度和冶金质量的要求，型壳的质量应该满足以下3个方面要求：(1)能够准确的复制出熔模的外形，保证尺寸精确，表面光洁；(2)有足够的常温和高温刚度，避免在脱蜡、焙烧、浇注过程中受复杂应力作用变形、产生裂纹或破损；(3)具有高的化学稳定性，良好的退让性和溃散性，即型壳的强度既要保证熔炼浇注过程中型壳不破裂，同时在浇注后，又便于去除铸件表面型壳。

随着铸件向大型化、复杂化和整体化方向发展，熔模精密铸件用熔模尺寸和复杂性不断增加，由于型壳的制备过程需要在熔模表面进行多层涂覆，因而型壳重量可能达到熔模的几倍到几十倍。大尺寸和高重量对型壳内部表面质量和型壳强度提出较高的要求。对于型壳，其铸造工艺中使用的型壳需进行脱模处理，利用诸如蒸汽脱模、热水脱模或电热脱模等方法将热量作用于型壳内的熔模，使熔模熔化或挥发，进而将熔模脱除。对于体积较大、壁厚较大或内部结构复杂的熔模，型壳脱模时间长，生产成本较高，易出现脱模不彻底的现象，使残余熔模成为后期型壳使用中的外来物。如果需要通过倾斜型壳或多次翻转型壳进行脱模，会对型壳造成破损，在型壳内腔表面形成微裂纹，进而影响铸件表面质量。同时，长时间脱模会对内部有填充物或涂层的型壳产生影响，导致填充物和涂层出现受热氧化或型壳热胀变形、开裂等问题，如通过涂覆在熔模表面，进而作用于型壳内表面形成的涂层，会由于脱模时间长使涂层出现成分变化及开裂问题，影响后期产品质量。

公开号为JP S63194842A的日本发明专利提供了一种熔模铸造中的脱模方法，该方法在熔模内加入金属芯，金属芯起吊挂和协助后期型壳翻转的作用，可用于小型熔模铸件的制备，但对于大型熔模铸件型壳，通过多次翻转脱模会对型壳内腔表面质量造成影响。

公开号为CN201310741021.4的中国发明专利提供了一种脱模方法，在制备型壳的过程中通过采用金属芯的方法可以减少脱模量，但该方法中未提及可以避免型壳翻转过程，并且金属芯的设置方式未能考虑对熔模和铸型尺寸精度的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种模铸造用型壳制备方法，有利于增强大型熔模和型壳的结构强度，减少铸件变形量，无需翻转即可脱模，并大幅度降低脱模时间，使得型壳有较优的性能和内腔表面质量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方法，一种熔模铸造用型壳制备方法，所述制备方法包括加强杆确定、加强型熔模模组制备、型壳制备、脱除加强杆、脱除熔模和型壳焙烧五个步骤。具体步骤如下；

(1)加强杆确定，根据结构强度计算和计算机仿真模拟的结果，进行加强杆选择和放置位置确定；

(2)加强型熔模模组制备，根据铸件和加强杆结构设计模具，进行含有加强杆的熔模模组制备，使熔模包覆在加强杆外，并且加强杆有露在熔模外的部分；

(3)型壳制备，使型壳包覆在加强型熔模外，并且加强杆有露在型壳外的部分；

(4)脱除加强杆，加热加强杆露在型壳外的部分，使加强杆周围的熔模熔化或软化或挥发，然后抽出加强杆，在型壳内形成空腔并形成脱模口；

(5)脱除熔模，将型壳内的残余熔模脱除，熔模沿着加强杆脱除后形成的空腔流动，并从脱模口或者浇注系统的预设脱模口流出；

(6)型壳焙烧，除主浇口外，对脱模口或预设脱膜口进行封堵，对封堵后的型壳进行焙烧。

优选地，步骤(1)所述的加强杆确定包含以下分步骤：

分步骤(1.1)，在计算机仿真模拟的状态下，进行铸件浇注系统设计，完成铸件熔模和浇注系统组合，形成带浇注系统的熔模模组；

分步骤(1.2)，对带浇注系统的熔模模组进行结构强度计算，确定熔模模组的关键受力分布点或分布区域；

分步骤(1.3)，在计算机仿真模拟的状态下，在带浇注系统的熔模模组受力关键分布点或分布区域设置加强杆，形成带加强杆的熔模模组，根据熔模结构、受力关键分布点或分布区域确定加强杆的形状和尺寸；

分步骤(1.4)，对带加强杆的熔模模组的熔模充型凝固过程进行计算机仿真模拟，预测熔模模组结构发生收缩变形超过0.5％以上的位置，并设置加强杆；

分步骤(1.5)，对带加强杆的熔模模组进行金属液浇注凝固过程进行计算机数值模拟，预测金属液收缩变形超过1％以上的位置，并设置加强杆；

分步骤(1.6)，减少加强杆数量，重复步骤(1.1)到步骤(1.5)，多次循环迭代，选择加强杆的数量、形状、尺寸和设置位置的最佳方案，直至铸件变形率降低至预期值，并且使用的加强杆的数量最少、总重量最轻的要求。

优选地，根据分步骤1.3到分步骤1.5确定的带加强杆的熔模模组为对称结构时，加强杆也对称设置。

优选地，在关键分布点，熔模收缩位置、铸件收缩位置及其对称区域分别设置加强杆。

优选地，根据分步骤1.3到分步骤1.5确定的加强杆设置位置，该位置铸件为非对称结构时，仅在确定的关键分布点，熔模收缩位置、铸件收缩位置设置加强杆，加强杆不进行对称设置。

优选地，非对称设置的加强杆数量不超过15个。

优选地，在浇注系统的直浇道和横浇道设置加强杆。

优选地，分步骤1.6所述预期值为20％以上，即铸件变形率降低20％以上。

优选地，加强杆的材料为导热金属，熔点高于熔模和型壳材料，且不与熔模及型壳材料发生反应。

优选地，加强杆为金属钢、铁、铜、铝。

优选地，加强杆的数量介于1～50个之间。

优选地，加强杆的横截面形状为规则的圆柱或长方体；加强杆的杆部平直、光滑，在脱除加强杆时，被脱除的加强杆的形状和尺寸不会对型壳其余部分造成破坏。

优选地，加强杆为实心结构、空心结构或者二者结合使用。

优选地，当含加强杆的熔模模组重量超过200kg时，浇道结构选择实心加强杆。

优选地，脱模方式选择采用旋转型壳的方式脱模或将型壳置于高压环境降低熔模熔化温度或消失模的挥发温度。

优选地，采用电脱模时，脱除熔模工艺参数优选为，采用分段加热的方式进行熔模脱除，第一阶段加热温度为：熔模熔点温度+(20～30)℃，保温10～20分钟；第二阶段为熔模熔点温度+(80～100)℃，保温10～20分钟；第三阶段为熔模熔点温度+(120～150)℃，保温直到熔模脱除。

优选地，采用与脱模口尺寸和形状相配合的堵头先进行封堵，然后在堵头表面涂覆型壳背层材料，型壳材料完全覆盖堵头。

优选地，采用分段加热的方式，第一阶段的加热温度在150～250℃之间，保温30～60分钟。第二阶段及之后的型壳焙烧加热阶段采用常规方式进行。

本发明具有的优点和有益效果：

(1)通过结构强度计算和计算机数值模拟，可有效的识别铸件的应力集中位置、熔模易变形位置、熔模冷却速度较慢的厚大区，有针对性的进行加强杆设置；

(2)在熔模内加入加强杆，有利于增强熔模的整体结构强度，降低加强杆周围厚大熔模的收缩变形率，提高熔模的尺寸精度，进而提高型壳及铸件的尺寸精度；

(3)对于特殊结构的熔模，当熔模的重心不和熔模的中心重叠，此时更易发生熔模变形的情况，可通过设置加强杆，利用加强杆的重量可调整熔模中心，提高熔模结构的稳定性，降低熔模变形和局部开裂的风险；

(4)在熔模内加入加强杆可降低熔模的整体使用量，减少后期型壳脱模量和脱模时间；

(5)脱模前期，当加强杆脱离型壳后，可在型壳内部形成空腔，该空腔可作为熔模脱除通道，并且型壳与加强杆的交汇处可作为型壳的脱模口，不需另设脱模口；

(6)加强杆数量多于1个，因而在型壳上可形成多个脱模口和多个脱模通道，无需翻转型壳，熔模可通过多个脱模口同时脱除，大大缩短脱模时间；并且在熔模阶段通过在加强杆露出熔模外的位置设置导流口，更易于后期脱模；

(7)可根据位置特点进行加强杆尺寸和形状选择，当加强杆为空心结构时，在提高熔模强度和型壳强度的同时，可进一步降低模组的整体重量。

(8)型壳制备过程中，加强杆的存在可降低型壳转运过程中型壳开裂或面层开裂的风险，。否则型壳应力集中位置可能开裂或者局部产生微裂纹，使型壳面层开裂或脱落，导致型壳报废、降低铸件表面质量或脱落物在铸件内部形成冶金缺陷。

(9)脱模过程中采用分段加热型壳的方式，有利于降低能耗，提高脱模效率。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种熔模铸造用型壳制备方法。采用该工艺可提升大尺寸、大重量、复杂结构熔模精密铸件用熔模结构强度和型壳结构强度，降低熔模收缩变形率，并且在脱模前使型壳内部形成空腔，减少整体脱模量，对于体积较大、结构复杂的熔模，可有效缩短型壳脱模时间，无需翻转即可脱模，提高了型壳内腔的质量。该方法包括加强杆确定、加强型熔模模组制备、型壳制备、脱除加强杆、脱除熔模和型壳焙烧。

1、加强杆确定，根据结构强度计算结果和计算机仿真模拟结果进行加强杆选择和放置位置确定；

步骤1.1，在计算机仿真模拟的状态下，进行铸件浇注系统设计，完成铸件熔模和浇注系统组合，形成带浇注系统的熔模模组；

步骤1.2，对带浇注系统的熔模模组进行结构强度计算，确定熔模模组的关键受力分布点或分布区域；

步骤1.3，在计算机仿真模拟的状态下，在带浇注系统的熔模模组受力关键分布点或分布区域设置加强杆，形成带加强杆的熔模模组；根据熔模结构、受力关键分布点或分布区域确定加强杆的形状和尺寸；

步骤1.4，对带加强杆的熔模模组的熔模充型凝固过程进行计算机仿真模拟，预测熔模模组结构发生收缩变形超过0.5％以上的位置，并设置加强杆；

步骤1.5，对带加强杆的熔模模组进行金属液浇注凝固过程进行计算机数值模拟，预测金属收缩变形超过1％以上的位置，并设置加强杆；

步骤1.6，减少加强杆数量，重复步骤1.1到步骤1.5，多次循环迭代，选择确定加强杆的数量、形状、尺寸和设置位置的最佳方案，直至达到铸件变形率降低至预期值，同时使用的加强杆数量最少、重量最轻的要求。铸件变形率降低的预期值在20％以上。

在关键分布点，熔模收缩位置、铸件收缩位置及其对称区域分别设置加强杆。在浇注系统的直浇道和横浇道设置加强杆。

根据步骤1.3到步骤1.5确定的带加强杆的熔模模组为对称结构时，加强杆也对称设置。根据步骤1.3到步骤1.5确定的加强杆设置位置，该位置铸件为非对称结构时，仅在确定的关键分布点，熔模收缩位置、铸件收缩位置设置加强杆，不进行对称设置。

加强杆的数量介于1～50个之间。非对称设置的加强杆数量不超过15个。

加强杆的材料为导热金属，熔点高于熔模和型壳材料，且不与熔模及型壳材料发生反应。加强杆优选为金属钢、铁、铜、铝。加强杆的形状为圆柱或长方体。在脱除加强杆时，被脱除的加强杆的形状和尺寸不会对型壳其余部分造成破坏。

加强杆为实心结构、空心结构或者二者结合使用。当含加强杆的熔模模组重量超过200kg时，浇道结构选择实心加强杆。

2、加强型熔模模组制备，根据铸件和加强杆结构设计模具，进行含有加强杆的熔模模组制备，使熔模包覆在加强杆外，并且加强杆有露在熔模外的部分；

3、型壳制备，使型壳包覆在加强型熔模外，并且加强杆有露在型壳外的部分；

4、脱除加强杆，加热加强杆露在型壳外的部分，使加强杆周围的熔模熔化或软化或挥发，然后抽出加强杆，在型壳内形成空腔并形成脱模口；

5、脱除熔模，将型壳内的残余熔模脱除，熔模沿着加强杆脱除后形成的空腔流动，从脱模口流出，或者从浇注系统的预设脱模口流出；

采用电脱模时，脱除熔模工艺参数优选为，采用分段加热的方式进行熔模脱除，第一阶段加热温度为：熔模熔点温度+(20～30)℃，保温10～20分钟；第二阶段为熔模熔点温度+(80～100)℃，保温10～20分钟；第三阶段为熔模熔点温度+(120～150)℃，保温直到熔模脱除。

脱模方式选择采用旋转型壳的方式脱模或将型壳置于高压环境降低熔模熔化温度或消失模的挥发温度。

6、型壳焙烧，除主浇口外，对脱模口或预设脱膜口进行封堵，对封堵后的型壳进行焙烧。

采用与脱模口尺寸和形状相配合的堵头先进行封堵，然后在堵头表面涂覆型壳背层材料，型壳材料完全覆盖堵头。

采用分段加热的方式，第一阶段的加热温度在150～250℃之间，保温30～60分钟。第二阶段及之后的型壳焙烧加热方式采用常规方式。

实施例1

一种钛合金机匣熔模精密铸造用型壳制备方法，其中机匣铸件为3环形结构，环之间由壁厚和形状不同的支板相连接，支板为空腔结构，数量为8个，对称分布。外环上有和外环高度相同的框结构与外环直接连接，内环曲面上有异型凸台，铸件尺寸为直径1000mm，高320mm。钛合金机匣铸件型壳制备主要包括以下步骤：

(1)加强杆确定，根据结构强度计算结果和计算机仿真模拟结果进行加强杆选择和放置位置确定，主要包含以下步骤：

步骤(1.1)，在计算机仿真模拟的状态下，进行机匣浇注系统设计，包括浇道、浇口、冒口、辅助浇道等，完成机匣熔模和浇注系统组合，形成带浇注系统的机匣熔模模组。

步骤(1.2)，对带浇注系统的机匣熔模模组进行结构强度计算，确定熔模模组的关键受力分布点或分布区域；根据强度计算结果，支板与外环连接位置由于壁厚差异较大，其连接位置为关键受力点，直浇道和横浇道交汇位置为关键受力点。

步骤(1.3)，在计算机仿真模拟的状态下，在带浇注系统的熔模模组受力关键分布点或分布区域设置加强杆，形成带加强杆的熔模模组。虽然支板与外环的连接位置为关键受力点，但由于关键受力点区域受机匣结构所限，无法设置加强杆，该位置不设置加强杆；同时直浇道和横浇道交汇位置为关键受力点，对直浇道和横浇道内部设置加强杆，直浇道为非对称结构，仅在直浇道高度方向设置一根加强杆，横浇道为对称结构，根据结构在横浇道的半径方向对称设置加强杆，使用加强杆16根。根据钛合金铸件材料和熔模特点，并且熔模模组重量超过200kg，加强杆选择实心钢质圆棒，共设置加强杆17根。

步骤(1.4)，对带加强杆的机匣熔模模组的熔模充型凝固过程进行计算机仿真模拟，预测熔模模组结构发生收缩变形超过0.5％以上的位置，并设置加强杆。经模拟，外环框形结构熔模收缩超过1.8％，外环安装边收缩超过1.2％，内环安装边收缩超过0.9％，内环凸台收缩超过1.3％。其中外环安装边和内环安装边受结构壁厚限制，无法设置加强杆，该位置放弃设置加强杆，仅对外环框形结构和内环凸台设置加强杆，每个外环框形结构共8个，每个使用两根加强杆，共使用16根，内环凸台非对称结构，每个凸台结构使用一个加强杆，共计4根。加强杆设置方向与直浇道平行。加强杆选择实心钢质圆棒。

步骤(1.5)，对铸件浇注凝固过程进行计算机数值模拟，预测铸件收缩变形超过1％以上的位置，并设置加强杆。经模拟，外环框形结构熔模收为0.8％，外环安装边收缩超过1.5％，内环安装边收缩超过1.2％，内环凸台收缩超过0.7％。其中外环安装边和内环安装边受结构壁厚限制，无法设置加强杆，该位置放弃设置加强杆，保留外环框形结构和内环凸台设置的加强杆。此时共使用37根加强杆。经计算机模拟，铸件变形率比原始状态降低65％。

步骤(1.6)，减少加强杆的使用数量，如步骤(1.3)中横浇道加强杆的使用数量减少至12根，重复步骤(1.1)到步骤(1.5)，步骤(1.5)中外环框形结构加强杆选择空心结构，重复步骤(1.1)到步骤(1.5)等。经多次循环迭代，最后加强杆的使用位置为横浇道使用8根实心加强杆，直浇道使用1根实心加强杆，外环框形结构使用16根空心加强杆，内环凸台使用4根空心加强杆。共计使用29根加强杆。经计算机模拟，在使用的加强杆数量最少，重量最轻的基础上，铸件变形率比原始状态降低40％。

(2)加强型熔模模组制备，根据加强杆设计方案，进行含有加强杆的熔模模组制备。熔模选择使用蜡模，根据铸件结构和加强杆位置设计蜡模压制模具，经过压蜡后，使蜡模包覆在加强杆外，并且加强杆有露在蜡模外的部分，制备出带加强杆的加强型蜡模模组。

(3)型壳制备，根据钛合金材料要求选择型壳材料，通过多次粘浆涂覆的工艺，使型壳包覆在加强型蜡模模组外，并且加强杆有露在型壳外的部分。

(4)脱除加强杆，加热加强杆露在型壳外的部分，使加强杆周围的蜡模熔化或软化，然后抽出加强杆，在型壳内形成空腔并形成脱模口。

(5)脱除熔模，将型壳内的残余蜡模脱除，蜡模沿着加强杆脱除后形成的空腔和脱模口流出，或者从浇注系统的预设脱模口流出；由于加强杆形成的脱模口可满足蜡模熔液流出，因而未另外设置脱模口。同时，由于有多个脱模口可同时供蜡模流出，因而不需要倾斜或者翻转型壳，即可保证快速脱模。

脱除蜡模采用电脱蜡的方式，工艺参数为：采用分段加热的方式进行蜡模脱除，第一阶段加热温度为：90℃，保温10分钟；第二阶段为155℃，保温15分钟；第三阶段为200℃，保温直到蜡模完全脱除。分段式加热的方式可降低脱模过程的能耗。

(6)型壳焙烧，除主浇口外，对脱模口或预设脱膜口进行封堵，对封堵后的型壳进行焙烧。采用与脱模口尺寸和形状相配合的堵头先进行封堵，然后在堵头表面涂覆型壳背层材料，型壳材料完全覆盖堵头。

采用分段加热的方式，第一阶段的加热温度在150℃左右，保温60分钟。通过第一阶段加热可使堵头表面封堵材料干燥并进行型壳排气，避免额外进行堵头表面涂覆的型壳材料干燥工序。第二阶段及之后的型壳焙烧加热方式采用常规方式。型壳随炉冷却到室温，获得钛合金机匣铸件型壳。

分别采用未使用加强杆和使用加强杆制备的型壳进行钛合金机匣铸件浇注，通过将两种方法制备的铸件与理论尺寸相对比，使用加强杆制备的型壳浇注的钛合金机匣铸件尺寸合格率比未使用的高37％。

实施例2

一种框型高温合金熔模铸造用型壳制备方法，铸件为框梁形结构，长350mm、宽270mm、高600mm。铸件有四个侧面和一个底面，侧面为框梁交叉构成，四个侧面为非对称结构，局部位置有安装座、法兰和凸台。底面为平面，局部位置有安装边和凸台。侧面铸件型壳制备主要包括以下步骤：

(1)加强杆确定，根据结构强度计算结果和计算机仿真模拟结果进行加强杆选择和放置位置确定，主要包含以下步骤：

步骤(1.1)，在计算机仿真模拟的状态下，进行高温合金框形铸件浇注系统设计，完成铸件熔模和浇注系统组合，形成带浇注系统的熔模模组。根据铸件的结构，一个浇注系统上放置由5个铸件熔模组成的熔模模组，在横浇道盘上均布。并设置相应的浇口、冒口和辅助浇道。

步骤(1.2)，对带浇注系统的熔模模组进行结构强度计算，确定熔模模组的关键受力分布点或分布区域。经计算，侧面框梁间的结合处、法兰和框梁结合处、凸台和框梁的结合处、底面和侧面的结合处、底面和底面凸台的结合处，底面和安装边的结合处、直浇道和横浇道的结合处为关键受力点。

步骤(1.3)，在计算机仿真模拟的状态下，在带浇注系统的熔模模组受力关键分布点或分布区域设置加强杆，形成带加强杆的熔模模组。每个铸件熔模，在底面和两个侧面结合处平行于直浇道方向设置加强杆，非对称结构，共有4个结合位置，设置加强杆4个；框梁位置有凸台2个，为非对称结构，在凸台和框梁的2个结合处，各设置加强杆1个；底面上有凸台3个，非对称结构，在底面和底面凸台的3个结合处，各设置加强杆1个。其余位置由于结构所限无法设置加强杆，不增加加强杆。因而对于浇注系统，由于包含5个铸件熔模，因而共设置加强杆45个。同时在直浇道设置加强杆1个，横浇道设置加强杆8个，加强杆均为空心结构，根据熔模和型壳的材质，加强杆选择长方体铁棒。在此步骤，整个模组共包含加强杆54个。

步骤(1.4)，对带加强杆的熔模模组的熔模充型凝固过程进行计算机仿真模拟，预测熔模模组结构发生收缩变形超过0.5％以上的位置，并设置加强杆。经过模拟，四个侧面交汇的位置、侧面框梁结构上的安装座、法兰和凸台收缩均大于0.5％，同时底面安装边和凸台结构的收缩、直浇道和横浇道的收缩也大于0.5％。因此保留步骤(1.3)中的加强杆设计方案。

步骤(1.5)，对铸件浇注凝固过程进行计算机数值模拟，预测铸件收缩变形超过1％以上的位置，并设置加强杆。经过模拟，四个侧面交汇的位置、侧面框梁结构上的安装座、法兰和凸台收缩均大于1％，同时底面安装边和凸台结构的收缩也大于1％、直浇道和横浇道的收缩也大于1％。因此保留步骤(1.4)中的加强杆设计方案。

步骤(1.6)，由于加强杆的总数超过50根，需要减少加强杆使用数量。每个铸件熔模，在底面和两个侧面结合处平行于直浇道方向设置加强杆，改为设置2个，其余加强杆设置不变，重复步骤(1.1)到步骤(1.5)；每个铸件熔模，在底面和两个侧面结合处平行于直浇道方向设置加强杆，改为设置1个，其余加强杆设置不变，重复步骤(1.1)到步骤(1.5)；每个铸件熔模，在凸台和框梁的结合处设置加强杆，数量改为1个，其余加强杆设置位置不变，重复步骤(1.1)到步骤(1.5)。

经过多次重复迭代，最终确定的加强杆设置方案为，每个铸件熔模，在底面和两个侧面结合处平行于直浇道方向设置加强杆，非对称结构，设置2个；在凸台和框梁的结合处设置加强杆1个，非对称结构；在底面和底面凸台的结合处设置加强杆1个，非对称结构。其余位置由于结构所限无法设置加强杆，不增加加强杆。因而对于浇注系统，由于包含5个铸件熔模，因而共设置加强杆20个。同时在直浇道设置加强杆1个，横浇道设置加强杆4个，加强杆均为空心结构，根据熔模和型壳的材质，加强杆选择长方体铁棒。在此步骤，整个模组共包含加强杆25个。经计算机模拟，在使用的加强杆数量最少，重量最轻的基础上，铸件变形率比原始状态降低37％。

(2)加强型熔模模组制备，根据加强杆设计方案，进行含有加强杆的熔模模组制备。根据铸件结构和加强杆位置设计熔模压制模具，经过熔模压制后，使熔模包覆在加强杆外，并且加强杆有露在熔模外的部分，制备出带加强杆的加强型熔模模组。

(3)型壳制备，根据高温合金材料要求选择型壳材料，通过多次粘浆涂覆的工艺，使型壳包覆在加强型熔模模组外，并且加强杆有露在型壳外的部分。

(4)脱除加强杆，加热加强杆露在型壳外的部分，使加强杆周围的熔模熔化或软化，然后抽出加强杆，在型壳内形成空腔并形成脱模口。

(5)脱除熔模，将型壳内的残余熔模脱除，熔模沿着加强杆脱除后形成的空腔和脱模口流出，或者从浇注系统的预设脱模口流出；由于加强杆形成的脱模口可满足熔模熔液流出，因而未另外设置脱模口。同时，由于有多个脱模口可同时供熔模流出，因而不需要倾斜或者翻转型壳，即可保证快速脱模。脱除熔模工艺采用蒸汽脱模的方式。通过在蒸汽脱模设备中增加离心装置，对型壳进行旋转，增加脱模速度。

(6)型壳焙烧，除主浇口外，对脱模口或预设脱膜口进行封堵，对封堵后的型壳进行焙烧。采用与脱模口尺寸和形状相配合的堵头先进行封堵，然后在堵头表面涂覆型壳背层材料，型壳材料完全覆盖堵头。

采用分段加热的方式，第一阶段的加热温度在250℃作用，保温40分钟。第二阶段及之后的型壳焙烧加热方式采用常规方式。型壳随炉冷却到室温，获得钛合金机匣铸件型壳。

分别采用未使用加强杆和使用加强杆制备的型壳进行钛合金机匣铸件浇注，通过将两种方法制备的铸件与理论尺寸相对比，使用加强杆制备的型壳浇注的钛合金机匣铸件尺寸合格率比未使用的高43％。

Claims (16)

1.一种熔模铸造用型壳制备方法，其特征在于：所述制备方法包括加强杆确定、加强型熔模模组制备、型壳制备、脱除加强杆、脱除熔模和型壳焙烧六个步骤；

具体步骤如下；

(1)加强杆确定，根据结构强度计算和计算机仿真模拟的结果，进行加强杆选择和放置位置确定；

(2)加强型熔模模组制备，根据铸件和加强杆结构设计模具，进行含有加强杆的熔模模组制备，使熔模包覆在加强杆外，并且加强杆有露在熔模外的部分；

(3)型壳制备，使型壳包覆在加强型熔模外，并且加强杆有露在型壳外的部分；

(4)脱除加强杆，加热加强杆露在型壳外的部分，使加强杆周围的熔模熔化或软化或挥发，然后抽出加强杆，在型壳内形成空腔并形成脱模口；

(5)脱除熔模，将型壳内的残余熔模脱除，熔模沿着加强杆脱除后形成的空腔流动，并从脱模口或者浇注系统的预设脱模口流出；

(6)型壳焙烧，除主浇口外，对脱模口或预设脱膜口进行封堵，对封堵后的型壳进行焙烧；

步骤(1)所述的加强杆确定包含以下分步骤：

分步骤(1.1)，在计算机仿真模拟的状态下，进行铸件浇注系统设计，完成铸件熔模和浇注系统组合，形成带浇注系统的熔模模组；

分步骤(1.2)，对带浇注系统的熔模模组进行结构强度计算，确定熔模模组的关键受力分布点或分布区域；

分步骤(1.3)，在计算机仿真模拟的状态下，在带浇注系统的熔模模组受力关键分布点或分布区域设置加强杆，形成带加强杆的熔模模组，根据熔模结构、受力关键分布点或分布区域确定加强杆的形状和尺寸；

分步骤(1.4)，对带加强杆的熔模模组的熔模充型凝固过程进行计算机仿真模拟，预测熔模模组结构发生收缩变形超过0.5％以上的位置，并设置加强杆；

分步骤(1.5)，对带加强杆的熔模模组金属液浇注凝固过程进行计算机数值模拟，预测金属液收缩变形超过1％以上的位置，并设置加强杆；

分步骤(1.6)，减少加强杆数量，重复步骤(1.1)到步骤(1.5)，多次循环迭代，选择加强杆的数量、形状、尺寸和设置位置的最佳方案，直至铸件变形率降低至预期值，并且使用的加强杆满足数量最少、总重量最轻的要求。

2.根据权利要求1所述的熔模铸造用型壳制备方法，其特征在于：根据分步骤(1.3)到分步骤(1.5)确定的带加强杆的熔模模组为对称结构时，加强杆也对称设置。

3.根据权利要求1所述的熔模铸造用型壳制备方法，其特征在于：在关键分布点，熔模收缩位置、铸件收缩位置及其对称区域分别设置加强杆。

4.根据权利要求3所述的熔模铸造用型壳制备方法，其特征在于：根据分步骤(1.3)到分步骤(1.5)确定的加强杆设置位置，该位置铸件为非对称结构时，仅在确定的关键分布点，熔模收缩位置、铸件收缩位置设置加强杆，加强杆不进行对称设置。

5.根据权利要求3所述的熔模铸造用型壳制备方法，其特征在于：非对称设置的加强杆数量不超过15个。

6.根据权利要求3所述的熔模铸造用型壳制备方法，其特征在于：在浇注系统的直浇道和横浇道设置加强杆。

7.根据权利要求3所述的熔模铸造用型壳制备方法，其特征在于：分步骤(1.6)所述的预期值为20％以上。

8.根据权利要求1或2或3所述的熔模铸造用型壳制备方法，其特征在于：加强杆的材料为导热金属，熔点高于熔模和型壳材料，且不与熔模及型壳材料发生反应。

9.根据权利要求1所述的熔模铸造用型壳制备方法，其特征在于：加强杆为金属钢、铁、铜、铝。

10.根据权利要求1所述的熔模铸造用型壳制备方法，其特征在于：加强杆的数量介于1～50个之间。

11.根据权利要求1所述的熔模铸造用型壳制备方法，其特征在于：加强杆的横截面形状为规则的圆柱或长方体；加强杆的杆部平直、光滑，在脱除加强杆时，被脱除的加强杆的形状和尺寸不会对型壳其余部分造成破坏。

12.根据权利要求1所述的熔模铸造用型壳制备方法，其特征在于：加强杆为实心结构、空心结构或者二者结合使用。

13.根据权利要求2所述的熔模铸造用型壳制备方法，其特征在于：当含加强杆的熔模模组重量超过200kg时，浇道结构选择实心加强杆。

14.根据权利要求2中所述的熔模铸造用型壳制备方法，其特征在于：脱模方式选择采用旋转型壳的方式脱模或将型壳置于高压环境降低熔模熔化温度的挥发温度。

15.根据权利要求2所述的熔模铸造用型壳制备方法，其特征在于：采用电脱模时，脱除熔模工艺参数优选为，采用分段加热的方式进行熔模脱除，第一阶段加热温度为：熔模熔点温度+20～30℃，保温10～20分钟；第二阶段为熔模熔点温度+80～100℃，保温10～20分钟；第三阶段为熔模熔点温度+120～150℃，保温直到熔模脱除。

16.根据权利要求2所述的熔模铸造用型壳制备方法，其特征在于：采用与脱模口尺寸和形状相配合的堵头先进行封堵，然后在堵头表面涂覆型壳背层材料，型壳材料完全覆盖堵头。