（原载《中国铸造协会精铸分会第八届年会论文集》，2003，广州）
北京航空航天大学 陈 冰
【摘 要】 本文概括介绍了近 10 余年来国外在精铸装备方面的进展,其中包括自动膏态和固态压蜡机、制壳机械手和自动化干燥系统、多路输出中频电源和小型高效感应熔炼炉、高压水自动清理中心和高压强力打磨以及 X 射线实时在线检验系统等先进装备。文章最后，作者对我国精铸工业特别是精铸设备生产厂家提出一些希望和建议。
关键词: 熔模铸造 装备和设备
Chen Bing (Beijing University of Aeronautics and Astronautics)
[ABSTRACT] this paper presents briefly that overseas evolve on equip for investment casting industry, including paste and solid wax automatic injector, shell building robots and automated drying system, multiple-output power and high-yield induction melting furnaces, high-pressure water jets cleaning and high-pressure power-assist plunge grinding machines, real-time X-ray testing system etc.
Key world: Investment Castings, Equipment
一. 制模设备
制模的关键设备就是压蜡机。从技术发展的角度看，压蜡机的关键部分是控制系统。其中压力和流速是需要控制的最重要而又密切相关的二个参数。国外精铸业界通常围绕压力和流动的控制，将压蜡机分为以下几种类型：
1) 只控制压力 液压回路中只有压力控制阀而没有流动控制阀。目前这类设备在国内十分流行，是大多数精铸厂在线使用的主要装备，但在美、欧各国已很少使用了。
2) 同时使用压力控制和流动控制，但没有压力补偿 优点是压力高时可以获得低的流速。但由于没有压力补偿，故压力低时无法获得高的流速，压力和温度的任何波动也都将导致模料流动速度改变，进而影响蜡模质量。
3) 同时使用压力控制、流动控制和压力补偿 这是在常规条件下控制压注过程最有效的方法，现已为国外多数压蜡设备采用，美国 Howmet-TMP 公司较早开发并获得专利权的 AFC (Accelerated Flow Control)控制系统便是一例。
4) 采用流动控制加分段式压力控制 也就是将压注过程分为充型、压实和保持三个阶段(图 1)。明确地将充型压力跟压实压力分开。充型压力要适当大些，以保证充型完满，蜡模轮廓清晰且没有流痕，而压实压力应明显低于充型压力。以保证蜡模尺寸稳定、表面缩陷和变形小，同时飞边毛刺少，尤其是要不损坏型芯。关键之处更在于上述二段压力转换时间的掌握。将计算机控制系统与AFC 技术相结合的CFAFC (CompuFlow Accelerated Flow Control)系统保证压蜡机能实现流动控制加分段式压力控制。图 2 所示就是装备有 CFAFC 控制系统的Howmet-TMP 自动压蜡机。
5) 计算机控制全自动压蜡机 压注过程一般周期短，通常在一至数分钟，需要控制的工艺参数很多，至少包括压力、流速、温度、时间等项。所以单靠人工精确控制很困难，于是计算机控制应运而生。早期的计算机控制是可编程控制。美国 MPI 公司研制的微机编程控制自动压蜡机1992年在 ICI第40 届年会暨第8届世界精铸年会上首次亮相(图 3)。该机安装有能对所有压注工艺参数预先进行设定的计算机控制系统。在计算机屏幕上操作者可以方便地访问并调用预先编制的程序，无需人工操作，设备即可自动运行。计算机不仅能储存工艺参数，而且当运行过程中一旦有任何参数超出了预设范围，计算机将自动报警，以便及时排除故障，避免产生废品。90年代中期计算机实时控制压蜡机问世。1999 年在日本 JACT 年会上MPI展出了新近开发成功的ADS控制压蜡机(图4)。其功能和智能化程度较前者又有大幅度提高。
MPI 通过安装在储蜡缸中的 ADS 专利程序控制系统来实现对蜡膏温度的精确控制，此外，ADS 还具有实时确定进入压型型腔的模料体积的能力，再根据此体积来调控压注模料的流速。MPI 的 ADS 控制系统提供了二种不同的压力模式，即充型和压实压力。一旦进入型腔的模料接近充满压型型腔(达到全部型腔体积的 95%~98%)，系统就自动切换到较低的压实压力。
二. 液态-膏态的‘回归’和固态压注技术
1. 液态-膏态压注的‘回归’
20 世纪 70 年代国外液态模料压注系统逐渐取代膏态压注，并形成工业标准。当时液态压注之所以兴起是因为模料熔化后便可直接方便地装入储蜡缸而无需制备蜡膏，同时传统的膏态压注设备在制备和装填蜡膏时容易卷入空气。然而液态压注也存在制模周期长，模料凝固过程体收缩较大等缺点。于是从 20 世纪 80 年代以后又逐步出现由液态到膏态压注的‘回归’。小型压蜡机比较容易实现这一回归，大型压蜡机就比较困难。美国Mueller-Phipps International’s (MPI)公司 1991年率先推出新型膏态压注系统。温度 70℃的液态模料先从模料输送系统输入储蜡罐，随后迅速将温度降至60℃。储蜡罐外筒由导热快的铝合金制成，分 1、2 两个温度区（图 5）。1 区采用电加热并带有温度控制器和液面自动控制装置，使蜡液始终保持所需的温度和适当的液面位置。2 区通过筒外循环水套来加热或冷却蜡膏。笼形搅拌器由三片耐磨叶片组成，叶片不断刮檫筒壁，将模料均匀混合成膏状。温度靠插入蜡膏中的热电偶和温度控制器控制。温度控制十分准确灵敏。图 6 所示为安装有膏状蜡储蜡罐的MPI 54－20压蜡机，该储蜡罐向压蜡供给蜡膏的能力为2.3L/min。值得一提地是，尽管在缩短制模周期和减小蜡模收缩等方面膏态压注比液态压注有明显的优势，但这并不意味它就可以完全取代液态压注。在压注大型薄壁复杂蜡模时，恐怕还是非液态压注莫属。
2. 固态压注压蜡机
将处于固态下的模料直接挤压进压型型腔生产蜡模的技术早在 20 世纪 70~80 年代已见报道，但由于种种原因未能在实际生产中推广应用。近年来这项技术已取得突破性进展，据称目前已有 400多套装备有机械手的固态压蜡机投产使用。
固态压注时模料温度低(40℃以下)，几乎没有流动性，主要靠大压力(7~14MPa)挤压模料使其产生塑性流动，在注蜡口处强烈的摩擦和机械剪切作用下局部熔融，进而充满压型型腔并获得表面没有冷隔、皱褶、浇不足和气泡等缺陷的合格蜡模。由于蜡模成型未经过凝固过程，所以体收缩很小，几乎没有线收缩，因而有效地避免了表面缩陷。某些容易产生表面缩陷的蜡模(如高尔夫球棒头)平面度可达 0.025~0.075 mm (图7)。如果采用如图8所示装备有开/合型机械手的自动化固态压蜡机, 生产效率很高，压注一个如图 2-20所示的实心高尔夫球棒头（没有预置冷蜡块）的生产周期仅为 10～15s，如采用液态压注法（加冷蜡块，模具制冷）为 2～3min，采用膏态压注也需要 20s 以上。当然还简化了压型设计和制造, 这是由于蜡模压注后基本上不产生收缩，所以设计模具时无需考虑收缩放量，也就不存在由此而产生的偏差，模具返修也大为减少。
这种技术可以使用任何一种模料, 包括回收-再生模料。因此模料成本大幅度下降。由于降低了操作温度，有利于延长模料使用寿命和抑制灰分增长。
目前，利用自动高压固态压蜡机生产高质量蜡模的新技术正在逐步推广应用。当然这种技术也绝不可能是尽善尽美的，但在压注某些外形尺寸不大而断面较厚的蜡模时，它不失为一种尚佳选择。
图 7 固态压注的蜡模的平面度 图 8 固态压注压蜡机
三. 制壳机械手
国外制壳机械手的发展已经历了几个阶段，图 9a 所示是早期的制壳机械手，后经改进成为图9b所示，图9c所示则是1999 年VA Technology Ltd.研制和开发出新型制壳机械手及与之配套的全套制壳设备(包括涂料制备、沾浆、撒砂以及型壳干燥等)。图 9c机械手有6个自由度，动作象人手一样灵便，涂挂效果非常稳定，最大抓举重量300kg，采用最先进的液压器件，大修时间长达45000小时。此外，该系统还具有如下主要特点：
·全套设备结构和尺寸都经过 CAD优化设计。
·系统中广泛采用了数字变频驱动器，因而启动、制动、加速、减速都非常平稳。机械传动装置和轴承座等重要零部件又都经过消除应力处理，因而大大提高了系统的可靠性，延长了使用寿命。
·所有制壳设备均由跟工厂局域网连接的计算机 (CD2)操纵和管理。
与上述机械手配套的自动化型壳干燥系统是 1995 年由英国 Drytech Processing Ltd. 设计制造的，干燥间外形如图10所示，它是一个相对独立的封闭空间，以利于调整和控制温度、湿度和气流速度等工艺参数，同时也有利于节能和降低成本。系统采取了有效的降噪措施, 并配备有激光扫描装置来识别模组并准确定位。携带模组的吊具可以自转，以便使模组上不同部位的干燥程度更加
均一。主要技术参数为：
·简单形状铸件层间干燥时间约为 40分钟，机械手抓取、浸渍、滴落、撒砂和上线各 3分钟。
最终干燥时间8～12小时；
·大型复杂铸件层间干燥 2小时，机械手操作时间也适当延长。
该系统的自动控制单元，能确保干燥通道具有均匀稳定的操作条件。温度、湿度和风速可以预先设定成几个级别，以便根据不同模组的具体情况通过安装在通道内的旋转扩散器(图11)进行调整。特别值得一提的是，系统中配备有二套能发射电磁波的微型无线信号发射器。其中一套安装在吊具上，跟吊具一起运动，随时测量并发送有关空气温度、湿度和气流速度的信号。另一套带有二只热电偶，埋设在蜡模表面，分别监测干燥最快和最慢处的蜡模/型壳界面温度。发出的信号在控制台被接收器接收，再输入计算机处理，最后将结果以曲线图的形式在计算机屏幕上显示或打印出来。操作人员就可以根据这些数据和资料及时对干燥参数进行调整，以确保型壳质量。据报道，该系统已在Wisconsin precision Casting, Rolls Royce等著名精铸公司制壳生产线上运行。
四. 熔炼设备
1．多路输出中频电源
也就是可以同时供给二台或多台感应炉工作电流的电源系统(图12a)。 1991年多路输出中频电源开发成功，现在越来越多的精铸厂意识到这种供电系统有利于提高生产效率和制造柔性。传统的单路输出中频电源中包含有一个AC-DC 整流器和一个DC- AC的逆变器，双路或多路电源则包含有整流器和二个以上的逆变器(图 12b)，并和一个控制单元连接，无需专门的机械或电子切换开关，此控制单元便可以根据需要将电功率任意分配给每一台电炉，同时自动保持总功率不超负荷。在成批生产的条件下，双路中频电源的电能利用率达到接近100%，生产效率比单路电源提高 20%以上。而且二台感应炉共用一组电源，占用的生产场地也大大减少。
2．小型快速感应熔炼炉
现在国外高频感应熔炼设备在精铸生产中应用相当普遍，适用各种铸钢、钴基合金、铜合金、铝合金及磁钢等。由于频率高(3000~10000Hz)和输出功率大使快速熔炼成为现实。在美国有很多工厂采用最小容量的熔炼炉进行快速熔炼,5~10分钟内熔炼一炉(5～10kg 钢)。浇注方式为炉前直接浇注。图13所示为美国Dal-Air Investment Castings Co.用小型感应炉直接浇注型壳的情景。这种熔炼炉不但效率高，方便灵活，而且有利于防止产生吸气、夹渣、浇不足等缺陷，对克服针孔和气孔上也有明显效果。图 14 所示为 2001 年在美国 ICI 设备展示会上展出了由美国应达公司( lnductotherm's)最新推出的专门为熔模铸造设计的小型翻转炉。采用了先进的 VIP电源及控制系统。金属在炉中与耐火材料接触时间很短，因此产生的夹渣很少。金属完全熔化并达到浇注温度后，操作者可利用脚踩开关将炉子翻转浇注。
五. 高压水自动清理中心
目前在美欧各国，高压水清理已获得越来越多精铸厂家认可，特别是对于清理铝铸件来说，更是首选的清理方法。因为像震动、抛丸或其它机械脱壳方法都很容易损坏铸件和铸件表面。对钢和其它合金铸件，高压水清砂也有其优势，它有可能将盲孔或内腔中的型芯或残留的型壳清除掉，在某些场合能清除100%的残留型壳，至少也能清除掉 90%以上型壳。此外，这种清砂方法还具有无尘、无震、低噪等优点。跟国内不同的是，国外高压水压力普遍更大些，对于铝铸件，水压为 20.4~40.8 MPa；对于钢和其它合金铸件为 68~136MPa。低于此范围效率低，而高于此范围虽然可以提高效率，但容易损坏铸件。
上世纪 90 年代初美国 Triplex 公司着手开发高效率的高压水清砂系统并取得成功，这种系统工作效率高，它能在一分钟内将大约95%的型壳材料清除，而且减少了由于震动造成的废品和残次品，大大减轻了工人的劳动强度，缓解甚至消除了精铸生产环节中的瓶颈。TRX高压水清理系统高效操作的秘诀并不在于高压水枪，而在于夹持模组的夹头。1993 年美国第 41 届精铸年会上，Triplex 公司率先推出适用于精铸厂家的一种通用夹具HC-1000, 并获得美国专利权(图 15)。它能快速而牢固地抓住精铸模组上形状不规则的圆锥形浇口杯(图2)，使操作者能方便而安全地进行高压水喷射以及吹砂、切割、打磨或其它操作，也可用作机械手的夹持器或传送处于高温状态的铸件。这种液压夹头外形尺寸和结构紧凑，装卸模组快，每次装卸大约只需1~2秒钟。Triplex公司早期生产的此类高压水清理设备TRX-500 (图16)。夹头沿水平轴旋转，相当于卧式车床的三爪卡盘，而高压水枪沿水平方向移动(图 17)，并可沿径向自由伸缩相当于车床刀架，以跟踪并瞄准模组上不同部位，并使喷嘴与铸件之间的距离保持在最佳状态(相互间距25 ~ 152mm)。
TRX-500 有二种工作模式，即初步清除和彻底清理。初步清砂的目的是尽可能多地清除模组上的型壳，特别是内浇道附近的型壳，一般可清除90 %以上，为切割铸件作准备。彻底清砂目的是清除盲孔、凹槽、内腔等部位经初步清砂未能清除的型壳。试验和研究表明，水枪跟踪运动的同时随机抖动能将清砂效率提高一倍以上。夹头的转动则由计算机程序控制，该转动程序是和水枪的移动相关联的。由于精铸件种类多种多样，公司提供多种PLC 程序供用户选用。采用此项技术，清理一个模组的周期可缩短到3分钟。 Investcast of Minneapolis MN.采用此技术每工作班清理铸件超过6000件。目前Triplex提供TRX-500, TRX- 1000, TRX-1500 等多种规格的高压水自动清理中心(图18)。
该中心不但能自动进行初步清砂和彻底清砂，还可以切割铸件。高压水循环使用，清除掉的废型壳经处理后回收利用。
六. 高压强力送进打磨设备
无论国内外打磨铸件的手段主要是砂轮和砂带磨轮二种。但目前国外砂带打磨已成为打磨铸件的主要手段，广泛用于各种合金材料。打磨技术的一个重要的进展就是采用高压强力送进打磨(High-Pressure Power-Assist Plunge Grinding)。也就是通过液压缸以大的压力(3.5~5.0MPa)将工件推向磨轮并快速送进(图 19 和图 20)，使打磨效率成倍增长，例如打磨不锈钢铸件时可以每秒 8mm 速度送进，一个不锈钢浇口残根(面积 20×20mm)可在 1.5s 内磨掉，加上装卸铸件的辅助时间，能在 10s内打磨一个铸件。这比手工打磨减少2/3 时间，使用一台这样的设备就可减少3 个工人。
七.X射线实时在线检验系统
上世纪90年代初，一种新的无损探伤方法问世并很快在实际生产中广泛推广应用，这就是 X射线实时在线探伤。美国IRT 公司率先推出Fluoroscan型柜式 X射线探伤系统(图22)。该系统的最大特点就是检验方便快捷，无需摄影胶片立即就能从计算机屏幕上实时观察到检验结果(图 23)。作为检验结果的探伤图象可以方便地保存在计算机硬盘或其它存储介质中，更可以通过计算机网络及时方便地和客户进行交流。现在这种方法不仅是铸件质量检验的重要手段而且也成为铸造过程控制的有力工具。
八．有感而发
加入 WTO 对我国精铸工业的发展实在是天赐良机，事实上一个新的更大的发展高潮正在酝酿和形成之中。毋庸置疑，精铸工业的发展离不开设备和装备的进步，从总体来看，这方面我们和国外的水平还存在较大差距，特别是在新产品研发和产品质量方面，所以国内一些有条件的精铸企业(包括国营大中型企业的精铸厂和实力较强的民营精铸厂)，不妨适当引进国外先进装备以加速自身发展，以免贻误时机，丧失机遇。但从全局看，精铸装备的更新换代主要还是要靠我们自己。希望国内精铸设备生产厂家能在稳定和提高现有设备质量的基础上，广泛深入汲取国外先进经验，不断开拓进取，勇于创新，针对国内市场需求，开发出更多水平先进又适合国情的新产品，以推动和促进我国精铸工业的更大发展。
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