消耗性模具铸造与. 永久模具铸件

1. 介绍

以其核心, 铸造分为两个大类: 消耗性模具铸造, 销毁模具以检索零件的地方, 和 永久模具铸件, 可重复使用的模具产生多个组件.

比较这些过程直接以部分质量照亮权衡取舍, 成本, 和交货时间 - 工程师和采购团队依靠的参与者选择最佳方法.

本文深入研究了每种技术, 评估关键绩效指标, 并提供了在消耗和永久性模具铸造之间进行选择的指南.

2. 什么是消耗性模具铸造?

消耗性模具铸造 包括牺牲模具以检索固化金属部分的任何过程.

铸造厂用沙子建造这些模具, 石膏, 蜡, 或可重复使用的图案周围的陶瓷材料; 一旦熔融金属冷却并凝固, 模具分裂了, 使其无法使用以进行随后的倒水.

优点

• 设计自由: 消耗性模具可以捕获高度复杂的几何形状（包括内部空腔和底切），而不需要昂贵的可折叠芯.
• 低前期工具成本: 简单的沙子图案成本 $500 和 $5,000, 使这种方法在经济上对小批量或原型运行有吸引力.
• 广泛的合金兼容性: 从低融化锌到高温钢和超合金 (到 1,500 °C), 消耗性模具几乎可以容纳任何材料.

缺点

• 较长的周期时间: 典型的沙播循环需要 30–60分钟 每个部分 (包括模具准备和摇摆), 与 1–5分钟 在永久性模具中.
• 表面更粗糙: 绿色铸件通常表现出表面粗糙度 RA 6.3-12.5 µm, 需要额外的加工.
• 尺寸变异性: 线性公差 ±0.5–3 mm 限制使用消耗性模具用于高精度组件而无需铸造后的操作.

消耗性模具的类型

消耗性模具铸造包括几个过程, 每个针对特定零件复杂性量身定制的, 数量要求, 和物质选择.

以下是主要方法:

沙子铸造

• 绿色: 使用粘土 - 水和混合物，该混合物仍然可容纳数千种模具.
  它处理零件多达几吨，费用低至$ 0.10– $ 0.50铸造材料.
• 树脂键: 掺入合成树脂代替粘土, 提供改进的表面饰面 (RA 3.2-6.3 µm) 和更严格的公差 (±0.5 mm) 适度的运行 (500–5,000 PC).
• 外壳成型: 瘦, 热固性金属图案周围形成热固性腐蚀“外壳”.
  壳模达到RA 1.6–3.2 µm的完成和±0.2 mm公差, 使它们非常适合小, 错综复杂的铸件.

投资 (失去蜡) 铸件

也称为精确铸造, 该方法产生最高的保真度: 公差±0.05 mm，表面饰面至RA 0.8 µm.

铸造厂涂上蜡或聚合物图案，陶瓷浆料, 然后在倒入之前烧掉图案.

虽然工具运行$ 5,000- $ 20,000, 它可以为零件付出回报 1 毫米壁厚，低至中体积 (100–2,000 PC).

迷失的泡沫演员

泡沫图案 (EPS或PLA) 更换传统模具. 与熔融金属接触, 泡沫蒸发, 离开腔.

失落的泡沫在复杂的地方擅长, 单盘形状无草稿角，看到每个部分15–30分钟的典型周期时间.

石膏铸造

高强度石膏或石膏模具捕获细节 (RA 1.6 µm) 并容忍倾倒温度至 1 200 °C.

他们的脆弱性将重复使用到10-50个周期, 所以他们适合小体积, 高精度组件，例如航空航天和医疗配件.

陶瓷模具铸造

使用高级耐火陶瓷, 这个过程承受超级合金的倒入 1 400 °C.

它具有复杂的几何能力和紧密的公差 (± 0.1 毫米) 用于镍基涡轮叶片和高温发动机零件, 尽管成本更高且周转更长 (3每批–6天).

3. 什么是永久模具铸造?

永久模具铸件 使用可重复使用的金属模具 - 典型的钢或铸铁 - 通过数百到数千倒数保持完整.

铸造厂在重力下将熔融金属倒入这些封闭的模具中, 低压, 或高压.

金属固化后, 模具打开并弹出近网状部分而不破坏模具.

优点

1. 快速周期时间:
   永久模具在 1–5分钟 每个铸造, 与 30–60分钟 用于沙模. 更快的周期直接转化为更高的吞吐量.
2. 更严格的公差 & 更好的表面饰面:
   钢模具产生公差 ±0.1-0.5毫米 和表面的光滑如 RA 1.6 µm, 减少甚至消除次级加工.
3. 改善机械完整性:
   金属模具中的控制冷却可产生较细的谷物结构，直到 30 % 孔隙率低于砂光零件, 增强力量和抗疲劳性.

缺点

1. 高前期工具成本:
   模具集通常成本 $20,000 - $ 150,000 并需要 6–12周 交货时间, 使他们对奔跑的不经济 2,000–5,000 部分.
2. 有限的几何复杂性:
   模具需要草稿角度 (1–3°) 并且不能自然地形成深层底切或复杂的内部特征, 哪个增加了工具和周期时间.
3. 合金限制:
   高温合金 (钢, 镍超合金) 侵蚀金属模具; 永久性霉菌主要提供非有产合金 - 铝合金, 镁, 和锌.

永久性模具铸件的类型

永久模具铸造依赖于耐用的金属模具 - 典型的钢或铸铁 - 可承受多个铸造周期.

以下是主要方法, 每个对特定零件几何的优化, 卷, 和物质特征:

重力铸造

• 过程: 熔融金属仅在重力下流入模腔.
• 公差 & 结束: 达到±0.1–0.5 mm公差，RA 1.6-6.3 µm表面饰面.
• 体积 & 周期: 适合中型跑步 (2,000–50,000 PC) 每次铸造的周期时间为1-5分钟.
• 典型的合金: 铝 (A356, A380), 铜合金.

低压铸造

• 过程: 轻微的气压 (0.3–1.5 bar) 迫使熔融金属向上融入模具, 确保光滑, 无湍流填充和定向凝固.
• 公差 & 结束: ±0.1-0.3毫米; RA 1.6-4.0 µm.
• 体积 & 周期: 1,000–20,000 PC的理想选择; 每个周期跨越3-8分钟.
• 典型的合金: 铝合金合金, 镁.

高压 (热室) 压铸

• 过程: 熔融低熔点金属 (锌, 镁) 在高压下注入死亡 (到 150 MPA) 通过淹没的室.
• 公差 & 结束: ±0.02–0.1 mm; RA 0.8-3.2 µm.
• 体积 & 周期: 在非常高的卷中表现出色 (50,000+ 件) 循环快20-60秒.
• 典型的合金: 锌 (小伙子系列), 镁 (AZ91D).

真空铸造

• 过程: 真空吸引熔融金属进入模具, 最小化溶解的气体和孔隙率. 通常与低压或重力填充结合.
• 公差 & 结束: ±0.05–0.2 mm; RA 1.6-3.2 µm.
• 体积 & 周期: 中型运行 (5,000–30,000 PC); 周期时间为2-6分钟.
• 典型的合金: 铝, 铜合金.

离心铸件

• 过程: 模具在水平或垂直轴上旋转; 离心力将熔融金属压在模具壁上, 创造密集, 径向谷物结构.
• 公差 & 结束: ±0.2–1.0 mm; RA 3.2–12.5 µm.
• 体积 & 周期: 最适合中型跑步 (1,000–10,000 PC); 周期时间因直径和厚度而异 (5–20分钟).
• 典型的合金: 青铜, 高压黄铜, 铝青铜器.

雪橇铸造

• 过程: 将熔融金属倒入模具中, 允许凝固到指定的壳厚度, 然后将多余的液体倒出 - 生产空心或装饰性铸件.
• 公差 & 结束: ±0.3–1.0 mm; RA 3.2-6.3 µm.
• 体积 & 周期: 低至中跑 (500–5,000 PC); 3–10分钟每个周期.
• 典型的合金: 铅黄铜, 锌合金.

挤压铸造

• 过程: 结合铸造和锻造: 熔融金属充满了死亡, 然后高压 (50–200 MPA) 在凝固过程中压实零件, 产生类似锻造的密度.
• 公差 & 结束: ±0.1-0.3毫米; RA 1.6-3.2 µm.
• 体积 & 周期: 适合较小的跑步 (500–10,000 PC); 周期时间约5–15分钟.
• 典型的合金: 铝和镁合金.

4. 关键性能指标

比较可消耗性和永久性模具铸造, 四个关键绩效指标指导工程师迈向最合适的过程: 维度的准确性, 表面饰面质量, 机械完整性, 和 生产速度.

维度的准确性 & 公差

精确取决于过程的能力始终如一地重现预期的几何形状.

• 消耗性模具铸造: 绿色铸件通常保持公差±0.5-3毫米. 外壳成型 和 投资铸造 将其拧紧至±0.1-0.25毫米.
• 永久模具铸件: 金属模具可以提供更好的控制, 重力的公差为±0.1-0.5毫米，低压铸造, 在高压过程中，高达±0.02–0.1 mm.

由于更紧密的公差减少了下游加工, 永久模具方法通常将总零件成本削减 10–30 % 在中等体积中运行.

表面饰面质量

表面粗糙度会影响功能性能和化妆吸引力.

• 消耗过程: 绿色表面范围从 RA 6.3 到 12.5 µm,
  树脂键合和外壳模具改善了饰面 RA 3.2-6.3 µm. 投资铸造竞争对手永久模具，终止 RA 0.8-3.2 µm.
• 永久方法: 重力铸造通常会产生 RA 1.6-6.3 µm, 低压铸造 RA 1.6-4 µm,
  高压铸造可以实现 RA 0.8-1.6 µm 没有次要抛光.

改进的表面饰面通常转化为 20–40 % 减少施工后的磨削和抛光时间.

机械性能 & 正直

组件的力量, 延性, 和缺陷级别定义其在服务的可靠性.

• 孔隙率 & 包含: 消耗的沙子可能具有孔隙率 2–5 %,
  而永久的模具通常将孔隙率限制为 1 % 得益于受控的固化和, 在某些过程中, 施加压力或真空.
• 谷物结构: 金属模具中更快的萃取速度会产生较细的谷物, 提高屈服强度 10–20 % 超出等效的沙子铸件.
• 疲劳 & 冲击阻力: 研究报告，重力和低压模具铸件表现出疲劳 2× 在相同的载荷下比砂粉较长.

生产速度 & 周期

吞吐量取决于霉菌填充的速度, 固化, 并重置.

• 消耗性铸造: 砂模需要 30–60分钟 每个周期 (包括制造和摇晃), 和投资铸造运行 6–24小时 每批.
• Permanent Casting: Gravity and low-pressure methods cycle in 1–5分钟, while high-pressure die casting can complete a part in 20–60秒.

因此, permanent mold lines often achieve 5–10 × the hourly output of expendable processes—making them indispensable for production volumes above 2,000–5,000 单位.

5. 消耗性的成本分析. 永久模具铸件

Understanding total cost of ownership helps manufacturers choose the right casting method.

We break down four major cost drivers—tooling, 材料, 劳动, and per-part economics—and identify typical break-even volumes for each approach.

工具和图案投资

• 消耗性模具铸造:

• • 模式 cost between $500 和 $5,000, 取决于复杂性和材料 (木头, 塑料, 或金属).
  • Mold preparation (砂填胶, core fabrication) adds roughly $0.05–$0.15 per kilogram of sand.
  • Lead times span 1–4 weeks.

• 永久模具铸件:

• • Die sets run $20,000–$150,000, with more complex, 高端的多腔工具.
  • 涂层和翻新 - 包括难治性喷雾和抛光 - 成本$ 50– $ 200.
  • Lead times 伸展6-12周.

因为永久霉菌摊销了数千个周期, 随着数量攀升，他们的每一工具成本迅速下降.

相比之下, 消耗性模式需要为每种设计更改的新工具.

材料和开垦成本

• 消耗过程:

• • 沙子铸造 每公斤填海和固定装置造成$ 0.02– $ 0.10 $ 0.10.
  • 熔模铸造 遇到陶瓷壳处理 ($2 - 每公斤5美元) 和蜡图案浪费.

• 永久流程:

• • 铸造 将模具材料限制为钢，需要最小的填海.
  • 跑步者和门废料 通常超过 90% 金属产量; 铸造厂以无需额外的费用回收回到熔体中.

永久模具铸造通常会在上方达到金属的产量 90%, 而可消耗性的方法有时在回收和清洁前以60–70％的收率悬停.

人工和自动化要求

• 消耗性铸造:

• • 操作员手动包装, 爆发, 和清洁模具. 劳工最多 40% 总成本.
  • 自动化仍然仅限于外壳或石膏成型线.

• Permanent Casting:

• • 机器人倾倒, 自动弹射, 并将修剪压力削减劳动 20% 总成本.
  • 在线检查和处理进一步减少周期时间和人为错误.

永久霉菌工厂中的高度自动化，每分部分人工成本 50% 与手动砂铸件相比.

6. 可消耗性的合金兼容性. 永久模具铸件

选择正确的铸造过程通常会取决于合金兼容性.

在处理金属范围内，消耗性和永久霉菌方法明显不同, 特别是关于熔点, 反应性, 和塑造生命.

黑色合金

• 消耗性模具铸造

• • 钢 & 铁: 绿色和陶瓷模具可承受熔体的温度 1,500 °C, 使它们非常适合灰铁, 延性铁, and austenitic steels.
  • 超级合金: Investment and ceramic molds tolerate superalloys (inconel, Hastelloy) 在 1,300–1,400°C, 尽管霉菌成本更高，周期时间更长.

• 永久模具铸件

• • 使用有限: 钢死亡使上面变软 350–400°C, 因此，永久性模具铸造很少处理铁质合金.
    尝试需要昂贵的霉菌涂料和快速骑自行车, 驱动锻炼穿着.

非有产合金

• 消耗性模具铸造

• • 铝, 铜, 锌, 镁: 全部释放了沙子或壳模中的根本挑战; 绿色屈服 90 % 收回费率,
    投资铸造捕获薄壁铝制零件中的细节.

• 永久模具铸件

• • 铝合金: A356和A380倒 600–700°C 进入H13死亡, 达到紧密的公差和细谷物.
  • 镁 & 锌: 热室和重力死亡处理AZ91D (650 °C) 和Zamak (385 °C) 随着快速周期时间 (30–60 s) 和最小的孔隙度.
  • 青铜 & 黄铜: 仅限于低压或离心变体 - 高压岩石可铸造至 1,050 °C 带有先进的材料和涂料.

高温 & 专业合金

• 消耗性模具铸造

• • 反应金属: 钛 和耐火合金 (钨, 钼) 需要陶瓷模具或投资壳; 他们倒在上面 1,650 °C 但是产生了高霉菌和回收成本.

• 永久模具铸件

• • 限制范围: 薄壁, 高导电模具无法维持超高的融化.
    特殊技术（例如陶瓷衬砌的模具或混合模具）都存在，但将可消耗性工具的费用与有限的死亡生活相结合.

7. 消耗性模具铸造与. 永久模具铸件

选择铸造过程, 工程师权衡消耗性和永久模具方法与四个关键标准: 复杂, 成本结构, 质量, 和音量.

以下是比较概述:

几何学 & 设计灵活性

• 消耗性模具 在捕获复杂的形状方面表现出色, 深层削减, 和内部空腔.
  他们处理复杂的核心和多件组件，而无需进行任何刺激性的工具修改.
• 永久模具 需要草稿角 (1–3°) 和简单的分开线.
  而核心插入物允许一些复杂性, 深层内部功能或尖锐的底切需要昂贵的可折叠核心或次要操作.

工具投资 & 交货时间

• 消耗性模式 费用 $500 到 $5,000, 交货时间不到四个星期. 它们适合原型, 设计迭代, 和小批量的订单.
• 永久死亡 范围从 $20,000 到 $150,000 并花费6-12周进行机加工和测试.
  高初始支出仅在投射数百到数千个相同的零件时才能得到回报.

质量 & 精确

• 消耗过程 例如砂铸造通常产生±0.5-3 mm的公差，RA 6.3-12.5 µm的表面表面.
  投资铸造将其缩小到±0.1 mm，RA 0.8–3.2 µm, 但是以更高的成本.
• 永久模具 始终达到±0.1-0.5 mm公差，RA 1.6-6.3 µm (或RA 0.8–1.6 µm的高压).
  他们的细粒度微观结构也可以提供 30 % 较低的孔隙度和优质的机械性能.

周期 & 吞吐量

• 消耗性方法 每次铸造需要30-60分钟 (沙模) 甚至每批6–24小时 (投资).
  因此, 吞吐量仍然有限, 特别是对于大型或复杂的模式.
• Permanent Casting 运行 20 每零件的S – 5分钟, 取决于压力和合金.
  自动浇注, 弹射, 并修剪进一步加速生产, 使其非常适合中等- 大批量运行 (≥ 2,000 件).

合金 & 温度能力

• 消耗性模具 处理几乎所有合金（从锌到超级合金），感谢高温沙子, 陶瓷, 和石膏.
  它们仍然是钢的唯一选择, 钛, 和上面的镍基材料 1,200 °C.
• 永久模具 专注于多产合金: 铝, 镁, 锌, 并选择青铜器.
  钢和超级合金侵蚀金属模具, 将永久模具限制在以下合金〜 700 °C (和专业变体最多〜 1,050 °C).

每部分费用 & 收支平衡

• 消耗性铸造 产生低前期工具，但每一分区的劳动力和材料成本较高, 即使打破约100–2,000个PC. 对于短期和原型，它仍然是经济的.
• Permanent Casting 需要大量的投资，但提供低人工和废品率, 即使在2,000–10,000 pc中闯入.
  除此之外, 单位成本急剧下降, 通常50–75 % 以下可消耗性的当量.

8. 结论

消耗和永久性模具施放每个带来独特的优势.

消耗性模具在低量中发光, 复杂的, 和高温应用, 而永久模具在中等- 大量运行需要精度, 速度, 和可重复性.

通过称重诸如工具投资等因素, 周期, 表面饰面, 和合金选择,

制造商可以选择最佳铸造方法 - 从而降低成本, 提高质量, 和加速市场的时间.

常见问题解答

消耗性和永久性模具铸造之间的主要区别是什么?

消耗性模具铸造 使用每次铸造后都被破坏的模具 (例如。, 沙, 石膏, 或陶瓷),

尽管 永久模具铸件 使用可重复使用的金属模具来生产具有高维精度的多种铸件.

哪种铸造方法对于小体积生产更具成本效益?

消耗性模具铸造 对于小批量或自定义零件来说，通常更经济，因为它的工具成本较低，设计更改的灵活性更大.

哪个过程提供更好的表面饰面和尺寸耐受性?

永久模具铸件 通常提供优越 表面饰面和更紧密的公差 由于金属模具的精度和受控的固化.

是一种更好的几何方法?

是的. 消耗性模具铸造, 尤其 投资铸造, 擅长产生复杂且复杂的形状，而永久性模具难以或无法实现.