技術介紹
3 U- h) s8 ]7 F' P 一、什么是消失模鑄造？ : x) N! j+ M6 v- `3 r/ s, `) N
消失模鑄造技術是將與鑄件尺寸形狀相似的發泡塑料模型粘結組合成模型簇，刷涂耐火涂層并烘干后，埋在干石英砂中振動造型，在一定條件下澆注液體金屬，使模型氣化并占據模型位置，凝固冷卻后形成所需鑄件的方法。 對于消失模鑄造，有多種不同的叫法。國內主要的叫法有“干砂實型鑄造”、“ 負壓實型鑄造”，簡稱EPC鑄造。國外的叫法主要有：Lost Foam Process (U.S.A)、 P0licast Process(Italy)等。 + K8 U/ k4 y; I
. \0 F5 w# h/ Q9 Q與傳統的鑄造技術相比，消失模鑄造技術具有與無倫比的優勢，因此被國內外鑄造界譽為“二十一世紀的鑄造技術”和“鑄造工業的綠色革命”。( m: i/ N, e- Z; ~9 M, _
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二、國外消失模鑄造的發展簡史？ ) x! C8 u8 \9 q& {( D( Z
1956年美國人H.F.SHOYER開始了將聚苯乙烯泡沫塑料用于鑄造的試驗，并獲得成功,引起了人們極大的興趣，1958年以專利的形式公布于眾，當時稱之為“無型腔鑄造”。起初，該法只是用來制造金屬雕像等藝術品鑄件，以后經過許多實踐和探索，1962年西德從美國引進專利，消失模鑄造法才開始被開發，并在工業上得到應用。
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1964年美國的T.R.SMITH發表了使用無粘結劑干砂造型生產消失模鑄件的專利。到了1967年,采用普通粘土砂和自硬砂的消失模鑄造法獲得了成功,并在許多國家得到了應用,生產了成千上萬噸鑄件,但無粘結劑干砂實型鑄造卻沒得到發展,仍處于探索階段。在整個六十年代直至七十年代,消失模鑄造法僅限于單件小批生產,典型產品是汽車模具、機器底座、藝術品等。1968年，德國人E.KRYZMOWSKI在砂箱內抽成負壓進行澆注,取得了專利，即現在的消失模鑄造。 ; S; h$ {1 N c! T
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八十年代以前，由于專利的制約，生產中使用無粘結劑干砂消失模鑄造受到限制；鑄造界與其他產業部門協調不夠；由于工藝不當、型砂和涂料不合適以及模型質量不高所導致的實型鑄件外觀及內在質量不夠好，造成了一部分人的等待、觀望甚至懷疑的態度，使得消失模鑄造法發展緩慢。
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( O" |; d/ Y; `, t 1981年以后由于相應專利技術失效，再加上經過幾年努力，發泡聚苯乙烯原料珠粒有了很大進步、模型組合粘結劑質量改善、高質量涂料被研制成功等工藝技術的進步，消失模鑄造法得以迅速發展，并很快在生產上得到應用。1982年美國首先公開了世界上第一條生產復雜鋁鑄件的消失模鑄造生產線。至此，消失模鑄造作為一種全新的鑄造工藝方法被應用于生產。 6 I" m3 q8 ?. p2 ^9 J# M
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三、消失模鑄造在中國的發展簡史
/ s* X, I, J9 G `& T9 k5 b# i 1979年，由我國著名消失模鑄造專家、中國科學院長春光學精密機械研究所研究員黃述哲教授領導的課題組，在中國最早開始了消失模鑄造的原理性試驗。同年，黃述哲教授在全國鑄造工藝學會上發表了“消失模鑄造基本特性的研究”論文報告，在國內首次系統闡述了這一方法的特點和規律性。1982年，在大量實驗室試驗的基礎上，黃述哲教授主持在光機所工廠建成了一條消失模鑄造實驗生產線。黃述哲教授主持完成的“消失模鑄造技術開發及工業化應用”于1997年、1998年分獲中科院科技進步二等獎和國家科技進步三等獎，這是我國鑄造工業界科技成果中獲得的最高獎項。1998年被國家科技部列為“九五國家科技成果重點推廣項目”（99010202A）。黃述哲教授主持完成了數十個技術先進、功能完備、配置合理、生產高效的消失模鑄造流水生產線工程。
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八十年代后期鄭州機械所也開始了消失模鑄造的試驗性應用研究。 5 P5 a& T7 J4 s. l# E* |6 \
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九十年代開始以來，清華大學、哈爾濱工業大學、華中理工大學、西安交大等也紛紛加入了消失模鑄造的研究。 0 Q7 }0 p$ ~$ Q# d( P
, a! U6 U" R# D* x 四、消失模鑄造的工藝流程 " B1 f# L* |' e& b
( m* |3 H! J4 I9 N& q) j 下圖為大量生產的消失模鑄造的全部工藝流程。可見，該流程的主要工部有：熔化工部；制模工部；模型組合及涂層烘干工部；造型澆注工部；落砂清理工部。
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五、消失模鑄造的分類
2 R2 i- n3 W7 @# f1 L 消失模鑄造根據其鑄型材料分類：自硬砂消失模鑄造和無粘結劑干砂消失模鑄造。 6 a& r! l: w/ w9 F
- [& c3 C) j& g+ o I0 D根據澆注條件分類：普通消失模鑄造和負壓消失模鑄造
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六、消失模鑄造的工藝特點 q. q& D3 S8 v4 j- u; x" U
與傳統的砂型鑄造相比，大量生產的消失模鑄造有如下工藝特征：
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（1）一個與逐漸形狀完全一致、尺寸大小只差金屬收縮量的泡沫塑料模型保留在鑄型內，形成“實型”鑄型，而不是傳統砂型的“空腔”鑄型（即“空型”）。
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（2）其砂型為無粘結劑、無水份、無任何附加物的干石英砂。 ! K: e( F& N8 D) y
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（3）澆注時，泡沫塑料模型在高溫液體金屬作用下不斷分解氣化，產生金屬—模型的置換過程，而不象傳統“空型”鑄造是一個液體金屬的填充過程。制作一個鑄件，就要“消失”掉一個泡沫塑料模型。 + B+ X4 \ a9 L+ D
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（4）泡沫塑料模型可以分塊成形再進行粘結組合。模型形狀（即鑄件形狀）基本不受任何限制。
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- }- A1 X& }' ]* k9 c' {$ c 大量生產條件下傳統粘土砂型鑄造與消失模鑄造工藝特點的比較 （表1）, z" D) U0 g* |; k! q8 e$ S1 M
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項 目 傳統砂型鑄造 消失模鑄造
7 ?1 @+ }" }5 y. \' I* I模2 _2 k, f4 ?! F
型
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* d+ L {; K# R8 z; c藝 1．開邊 必須分型開邊，便于造型 無須開邊
' H w }( [2 j* Q7 a2．拔模斜度 必須有一定的拔模斜度 基本沒有或很小的拔模斜度
7 o4 A% V" |" n" B E4 D% K. `3．組成 有外型芯合組成 單一模型
+ |2 _9 _( Q/ ^8 ^6 {4．應用次數 一個模型多次使用 一型一次 % }" ~% A7 [* J! U7 d* K
5．材質 金屬或木材 泡沫塑料
" [6 I# q) ?( K [. Z; V/ h3 E造造型工藝 1．型砂 有粘結劑、水、附加物經過混制的型芯砂 無粘結劑、任何附加物和水的干砂
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3．緊實方式 機械力緊實 物理（自重、微振、真空）作用緊實 2 j/ M& l: B& o
4．砂箱特點 根據每個零件特點制備專用砂箱 簡單的通用砂箱 ) p6 ~, U4 B) ]: W
5．鑄型型腔 由型芯裝配組成空腔 實型
% f/ s3 p7 s. s) N6．涂料層 大部分無需涂層 必須有涂層
* M' F/ A: ^6 f1 D! r. C8 X澆注工藝 1．充型特點 只是填充空腔 金屬與模型發生物理化學作用
$ r: i8 _% A t' |, |/ ^2．影響充型速度的主要因素 澆注系統與澆注溫度 主要受型內氣體壓力狀態，澆注系統，澆注溫度的影響 ' K6 Q. g3 ^) n1 _$ V+ A- W8 }
落砂清理 1．落砂 需強力振動打擊 翻箱或吊出鑄件，鑄件與砂自動分離 ; I1 U( `% @9 N" U
2．清理 需打磨飛邊毛刺及內澆口 只需打磨內澆口，無飛邊毛刺 1 U e. P" Y7 A0 `; O4 c' X0 }; j
& `6 w( n' W! P4 W, ]* T5 J七、消失模鑄造的主要優點
% L& _4 p( P5 \+ t$ i1．鑄件尺寸形狀精確，重復性好，具有精密鑄造的特點； 5 r3 ]* e" o7 x. S3 H3 `1 m
. p ], E8 z. R/ P$ d, N2．鑄件的表面光潔度高；
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1 r* L+ i1 Q! y! |# s3．取消了砂芯和制芯工部，根除了由于制芯、下芯造成的鑄造缺陷和廢品； ! b5 i' m- r# Z; |% k1 ^
2 T: {( X: w6 W7 V/ W* ?4．不合箱、不取模，大大簡化了造型工藝，消除了因取模、合箱引起的鑄造缺陷和廢品； - t' b" r3 n% J0 q E9 `6 T
/ I4 O1 k- t$ Y4 C# g' P* J8 g, U5．采用無粘結劑、無水分、無任何添加物的干砂造型，根除了由于水分、添加物和粘結劑引起的各種鑄造缺陷和廢品；
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$ R9 d0 B+ w3 P6．大大簡化了砂處理系統，型砂可全部重復使用，取消了型砂制備工部和廢砂處理工部； - R e3 i3 `8 h' h; W4 n
- Q e: S! B* \; E7 s5 k7．落砂極其容易，大大降低了落砂的工作量和勞動強度； 9 M3 a5 [) k, \" q4 E, X
* E" h$ i2 R. O8．鑄件無飛邊毛刺，使清理打磨工作量減少50%以上；; `; j& ~, s0 q: y7 H
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9．可在理想位置設置合理形狀的澆冒口，不受分型、取模等傳統因素的制約，減少了鑄件的內部缺陷；
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1 J. x }' M; x9 [- F% A10．負壓澆注，更有利于液體金屬的充型和補縮，提高了鑄件的組織致密度； % ~& p5 M" t& B/ K s( |) Z
6 C: U) g3 w9 V% a* {11．組合澆注，一箱多件，大大提高了鑄件的工藝出品率和生產效率；
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12．減少了加工裕量，降低了機加工成本； . E7 R5 d/ L% m
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13．易于實現機械化自動流水線生產，生產線彈性大，可在一條生產線上實現不同合金、不同形狀、不同大小鑄件的生產；
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( Z; b) T. p* V& M3 E( m14．可以取消拔模斜度；
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15．使用的金屬模具壽命可達10萬次以上，降低了模具的維護費用；
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16．減少了粉塵、煙塵和噪音污染，大大改善了鑄造工人的勞動環境，降低了勞
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動強度，以男工為主的行業可以變成以女工為主的行業； 6 L/ v5 G3 n2 M+ H/ f
0 V+ M9 A) n& o" O4 \17．簡化了工藝操作，對工人的技術熟練程度要求大大降低；
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18．零件的形狀不受傳統的鑄造工藝的限制，解放了機械設計工作者，使其根據零件的使用性能，可以自由地設計最理想的鑄件形狀； 2 ?, T% d- G0 E7 \8 d! }
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19．可減輕鑄件重量； % Y0 ^1 X& m2 G# N
+ Y+ ^. A* P. Y5 Z! e1 i' X3 _20．降低了生產成本； , }3 Z+ j. `! F9 A
# E( y G( X X: b, p) u21．簡化了工廠設計，固定資產投資可減少30∽40%，占地面積和建筑面積可
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9 C& j, C( y0 f6 Z- z' a1 {& X減少30∽50%，動力消耗可減少10∽20%； 5 q6 O# Q4 \: x4 x
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22．消失模鑄造工藝應用廣泛，不僅適用于鑄鋼、鑄鐵，更適用于鑄銅、鑄鋁等； . R; d. b5 y/ F: C3 K6 ^0 Y
3 A8 y8 u9 e; t, X: |: r23．消失模鑄造工藝不僅適用于幾何形狀簡單的鑄件，更適合于普通鑄造難以下手的多開邊、多芯子、幾何形狀復雜的鑄件；2 S5 V" [- V2 U) _% i s
8 _& a( J" i9 m. Q' f3 O$ F9 i, E24．消失模鑄造工藝可以實現微震狀態下澆注，促進特殊要求的金相組織的 形成，有利于提高鑄件的內在質量；
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25．在干砂中組合澆注，脫砂容易，溫度同步，因此可以利用余熱進行熱處 理。特別是高錳鋼鑄件的水刃處理和耐熱鑄鋼件的固溶處理，效果非常理想，能夠節約大量能源，縮短了加工周期；
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; R: P" O( O# W1 H& o26．利用消失模鑄造工藝，可以根據熔化能力，完成任意大小的鑄件。
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5 G3 W$ t6 X! `9 J# _' ^ 八、消失模鑄造需要的專用設備
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* V# A# j0 ^. t1 V, u N) ?# v3 [$ t消失模鑄造與其他鑄造方法的主要區別是它所特有的黑區和白區部分。白區指制模工部和模型組合及涂料烘干工部，黑區指造型澆注工部。
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! u, w- Y4 `4 |; r消失模鑄造的專用設備有：
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白區：
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制模工部：預發機、蒸缸、成型機、 模型干燥室等 7 w3 m+ X* [! ]
$ D$ T! J0 |# L) Y模型組合及涂料烘干工部：涂料研磨機、涂料混制滾筒、模型烘干設備等 / \" [3 x+ g. J1 K5 P
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黑區：
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造型澆注工部：造型振實臺、真空系統、砂處理系統、砂箱、雨淋加砂裝置、砂箱運輸系統等
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! W Q2 r+ I% ` Z3 ]7 a 九、消失模鑄造生產線 . X V* ]! g& K5 o! G1 r9 V
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1．簡易線：投資少，設備簡單，適合小規模、小批量生產
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2．流水生產線：系統完整，功能齊全，連續作業，適合大批量、大規模生產
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開環線 + x7 L1 j! {& ^# V+ o4 a
! n8 P. O" w" W9 x閉環線 ) L0 s2 F: d, ^# V) E
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# c$ E5 o' J4 y$ z, r3 S 十、消失模鑄造的關鍵技術 # M2 n) l0 ~9 S' P& [
. G" o+ ~" E1 n x8 b/ z1．泡塑模型模具制造技術 0 r" P5 L& j! j% p) J+ u6 _- ~& w
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（1）消失模鑄造工藝設計 q- J/ ]' e2 _
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（2）模具設計 * y) R6 m! b A. W8 ?& |
8 m C3 n( e/ R$ K* m8 g（3）模具調修 5 x. L; t, q( I! W4 O9 [- T
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2．泡塑模型制造技術 5 b) n1 C% ^5 x$ l
6 _8 E& _- |4 p" q# ^（1）預發泡工藝 9 X l. n! o! }+ v6 B- X8 `; X
6 O' X9 t- _" t _0 s, m8 l
（2）模具成型 4 M+ R+ W9 M" @
5 R$ a2 V1 ?9 \& \* y（3）粘結組合
, G* \" Z6 w- a( h! q! A6 C2 H' w5 N! n! d8 R B) H6 M
3．涂料及涂層制備技術
0 H( n* [) S/ |: A/ M( n
$ U- _2 D3 W) d& h4 {（1）涂料配方 $ y# l* g- H; `6 w
; ?9 q7 z0 P8 E* \+ p2 l
（2）涂料制備
' C, N! P) ~5 l$ b2 q# @8 a; u5 R* i& E- O k
（3）涂料涂敷
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( _% x3 b- `# e' Y0 w7 V（4）涂層干燥 $ L) I% x$ A. `
1 Z& g0 b1 u/ L- D4．微振造型技術 3 S/ I- C+ @, G" k0 f9 F
3 v4 H. i! I$ I5 S2 e5 p5 e) g7 L
（1）振動臺選用
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（2）振動參數
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（3）操作要點 1 x6 n# Y7 q, G n7 Q
& C8 `- N# d# l9 z- U! M9 P' v5．負壓澆注技術 2 d+ V0 z; ?/ {* i/ Z
% z1 E) N/ q2 Z6 h% n* T U
（1）真空系數選定 ) ?4 r0 Q7 [! Q' ~ s0 S8 T
# w% R2 M- W7 Y/ j+ W6 Z6 V
（2）澆注參數
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（3）負壓規范
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' _4 J4 k0 o. y. Z+ E6．過濾技術4 U2 X$ v* h9 b
. s" r! F" m/ t' l& ]# \: S; L
! H; l" R$ ?6 Y- C& A/ N. ? 十一、世界消失模鑄造技術的發展趨勢 7 o$ s$ I3 N) A7 n, ?* `
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美國學者C.Bates教授等發表了《全球消失模生產技術和市場發展》的論文，比較詳細地論述了模樣制作、涂料、砂子緊實、澆注、充型和模樣熱解各個環節的成就和發展趨勢，許多北美的企業、高校和行業組織聯合起來，組成消失模鑄造聯盟，對該工藝進行進行開發研究，經過不懈的努力，使該工藝得到不斷的改善，工藝過程得到更好的控制，也逐漸被更多的鑄造界人士所認同，鑄造企業和鑄件的使用者都從中受益。1999年美國威斯康星大學的一項市場市場調查表明，在未來的6到10年中，消失模工藝的前景一片光明。市場調查表明：在1990年，有6%的鋁合金鑄件是使用消失模鑄造工藝生產的。預計到2007年，將會有29%的鋁合金鑄件使用該工藝。從1997年起，灰鑄鐵和球鐵方面也有較大增長，目前約有2%的灰鑄鐵件是由消失模工藝生產的，預計到2009年將達到15%。
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5 B/ U+ |8 y, ~+ R3 C 消失模工藝不斷為人們所認識，也為新產品的生產提供了足夠的信心。通用（美國）、TEKSID（美國）、CASTI（意大利）、INTERMET（美國）、CITATION FORM（美國）、寶馬（德國）都已經引進了消失模鑄造工藝。; ^: ?8 i' C! x3 O0 \" E6 Z {# Y
4 n' b- y, `4 o1 W& T 十二、我國消失模鑄造的應用現狀
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/ |8 F2 H$ H7 M$ s5 l! J/ B消失模鑄造技術自九十年代開始在我國進入工業化應用，經過十幾年的發展，我國的消失模鑄造工業具有了一定規模，成為鑄造工業的重要組成部分。消失模鑄造技術也被國家重點推廣而成為改造傳統鑄造業應用最廣泛的高新技術。
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" P& d4 A; B- b. M" H T6 z但總的來說，我國消失模鑄造的生產應用水平與發達國家仍然有很大的差距。目前，我國的消失模鑄造廠家大大小小有數百家。但大部分的工廠生產能力都不大（與國外動輒數萬噸的生產能力相比差距較大）。
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( @! {3 u& N6 M4 E6 U7 \形成這種狀況，除了我國的消失模鑄造工業起步較晚之外，還因為：5 r7 i7 p/ u' k4 ]$ `6 O
8 T; S* c0 p( e1 s# [" Z9 t（一）很難接受技術和工藝的有償服務，這是我國企業的“通病”，消失模鑄造行業也不例外。我國的生產廠家過去在引進消失模鑄造時，過分注重硬件設備的引進，而忽視軟技術的引進。消失模鑄造對于大多數企業來講，畢竟是新生事物，從接觸到理解到應用需要一個過程，是無法一蹉而就的。靠企業自身的技術力量去探索生產技術、產品工藝等，周期較長。所以，廠家在引進消失模鑄造工藝時，應當注意對技術和工藝的引進。 （二）我國國產的消失模鑄造設備水平能基本滿足生產的需要，但提供者對于消失模鑄造技術和生產工藝的掌握卻差別不一。我們在引進消失模鑄造工藝時，應對供應商進行綜合評價。 （三）我國引進消失模鑄造的歷史不長，既有理論又有實踐的消失模鑄造技術人才還不多。因此，技術人才的培養，是我國消失模鑄造工業迅速發展的迫切需要。
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現在，我國的消失模鑄造處于一個蓬勃發展的歷史時期，只要我們能夠吸取經驗教訓，并作出不懈的努力，前景將會一片光明。 ) p v7 k9 T8 W1 S0 I" a0 x2 W7 w4 S
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) I- j& }! a: B5 A* {, c b 十三、消失模應用實例：重型汽車變速箱殼體消失模鑄造與樹脂砂型鑄造對比# X- f, h; X- y( ]* t* v( Z# d
! \; |* r0 }, K9 t. e) l
& b6 i9 S- u$ ^! {# R# a+ r; O" `項目 消失模鑄造 樹脂砂鑄造 比較
, J/ l' t, |5 Z尺寸精度 GBCT7 GBCT9 ↑2級
5 B" E2 [! a& u+ @; W* l" C主要壁厚 6.8±0.2mm 6~8mm 3 L) I+ _* e( h9 O+ s
重量 平均65公斤 平均71公斤 ↓∽10%
2 z1 O2 Q1 T. v7 _0 I重量精度 GBCT7 GBCT9 ↑2級 6 s0 i$ o. @% a* c4 x! ?+ V& ^$ q
加工裕量 2 mm 3~4 mm ↓30~50%
4 M' e- ^( _5 S( m廢品率 內廢 2% 30% 7 B* Z1 Y: H. H, Y% D3 E3 W4 ]
外廢 0.7% 40%
) _, g, o+ h3 ]* ^鑄件成本 310元/件 380元/件 ↓1000元/噸 ! ^( | Z. x' v- f, R9 |
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發表于 2007-10-24 10:33:18
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