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消失模铸造工艺设计 2011培训.pdf

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消失 铸造 工艺 设计 2011 培训
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消失模铸造工艺设计 ? 1.1 国内外消失模发展现状 ? 消失模铸造技术,自1956年由美国人发明以 来, 在20世纪80年代中期已发展到相当的规模,已 成功 地应用于汽车件的工业化生产。 1 概 述 ? 1956 年,美国发明了用泡沫塑料模样制造 金 属铸件的专利。 ? 最初是采用EPS 板材加工模样,采用 粘 土 砂 造型,用来生产艺术品铸件。 ? 也就是现在的实型铸造。 ? 1961 年德国公司购买了这一专利技术加以 开 发。采用无粘结剂干砂生产铸件 的技术 。 ? 但是,无粘结剂的干砂在浇注 过程中 经常 发 生坍塌的现象。 ? 现在国外生产线有 不抽负压 的 生 产 方 式 。 ? 1967年德国采用了可以被磁化的 铁丸 来 代 替 硅 砂作为造型材料。 ? 磁 力 场 作 为 “ 粘 结 剂 ” , 这 就 是 “ 磁 型 铸 造 ”。 ? 1971 年,日本发明了V 法( 真空铸造法) , ? 受此启发,今天的消失模铸造 在很多 地方 也 采用抽真空的办法来固定型砂。 ? 在1980年以前使用 无粘结剂的干砂工艺 必须 得到美国“实型铸造工艺公司” 的批准。 ? 在该专利失效 以 后 , 近 几 十 年 来 消 失 模 铸 造 技术在全世界范围内得到了 迅 速 的 发 展 。 ? 是将泡沫模样 组 合 成 模 型 簇 , 刷 涂 耐 火 涂 料 并 烘干后,埋在干砂中 振动造型,在 负 压 下 浇 注 , 使模型气化,液体金属占据模型 位置, 凝固 冷却 后形成铸件的铸造工艺方法。 消失模铸造: 消失模铸造: ? 从单件大型铸件(FM实型 ) 发 展 到 中 小 件 大批量流水线生产(EPC消失模 ) , 以 美 国 最 具代表性,其产量超过世界产量 的50% 以 上 。 ? 美国GM公司发动机总成部 (GMPT)将EPC 用于汽车件大量生产方面在世界 上处于 领先 地 位。 ? 并认为今后新车型的 发 动 机 缸 体 、缸盖 铸件 的生产非EPC 工 艺 莫 属 , 消 失 模 铸 造 技 术 在 经 济 、 质 量 和 环 保 等 方 面 具 有 无 可 比 拟 的 优 越 性 。 ? 在20世纪80年代,GMPT 即在纽约州的马森纳 工 厂用EPC工艺生产一种4.3 升的V 型 汽 车 柴 油 机 的 铝 缸盖 , 随 后 在1986 年用于2.2 升四缸铝 缸 盖 的 生 产 , 至今已生产了500万件。 ? 1986年GM在田纳西州建厂用EPC生产铝缸 盖 和 缸体 、 球铁曲轴 和 凸轮轴 等 铸 件 。 ? GM的项目,其白区和黑区部分均由 意大利 法塔公司中标设计制造。 ? 阿拉巴马州伯明翰的萨金诺铸造 厂 (SMCO ) , 在2001年已经生产了288,000 件铝缸体和288,000 件 铝缸盖 , ? 2002 年10月已达到年产近50万件铝缸体和50万件 铝缸盖的生产能力, ? 白区部分的设备达到近百台套 , 黑 区 部 分 建 立 了 6 条自动线,生产力和技术水平居世 界首位 。 ? 德国的BMW汽车公司在也建成了 年产330,000 件 铝缸盖 的EPC工厂。 ? 据专家估计,世界上每100个缸盖中有4个、100 个缸体中有1 ~2个是EPC 工 艺 生 产 的 , ? 和其他工艺方法相比虽然还是 很少量 的,但 其发 展前景无可限量的。 ? 从国外消失模铸造工艺发展的经 验来看 ,也 不是 一帆风顺的。 ? 20世纪90年代曾出现过徘徊局面,由于美国 经济 不景气,EPC 生 产 工 厂 经 历 过 关 停 并 转 和 重 组 的 低 潮,但EPC 工 艺 的 优 势 仍 然 受 到 普 遍 的 关 注 。 ? 随 着 世 界 经 济 的 回 升 , 特 别 是 汽 车 工 业 的 复 苏 , 20世纪90年代中期以后,EPC 生 产 走 出 了 低 谷 , 恢复了快速增长势头。 ? 据美国专家评估,美国EPC生 产 经 历 过 创 新 阶 段 和 稳定阶段 。 ? 铝合金铸件的生产在2007年 进 入 成 熟 期 , 其 份 额 将 占整个铝合金铸件的29%。 ? 铸铁件(包括球铁 和 灰铁)在2009年 进 入 成 熟 期 , 将占整个铸铁件份额的15%, ? 而 铸钢件最后在2013年达到成熟期,占铸钢件 总产 量 的9%。 ? 美国EPC技术发展之快,令 世界 瞩目。 ? 据美国专家评估: ? 我国的EPC 生产在20世纪90年 代 初 期 发 展 较 快 。 据中实委不完全统计, ? 2005 年EPC(包括FM)铸件产量约321,000 吨, 是1995 年的20倍以上,其中EPC 铸 件 为216,000 吨, FM 铸件为105,000 吨。 ? 产品主要有 汽车配件 、 工 程 机 械 、 管件 和 耐磨耐热 铸件, ? 其中铸铁件约占87%, ? 铸钢件占12%左右, ? 铝铸件不足1%。 ? 我国已有不少产品,如 变 速 箱 体 、管件 、 飞 轮 、 刹车盘 、 耐热铸钢件 、 磨球 、 消 防 栓 等 EPC铸件出口国外市场,面 向世 界需求 。 ? 目 前 我 国 已 形 成 约95 % 以 上 采 用 国 产 原 辅 材 料 、 国产设备和国内技术为主的生产 局面, 在短 短十 年内EPC厂点已超过百家, 其中 产量近5 年 内 平 均 以20%的比例增加,已形成了一批产量 大、质 量 好的骨干工厂。 ? 但我们应当看到,我国的EPC 生 产 到 现 在 为 止 不少工厂尚处于技术革新阶段, 一批工 厂正 在向 技术稳定阶段迈进,许多工厂产 品 品 种 过 多 , 废 品率高 , 管 理 和 技 术 水 平 低 下 , 甚 至 停 产 或 倒 闭 , 还有一些工厂处于开工不足的状 态。 ? 我国和美国相比, 黑 色 金 属 差 距 较 小 , 在 铝 合 金 方面差距很大,我们已是世界铸 造大国 ,其 总产量 占世界第一位,遥遥领先于各国 。 ? 但我们远非铸造强国,其铸件 质量和 技术管 理水 平是今后发展的关键,在EPC 生 产 方 面 尤 为 突 出 。 ? 我国的EPC 生 产 发 展 空 间 是 很 大 的 , 只 要 找 到 差 距,抓住机遇,发挥我们自身的 优势, 经过 长期的 技术积累,不断总结交流经验, 与时俱 进, 走自己 独特的发展道路。 ? 可以预料,今后经过共同努力 奋斗, 我国在 世界 消失模铸造行业中将占有举足轻 重的地 位。 1.2 消失模铸造工艺过程和特征 ? 1.2.1 工艺过程对比 ? EPC工序和传统工艺相比 差别 较大。 ? 消失模铸造工序大为简化,由 于 不 需 分 型 、 不 需 取模、无砂芯、不需要下芯合箱 ,不配 置型 砂和芯 砂,使其工艺设计原则和内容也 有很大 区别 。 图1 传统砂型铸造与消失模铸造工 序对比 1.2.2 工艺特征 ? (1 ) 实型型腔:型腔中有EPS 模 型 , 而 传 统 工 艺 型腔是空的。 ? (2 ) 干砂造型:铸造用砂由干砂组成, 采用 无粘 结剂、无水份和附加物的干石英 砂。 ? (3 ) 模型与金属相互作用: 浇 注 时 , 液 体 金 属 和 EPS 模型产生物理化学作用。EPS 软 化 、 熔 化 、 分 解、气化,液体金属不断占据模 型的位 置, 为金 属 —模型的置换过程, ? 而传统工艺,浇注时为 充 填 空 型 型 腔 。 ? (4 ) 模型形状灵活:EPS 模型可以是 整体 的,也 可以是分块制作后 胶 合 成 一 体 , 其 形 状 不 受 限 制 , 可以做很复杂的铸件。 1.3 消失模铸造工艺的优缺点 ? 1.3.1 优点 ? (1)铸件尺寸精确 , 加工量 小 , 近 无 余 量 , 优 于 砂 型、金属型,低于压铸、接近失 蜡精密 铸造 。 ? (2)铸件表面质量好,优于砂型。 ? (3 ) 生 产 不 用 砂 芯 , 无 芯 座 、 无 分 型 面 , 不 起 模 、 合箱,造型工艺大大简化,并减 少相应 的人 为引起 的缺陷废品。 ? (4 ) 取 消 了 混 砂 工 序 , 砂 处 理 系 统 设 备 大 为 简 化 , 减少了由此而产生的质量问题。 ? (5)干砂落砂非常方便,铸件无飞 边毛刺 ,清 理 打磨工作量减少50%以上。 ? (6)可在理想位置放置浇冒口,冒 口可选 择最 佳 形状(如球形), 不 受 起 模 的 限 制 , 对 保 证 铸 件 内 在质量有利。 ? (7)投资少,同样生产能力比砂型可降低30 ~50%, 生产线柔性好,可在一条线上实现不同合金、不同铸件 的流水线生产。 ? (8)可改善工人劳动条件。有机物燃烧仅为砂型的1/10 , 且集中在浇注、落砂处排放,便于采取措施。 ? (9)对工人的技术熟练程度要求降 低,培 训快 。 ? (10)铸件设计自由度提高,不受铸造 工艺限 制。 如传统砂型铸造工艺需考虑起模 而采用 多箱 和劈箱 造型。 ? 1.3.2 缺点 ? (1)由于商业保密,不能分享有关 技术信 息, 各 工厂单位相互合作较困难,技术 发展缓 慢, 不易为 工程设计者认可,投资者存有戒 心。 ? (2)铸造工厂对EPC 模 型 工 艺 不 了 解 , 成 为 技 术 上的难点。 ? (3 )选择合适的铸件产品是成功的 关键。 形状 太简 单、不加工的铸件,批量太小均 不适宜 。 ? (4 )模具从设计到投产时间长、成 本高( 指复 杂 件)。一旦模具制成后,更改费 时费工 ,虽 然样件 可用板材加工制成,但达不到预 期的质 量要 求。 ? (5 )浇注系统虽简单,但比传统工 艺大一 些, 切除 时费工、工艺出品率偏低。 ? 无砂芯和分型面、不合箱,对尺 寸精度 有利 , ? 但EPS 模型 易 受 力 变 形 , 导 致 铸 件 变 形 缺 陷 常 有 发 生 。 1.3.3 什么样的零件可选用消失模铸造 工艺 ? (1)美国资料推荐 ? ① 大批量生产的零件(10,000件/年以上)。 ? ② 复杂零件(使用2个以上砂芯,尤其是复杂内腔的铸件, 如缸体、缸盖),当然复杂件更有利, 但相应带来技术上的 难度也较大。 ? ③ 可将分开制造的零件组合起来,成为一个整体零件进行生 产。 ? ④ 可代替部分精铸件、压铸件。 (2 )日本推荐资料 ? ① 大批量生产的复杂零件。 ? ② 多品种、批量不大(例如几百件) 的铸件 ,如 管件、阀门等。 ? ③ 一吨重以上的大件,批量小也可组 织生产 。 ? 这是因为日本劳动力奇缺 , 有 的 工 厂 临 时 工 年 龄 平均在50岁以上,妇女劳动力多, 无 需 熟 练 技 术 , 劳动强度低 , 工时费用低, 可 降 低 成 本 , 对 中 小 工 厂生产方式有利。 ? 而 相 对 铸 件 尺 寸 精 、 外 观 光 洁 , 铸 件 差 价 大 。 而 模 具 费 用 也 不 像 美 国 等 西 方 国 家 估 计 那 样 高 。 因此日本在批量方面放宽较大。 (3 )中国特点 ? 我国接近于日本的情况。品种和 批量方 面灵 活。 ? ① 中国生产铸铁件和铸钢件较多,而 铝铸件 相对 较少 。 ? ② 生产批量以多品种的 成批 生 产 为 主 , 几 百 件 / 年到几千件/年不等(如管件和 阀门件 )。 ? ③ 从简单铸件如磨球、耐热炉条、垫 板, ? 复杂件如进、排气管、缸体、缸 盖、变 速箱 壳 体等, ? 范围很宽,突破了国外框框的限 制,应 用更 加 广泛。 ? ④ 我国已有5 吨重汽车覆盖模具铸件采用EPC工艺 生产的经验,最大铸件有报道, 已生产 了10吨重 铸件。 ? 只要用户有生产需求,经济上 有利润 可图, 预期在我国条件下会有更多品种 的零件 采用 EPC工艺进行生产。 2 消失模铸造工艺设计的主要内 容 ? 2.1 铸造工艺方案的制定原则 ? 2.1.1 保证铸件质量 ? 根据消失模铸造工艺过程及特点,工艺方案应首先保证铸 件成形,并最大限度地减少各种铸造缺陷,保证铸件质量。 ? 消失模铸造工艺应能表现其精度高、表面光洁、轮廓清晰 等特点。 ? 1.2.2 考虑明显的经济效益 ? 工艺设计应考虑提高工艺出品率 ,模型 如何 组合,实现合理的群铸,以期提 高生产 效率 , 降低生产成本。 ? 1.2.3 要考虑到便于工人操作,减轻劳 动强度 和 环境保护。 ? 2.2.1 绘制铸件图和模型图 ? 2.2.2 铸造工艺方案设计的主要内容 ? 2.2.3 浇注系统的结构和尺寸设计。 ? 2.2.4 确定浇注工艺规范,包括浇注温度、浇注时的负 压大小和维持时间。 ? 2.2.5 冒口的设计。 ? 2.2.6 干砂造型的充填紧实工艺。 ? 2.2.7 砂箱、模具的设计。 ?2.2 工艺设计的主要内容 ? 根 据 产 品 图 纸 、 材 质 特 点 和 零 件 的 结 构 工 艺 性 , 需要确定以下工艺参数: ? (1 ) 零件机加工部位的加工量; ? (2 ) 不能直接铸出的孔、台等部位; ? (3 ) 合金收缩率和EPS模型收缩率; ? (4 ) 制作模型的起模斜度。 ?2.2.1 绘制铸件图和模型图 ? (1 ) EPS模型在铸型中的位置; ? (2 ) 确定熔融金属浇注时引入铸型的 方式 : 是 顶注 、 底注 、 中间注入还是 阶 梯 式 ; ? (3 ) 一箱浇注的铸件数量及布置。 ?2.2.2 铸造工艺方案设计的主要内容 3 铸件结构工艺性及参数设计 ? 3.1 铸件结构工艺性审核的原则 ? 由于消失模铸造工艺的特点,对铸 件结构 设 计的自由度较大,没有砂型铸造 传统工 艺那 样 严格,不受较多因素的限制。 ? 一般有以下原则可供参考: ? (1 ) 铸件壁厚要尽量均匀,厚薄相差大 的部 位应有 一 定的过渡区段。 ? (2 ) 尽量减少较深、较细的盲孔。 ? (3 ) 铸件结构有利于顺序凝固。 ? (4 ) 细 长 件 和 大 平 板 件 设 加 强 筋 , 防 止 铸 件 翘 曲 变 形 。 ? (5 ) 转 角 处 应 有 圆 滑 过 渡 , 要 有 一 定 大 小 的 铸 造 圆 角 。 3.2 工艺参数的确定 ? 3.2.1 最小壁厚和最小铸出孔 ? 由于消失模铸造的工艺特点, 可铸的 最小壁 厚 和孔径、凸台、凹坑等细小部位 的可能 性大 大提 高。 ? 可铸孔径比传统砂型铸造小, 而且孔 间 距 离 的 尺寸容易保证,因此用消失模铸 造工艺 生产 的铸 件大部分孔都可铸出,主要限制 是模具 设计 的可 能性和合理性。 ? 可铸的凸台、凹坑及其他细小 部位更 不受限 制。 由于模型的涂层不影响铸件的轮 廓和尺 寸, 再加之 复 印 性 较 好 , 所 以 只 要 能 做 出 模 型 , 就 能 铸 出 铸 件 。 ? ? 铸件最小壁厚主要受EPS 模 型 的 限 制 。 ? 目前 , 国 内 用 于 消 失 模 铸 造 的 泡 沫 材 料 (EPS 或共聚物) 的小原始珠粒粒径约为0.3mm , 限 制 了 泡沫模样的最小壁厚 。 ? 在 生 产 中 模 型 要 求 保 证 断 面 上 至 少 要 容 纳 三 颗 珠粒 。 最这就要求断面厚度大于3mm 。 图2 可成型的最小断面厚度 ? 若 泡 沫 模 样 的 各 处 壁 厚 相 差 太 大 , 在 相 同 的 成 型工艺下 , 很难同时保证厚壁和薄壁部位表面都 光洁平整 , ? 不是厚壁处融合不好 , ? 就是薄壁处过热收缩 。 ? 当 泡 沫 模 样 的 最 大 壁 厚 和 最 小 壁 厚 的 比 值 大 于10 , 泡沫模样的成型工艺就难以控制 。 ? 这 方 面 的 数 据 可 供 参 考 , 并 有 待 生 产 经 验 的 进一步积累 。 3. 2.2 铸造收缩率 ? 对 于 消 失 模 铸 造 技 术 , 在 设 计 模 具 型 腔 尺 寸 时 , 要考虑到双重收缩率 , ? 1 ) 金属合金的收缩率 ? 2 ) 模型材料的 收缩率 。 ? 铸造收缩率受许多因素的影响。 例如: ? 1、合金的种类及成分、 ? 2、铸件冷却、 ? 3、收缩时受到阻力的大小、 ? 4、冷却条件、 ? 5、负压度的差异等。 ? 因 此 , 十 分 准 确 地 给 出 铸 造 收 缩 率 是 很 困 难 的 。 ? 对于消失模铸造技术,在设计 模具型 腔尺寸 时,要考虑到双重收缩率,即 ? 1、金属合金的收缩率 ? 2、模型材料的收缩率。 ? 泡沫模样的收缩率与泡沫材料有关 。 ? 对于密度0. 022 ~0. 025g/cm3 的泡沫模样: ? 1)EPS 的线收缩率约为0.3% ~0.4% , ? 2)共聚物的线收缩率一般为0.2% ~0.3% , ? 3)用共聚物制作的泡沫模样的尺寸稳 定性 要高于 EPS 泡沫模样。 ? 1 、泡沫模样的收缩率与泡沫材料有 关。 ? 2 、和泡沫模样的密度有关,一般来 说,泡 沫模 样的收缩率随其密度的降低而增 加。 ? 3 、 和 泡 沫 模 样 的 烘 干 温 度 有 关 。 烘 干 工 艺 有 关 。 ? 4 、 泡沫模样的收缩率与模样 存 放 的 时 间 有 关 。 ? 泡沫模样的 收缩率与模样 存 放 的 时 间 有 关 。 规 律是: ? 1、泡沫模样在型内冷却时便有收缩 ,出型 后 4 ~5h内,有0.1% ~0. 3%的微膨胀; ? 2、干燥若干天后,泡沫模样中的水 分和发 泡 剂戊烷不断挥发,其尺寸收缩趋 于稳定 ,收 缩 率为0.3% ~0.5% 。 金属合金的收缩率与传统砂型铸造 工艺相 近, 可 参考表2所列的数据。 3.2.3 机械加工余量 消失模铸造尺寸精度高,铸件 尺寸重 复性好 ,因 此机加工 余量比砂型铸造 工 艺 要 小 , 比 失 蜡 精 密 铸 造略高,表3列出了部分数据可供参 考。 ? 铸件的尺寸公差也介于普通砂型 铸造 和失蜡 精 密铸造之间,表4 列出了相应的数据 ,可供 参考 。 3.2.4 泡沫模样的起模斜度 ? 泡沫模样从发泡模具中取出,需 要有一 定的 起 模斜度,在设计和制造发泡模具 时应该 考虑 起 模斜度。 ? 选择泡沫模样的起模斜度有三种 形式: 增 加 壁 厚法、增减壁厚法和减少壁厚法 。 增加或减少壁厚的量应符合铸件 的壁厚 公差 。 ? 在模具设计中,不同的测量高度 应该选 用不 同 的起模斜度或起模角度。 ? 1 、泡沫模样在模具中冷却和干燥收 缩,造 成 凹模易起凸模难拔的现象,故凸 模的起 模斜 度 应大于凹模的起模斜度。 ? 2 、若无辅助取模措施,起模斜度应 取大值 。 ? 3 、采用负压吸模或顶杆推模等取模 方法, 模 具的起模斜度可取小值。 ? 3.2.5 黏结负数 ? 两块泡沫模片对粘时,黏结面上 的胶有 一定 厚 度S , 使 泡 沫 模 片 黏 结 后 , 在 黏 结 方 向 尺 寸 偏 大 。 ? 对于尺寸要求高的铸件,应在模 具设计 时, 将 泡沫模样在黏结方向上的尺寸减 去黏结 厚度 , 以保证泡沫模样尺寸符合图纸要 求。 ? 考虑到黏结厚度的影响,在发泡 成型模 具上 减 去的数值称为黏结负数。一般黏 结负数 的取 值 范围0.1~0.3mm 。 ? 黏结负数可在上、下泡沫模片的 模具上 各取 一 半,也可以只在其中一个泡沫模 片的成 型模 具 上考虑黏结负数。 ? 黏结负数的大小与胶的黏度有 关,采 用热 胶 黏结,其值偏大;采用冷胶黏结 ,其值 偏小 。 ? 黏结负数大小与操作方式有关 ,手工 黏结 , 其值偏大,机械黏结,其值偏小 。 4 干砂充填紧实工艺设计 ? 4.1 对干砂的要求 ? 消失模铸造常用的干砂是石英 砂,黑 色金属 选 用粒度在AFS25 ~45之间。 铸 铝 件 可 选 用 细 砂 AFS50 ~100 。 ? 干砂中含有大量粉尘时会降低 透气性 ,浇注 时 阻碍气体的排出。 ? 砂 粒 粗 大 铸 件 容 易 出 现 粘 砂 , 表 面 粗 糙 。 尽 量 细 。 ? 砂处理设备问题。 ? 圆形或多角形 的 干 砂 可 提 铸 型 的 高 透 气 性 。 一 般干砂粒度分布主要 集 中 于 一 个 筛 号 上 , 有 助 于 保持透气性。 ? 圆形干砂流动性 和 紧实性 最 好 。 多 角 形 干 砂 流 动性稍差,但适当紧实后抗粘砂 性能较 好。 ? 橄 榄 石 砂 、 宝 珠 砂 。 耐 火 度 , 粉 碎 率 、 充 填 问 题 。 ? 一般不使用复合型干砂,因为 它在使 用过程 中 容易破碎,会产生大量的粉尘。 ? 干砂粒度分布的变化对其流动 性、透 气性、 紧 实性能会产生重要的影响,因此 应在干 砂处 理过 程中加以控制。 ? 干砂应使用筛砂机去除 团 块 和 杂 物 , 减 少 粉尘 。 ? 大量生产的车间要使用 干 砂 冷 却 器 控 制 干 砂的温度,使用前应将其降 至50 ℃ 以 下 , 以 免 模型受热 软化造成变形 。 ? 干砂运输应稳定操作,并控制粉 尘含量 , 气力输送 系统需要大的回转半径 ,压缩 空气 应 干燥。 ? 灼烧减量是衡量干砂性能的一 个重要 指标, 它 反应了模型热解残留物沉积 在 干 砂 上 的 有 机 物 的 数量,这种碳氢残余物的积累将 降低干 砂 的 流动 性 ,当灼烧减量超过0.25 ~0.50 时更为明显。 ? 为精确测定干砂的灼烧减量, 被测的 干砂试 样 应是单筛号砂,因为有机物容易 集中在 颗粒 小的 砂粒上。 4.2 振动台的选用 ? 造型时紧砂需要振动,振动后 砂子的 密度 增加 10 ~20%。 ? 干砂振动紧实最好在填砂过程中进 行,以 便使 干砂填入模型簇的内部空腔 , 保 证 干 砂 紧 实 而 模 型 不发生变形 。 ? 振动紧实最常用的频率为50Hz ( 电 机 转 数 为 2800 ~3000rpm ),振幅为0.5 ~1.5mm ; ? 振动加速度如小于10m/s 2 ,振动效果较弱, 而加 速度大于25m/s 2 时则砂粒会产生跳动,振动 会造 成 密度减小,并且频率选择必须避 免砂箱 或振 动台共 振。 ? 因此一般选用振动加速度在10 ~20m/s 2 范围内效 果较好。 ? 振 动 时 间 影 响 铸 型 密 度 , 时 间 长 铸 型 密 度 高 , 但时间过长效果并不明显, 反 而 容 易 破 坏 模 型 和涂料层,影响铸件质量。 ? 图3 和图4 显示了典型垂直振动时间与密度 的 关系。 ? 在填砂期间靠振动完成砂子紧实 ,同时 还 需使操作循环时间更为合理。 ? 快速填砂和紧实,可获得最高生产 率和最 小 变形。 图3 密度随垂直振动时间而增加;频率31.5Hz 图4 密度随垂直振动时间而增加;频率63Hz ? 振动方向对紧实效果有重要影响, 大多数 振动 紧实设备都按垂直方向振动干砂 。 ? 目前振动设备振动方式有一维、二维 、“ 三 维”,因为旋转振动能绕每一根 轴进行 ,因 此最 多可有多达六种方式的振动同时 进行。 ? 合成运动问题。 ? 但对于多数情况并不需要多维 振动。 在我国 实际生产情况下,对大多数的铸 件,采 用一 维 上下振动,就可以满足一般生产 的需要 。 ? 近年来意大利法塔公司投入大量财 力进 行研 究,并对生产经验进行系统总结 ,认为 一 维 振 动 和砂箱不夹紧 的紧实工艺最为有 利,值 得参 考。 ? 振动电机本身不能调频,偏心 块角度 调整 较 麻烦,振动台安装台面之下或侧 面,维 修不 方 便。 ? 交流振动电机与变频器联合使用 ,形 成可 调频振动电机。 ? 根据振动电机功率,选择相应型 号的 变频 器,一个变频器可以带动一个电 机,也 可带 动 几个振动电机。 4.3 干砂的充填紧实工艺 ? 4.3.1 填砂要求 ? (1 ) 砂床准备(即预填砂):按金属 种类 和 铸件大小,砂箱底部一般要预填 干砂厚 度在 150mm以上。以便于模型的安放、防止砂箱底 部筛网损坏。 ? (2 ) 根据工艺要求,由人工或机械手 放置 模 型并用干砂将其固定,模型放置 的方位 (填 砂 方向)应符合工艺要求(充填和 紧实要 求) 。 ? 孔洞部位的充填。 4.3.2 加砂方法 ? 由砂斗向砂箱内加砂有三种方法 : ? (1 ) 柔性加砂法:可人为控制砂子的落 高, 不损坏模型和涂层,操作方便灵 活。仔 细按 工 艺要求操作可达到良好的效果。 ? 但速度慢,效率低。 ? (2 ) 螺旋给料器加砂法:使用螺旋给料 器将 砂子 从砂斗输送到砂箱中(如同树脂 砂), 可移 动到 砂箱的各个部位,但砂子落高不 能调整 (日 本多 用此法)。 ? (3 ) 雨 淋 式 加 砂 法 : 加 砂 斗 底 部 设 有 定 量 的 料 箱 , 抽掉闸板后,干砂通过均匀分布 的小孔 流入 砂箱。 ? 加料箱尺寸与砂箱尺寸基本接近, 加砂均 匀, 冲 击模型力量小,并可密封、定量 加砂, 效果 好,改 善环境,只是结构稍复杂。适于 单一品 种、 大量流 水线上使用(美国、西欧应用较 多)。 ? 国内存在粉尘问题。 4.2.3 填砂与振动的配合方式 ? (1 ) 填砂过程中砂箱不振动,全部加砂 完成 后再开始振动。 ? 模型顶部干砂比底部下降快 , 这 样 会 造 成 细 长复杂模型容易出现变形。 ? 但此种方法操作简单,对厚实 而刚性 较好的 模型可满足要求。 ? 最好分几次加砂、振动。 ? (2 ) 边 填 砂 、 边 振 动 : 填 砂 、 紧 实 过 程 互 相 匹 配 , 效果优于前者。 ? 尤其对于复杂的模型,必须采 用边加 砂、边 振动 的方式,才能使干砂均匀充填模 型的各 个部 分,可 显着减少模型变形,是生产上采 用较多 的方 法。 ? 填砂操作注意事项: ? ① 填砂前,检查砂箱抽气室隔离筛网 有无破 坏; ? ② 填砂埋箱过程不能损伤模型,不使 涂料剥 落; ? ③ 加砂要均匀,速度不能太快, 模 型 内 外 应 均 匀 提高砂柱高度, 对 于 长 杆 及 其 他 刚 度 低 的 模 型 , 特 别要注意防止弯曲变形; ? ④ 对特别难以填砂的部位,应辅助人 工充填 ,也 可使 用 自硬芯砂解决局部填砂困难 , 必 要 时 可 开 设 填 砂 工 艺 孔,然后再用EPS 填 上 , 用 胶 带 纸 封 好 ; ? ⑤ 干砂温度必须低于50 ℃ ; ? ⑥ 顶部吃砂量, 在使用负压条件下不 能低于100mm ; ? ⑦ 加砂工序需加局部抽风罩,以防止 粉尘污 染。 5 浇注系统设计 ? 5.1 浇注位置的确定 ? 确定浇注位置时应考虑以下原则 : ? (1 ) 尽 量 立 浇 、 斜 浇 , 避 免 大 平 面 向 上 浇 注 , 以保证金属液有一定的上升速度 。 ? (2 ) 浇 注 位 置 应 使 金 属 与 模 型 热 解 速 度 相 同 , 防 止 浇 注 速 度 慢 或 出 现 断 流 现 象 , 而 引 起 塌 箱 、 对流缺陷。 ? (3 ) 模型在砂箱中的位置应有利于干 砂充 填, 尽量避免水平面和水平、向下的 盲孔。 ? (4 ) 重要加工面应处在下面或侧面, 顶面 最好 是非加工面。 ? (5 ) 浇注位置还应有利于多层铸件的 排列 ,在 涂 料 和 干 砂 充 填 紧 实 过 程 中 , 应 方 便 支 撑 和 搬 运 , 模型某些部位可以加固以防止变 形。 5.2 浇注方式的确定 ? 浇注系统按金属液引入型腔的位 置分为: ? 1、顶注、 ? 2、侧注、 ? 3、底注、 ? 4、阶梯注。 5.2.1 顶注 ? 顶注充型所需时间最短,浇注速 度快 ,有利 于防止塌箱; ? 温 度 降 低 少 , 有 利 于 防 止 浇 不 足 和 冷 隔 缺 陷 ; ? 工艺出品率高,顺序凝固补缩 效果好 ; ? 可以消除铸件碳缺陷,但因难于 控制 金属 液的流动,容易使EPS热解残留物卷入型 腔, 铸件增碳倾向大。 ? 由于铝合金浇注时模型分解速 度慢, 型腔 保 持充满状态,可避免塌箱。 ? 一般薄壁件多采用顶注。 ? 优点; ? 容易充满,可减少薄壁件浇不到 、冷隔 方面 的 缺陷。 ? 充型后上部温度高于底部,有利 于铸件 自下 而 上的顺序凝固和冒口的补缩;冒 口尺寸 小, 节 约金属,内浇道附近受热较轻; ? 结构简单,易于清除。 5.2.2 侧注 ? 液体金属从模型中间引入,一 般在铸 件最 大 投影面积部位引入,可缩短内浇 道的距 离。 ? 生产铸铁件时采用顶注和侧注 ,铸件 表面 出 现碳缺陷的几率低。但卷入铸件 内部的 碳缺 陷 常常出现。 5.2.3 底注 ? 从模型底部引入金属液,上升 平稳, 充型 速 度慢,铸件上表面容易出现碳缺 陷,尤 其是 厚 大件更为严重。 ? 因此应将厚大平面置于垂直方 向,而 非水 平 方向。 ? 底注工艺最有利于金属的充型 ,金属 液前 沿 的分解产物在界面空隙中排出的 同时, 又能 支 撑干砂型壁。一般厚大件应采取 底注方 式。 5.2.4 阶梯注入式 ? 分两层或多层引入金属时采用 中空直 浇道 , 像传统空腔砂型铸造工艺一样, 底层内 浇道 引 入 金 属 液 最 多 , 上 层 内 浇 道 也 同 时 进 入 金 属 液 。 ? 但是,如果采用实心直浇道, 大部分 金属 从 最 上 层 内 浇 道 引 入 金 属 , 多 层 内 浇 道 作 用 减 弱 。 阶梯浇道容易引起冷隔缺陷,一 般对高 大铸 件 才采用。 ? 充型后,上部金属液温度高于 下部、 有利 于 顺序凝固和冒口的补缩,铸件组 织致密 。 ? 易避免缩孔、缩松、冷隔及浇 不到等 铸造 缺 陷。利用多内浇道,可减轻内浇 道附近 的局 部 过热现象。 ? 要求正确的计算和结构设计,否则 ,在 负 压作用下,容易出现上下各层内 浇道同 时进 入 金属液的“乱浇”现象,或底层 进入金 属液 过 多,形成下部温度高的不理想的 温度分 布。 5.3 浇道尺寸大小的设计 ? 消失模铸造充型过程中,金属液和 泡沫 模 型之间有着激烈的热作用、机械 作用和 化学 作 用。 ? 这 些 过 程 在 一 般 水 力 学 过 程 中 是 不 常 见 的 , 因此,消失模铸造充型过程是不 稳定流 过程 。 ? 消失模铸造过程伴随着合金液冲刷 和侵 蚀 涂料层,相互热交换,合金结晶 、粘度 增大 和 体积收缩,使金属氧化、造成大 量氧化 夹杂 物 等。 ? 消失模铸造浇注操作不可能保持 浇口 杯内 液面的绝对稳定,模型气化过程 也不稳 定, 因 此,允型过程是 不稳定流动过程 。 ? 浇口杯中的流动: ? 浇口杯可用来承接来自浇包的金 属液, 防止 金 属液飞溅相溢出,便于浇注; ? 1)减轻液流对型腔的冲击; ? 2)分离渣滓和气泡,阻止其进入型 腔; ? 3)增加充型压力头。 ? 消失模铸造用浇口杯分 漏斗形 和 盆形 两 大 类 。 ? 1 ) 漏 斗 形 浇 口 杯 挡 渣 效 果 差 , 促 结 构 简 单 , 消耗金 属少 。 ? 2)盆形浇 口杯效果较好, 底 部 设 置 堤 坝 有 利于浇注操作,使金属的浇注速 度达到 适宜 的 大小后再流入直浇道。 ? 浇口盆内液体深度大,可阻止水 平 旋涡 的 产 生 而 形 成 垂 直 旋 涡 , 有 助 于 分 离 渣 滓 和 气 泡 。 ? 浮在浇口杯液面上的非 金属夹渣物会沿着弯曲的 液面。一面旋转,一面和 空气一同进入直浇道。 直浇道中的流动 ? 直浇道的功用是:提供足够的压 力头。 使金 属 液在重力作用下能克服各种流动 阻力, 在规 定 时间内充满型腔。 ? 在消失模铸造中,直浇道是进砂 、进 涂料 的重点部位。 ? 直浇道常有2种: ? 1)上大下小的锥形; ? 2)等断面的圆柱形; ? 试验结果表明; ? 上大下小的 锥形直浇道呈 充满流态. ? 而在等截面的 圆柱形 和上小下大的 倒锥形直浇道中 呈 非充满状态 。 ? 和传统砂型铸造工艺一样,首 先要确 定 内浇 道 (最小断面尺寸),再按一定 比例确 定 直浇 道 和 横浇道 。 ? 计算方法可以用下列两种: ? 1、经验法 ? 2、理论计算方法 内 浇道尺寸大小的设计 ? (1 ) 经验法:以传统砂型工艺为参考, 经查 表或经验公式计算后,再做适当 调整, 一般 增 大15~20%即可。 ? (2 ) 理论计算方法:如水力学计算公式 , ? G ——流经内浇道的液态合金重量(kg )(铸件重+浇注 系统重+浇冒口重); ? ? ——流量系数,可参考传统工艺查表,一般可按阻力偏 小来取。铸铁件:0.40~0.60;铸钢件:0.30~0.50; ? Hp —压头高度,根据模型在砂箱中的位置确定。 5.4 浇道比例和形式 ? 由于消失模铸造充型过程存在模 型气化 ,产 生 大量气体,不同于传统砂型铸造 ,因此 ,尚 难 形成统一的、普遍接受的浇注系 统设计 原则 。 ? 但是普遍认为在消失模铸造引入 液体 金属 时,应使充型过程连续不断供应 金属, 保证 不 断流,液体金属必须支撑干砂型 壁,采 用封 闭 式浇注系统较为有利。 ? 砂型、涂料具有透气性,在抽负压 的条 件 下,当金属流对型壁的压力为正 压时才 呈充 满 状态流动。 ? 若把液态金属视为理想流体,则 全部 阻力 系数均等于零。 ? 只有S 直 > S 横 > S 内 ? 才能满足充满条件,这就是传统 的浇 注系 统的理论。 ? 实际液态金属是有粘度的,不能当 作理 想 流体去研究,实际流体的流动阻 力影晌 、负 压 影响是不容忽略的。 ? 有时满足S 直> S 横> S 内的条件,但在 负压作用下,仍然充不满。 ? 目 前 尚 难 做 到 普 遍 接 受 的 浇 注 系 统 设 计 原 则 , 但下列规范能得到共识,被普遍 采用。 ? (1 ) 在引入液体金属时,应使充型过程 连续 不断供应金属,保证不断流,液 体金属 必须 支 撑干砂型壁,采用封闭式浇注系 统最为 有利 。 ? 内浇道尺寸确定之后,通过浇注 系统各 组元 断 面 比 例 关 系 , 可 确 定 横 浇 道 和 直 浇 道 的 尺 寸 。 ? 各组元比例关系推荐如下: ? 铸钢件: ΣF 内 :ΣF 横 :ΣF直=1.0:1.1:1.2 ? 铸铁件: ΣF 内 :ΣF 横 :ΣF直=1.0:1.2:1.4
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