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消失模铸造工艺设计 2011培训.ppt

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消失模铸造工艺设计,河北科技大学材料学院 石家庄 李立新 电话:13180083786,1.1 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:,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/s2,振动效果较弱,而加速度大于25m/s2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/s2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,可显著减少模型变形,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=1.0:1.2:1.4,一些工厂常常根据产品分类,将其分为为大件和中小件,采用厂标规格的予制直浇道,例如Φ40、Φ50,由计算结果F直的大小选取接近值即可。直浇道形状一般都是圆形或方形。横、内浇道形状多为方形或梯形。,(2) 浇注系统的形式与传统工艺不同,不必考虑复杂的结构形式(如常用的离心式、阻流式、牛角式等等),尽量减少浇注系统的组成,常常不设横浇道,只设直浇道和内浇道,以缩短金属液流动的距离。,(3) 直浇道与铸件之间的距离(即内浇道的长度),应保证充型过程中不因温度升高而使模型变形。,(4) 金属压头:应超过金属/EPS界面的气体压力,以防止金属液反喷(也称为呛火)。呛火是液体金属从直浇道反喷出来,中空直浇道和底注有利于避免出现反喷(同样适用于铝铸件)。高的直浇道(静压头高),一般容易实现铸件质量良好和浇注安全(对EPS+EMPPA共聚树脂模型更为突出。),(5) 挡渣作用:由浇口杯内液面保持一定、不断流来保证。为了强化挡渣作用,有的工厂还采用过滤网,放在浇口杯下或内浇道前。,5.5 浇注工艺,5.5.1 浇注温度的确定由于模型气化是吸热反应,需要消耗液体金属的热量,浇注温度应高一些。虽然在负压下浇注,充型能力大为提高,但从顺利排出EPS固液相产物也要求温度高一些,特别是球铁件为减少参碳、皱皮等缺陷,温度偏高些对铸件质量有利。,一般推荐EPC工艺浇注温度比砂型铸造提高30~50℃,对铸铁件而言,最后浇注的铸件浇注温度应高于1360℃。,表6是推荐的浇注温度的适宜范围。,5.5.2 负压的范围和时间的确定,负压的作用是: (1) 紧实干砂,防止冲砂和铸型崩散、型壁移动(尤其是球铁更为突出); (2) 加快排气速度和排气量,降低界面气压,加快金属前沿的推进速度,提高充型能力,有利于减少铸铁件表面碳缺陷。 (3) 提高铸件的复印性,铸件轮廓更加清晰。 (4) 在密封下浇注,改善工作环境。,负压大小和范围: (1)根据合金的种类选定负压的范围,见表7。铸件较小负压可选低一些,重量大或一箱多铸可选高一些,顶注可选高一些,壁厚或瞬时发气量大也可选略高一些。,在浇注过程中,负压常会发生变化,开始浇注时负压降低,达到最低值后,又开始回升,最后恢复到初始值。浇注过程中负压下降到最低点不应低于(铸铁件)100~200kPa,生产上最好是控制在200 kPa以上,不允许出现正压状态,可通过阀门调节负压,保持在最低限度以上。,(2) 保压时间:推荐以下公式: 铸钢件:t=K.M2,一般铸钢件K=2.8,M为铸件模数(cm);t为凝固时间(分)。 铸铁件:t=K.M2,K=0.0075Tp-5,Tp为浇注温度。,(3) 浇注操作:在EPC工艺中浇注时多数使用较大的浇口杯,以防止在浇注过程中出现断流而使铸型崩散,达到快速稳定浇注后应保持一定的静压头。浇口杯多采用砂型制造。,消失模铸件在允许的情况下,一般应尽快浇注。采用自动浇注机有利于稳定浇注速度,并能够在浇注时快速调整。而手工浇注不便于控制,废品率比自动浇注时要高一些。,几种新的自动浇注方法已得到生产应用。如采用加压方法从铸件底部充型,采用真空技术将金属液吸入铸型中,其前景很好。,6 冒口设计,消失模的冒口按其功能分为起补缩作用的冒口、排渣排气作用的冒口和两种功能兼而有之的冒口。,排气排渣的冒口,一般设置在液体金属最后充满的部分,或两股液流相汇合的部位,起到收集液态或气态热解产物、防止出现夹渣、冷隔、气孔缺陷的作用,这类冒口无需考虑金属液的补缩。,由于铸钢件和球铁件凝固特点的不同,它们的冒口设计方法也有所差异。,6.1 凝固收缩特性,6.1.1 凝固方式:可将铸造合金分成两大类五种凝固方式,如图5所示。,a) 平滑壁凝固;b) 粗糙壁凝固;c) 海棉状凝固;d) 糊状凝固;e) 壳状凝固,铸件的凝固方式分为两大类: 一是外生式凝固方式, 另一种是内生式凝固方式。,(1)外生式凝固方式:,① 光滑界面的凝固:外生晶群向铸件中心生长,相邻生长晶体前沿界面是光滑的。 ② 粗糙界面的凝固:外生树枝晶彼此相间,从外壁向中心生长,晶体和熔液之间的界面是粗糙的。当树枝晶在中心相遇时,凝固结束。 ③ 海绵状凝固(网状凝固):树枝晶由外壁向中心快速贯穿整个熔液,其间隙为液体所充满,像海绵一样,在凝固过程中,树枝晶枝节变多变粗,当枝晶间液体被消耗尽时,凝固结束。,(2)内生式凝固方式:,① 糊状凝固:结晶在熔液内部进行,同时形核又以同样快的速度生长时,形成固体和液体组成的糊状混合物,直到间隙中液体全部凝固,凝固结束。 ② 壳状凝固:结晶虽然也在熔液内部进行,但铸铁表面层的凝固比较早开始和结束,在内生式凝固时也能形成固体壳,固体壳逐渐到达中心时,凝固结束。,1、 纯金属的凝固为光滑壁凝固,2、铸钢为粗糙壁凝固,3、锡青铜是外生式海绵状(网状)的凝固方式,因此很难避免缩松。,铸铁的凝固很特殊,分为两个阶段,第一阶段凝固为“始终”为外生式海绵状凝固方式,而第二阶段为“共晶始共晶终”,为内生式凝固方式,但对球铁而言是内生糊状凝固方式,对灰铁而言是内生壳状生长,两者有所区别,这也是球铁缩松倾向更突出的原因之一。,6.1.2 凝固时间的计算,铸件凝固时间一般采用著名的契维瑞诺夫(Chvorinov)公式:,,t—凝固时间(分);K—凝固系数。在砂型条件下,对碳钢平板件,K=2.8 ; M—模数;,对于铸钢件,上述公式虽然不很精确,但在工业生产条件下是很有用的近似计算方法。对平板件较准确,对圆柱、立方体和球体件应相应延长10~15%。对于铸铁件有人认为上式也适用,简单地视K为常数,指出K=8.0。,但是由于铸铁件与铸钢件不同,浇注温度变动范围较大,凝固方式不同,因此浇注温度的影响不能忽略。铸钢浇注温度波动在40℃左右,而铸铁浇注温度可以波动250℃。,通过大量实测研究和生产验证,得出下列公式,可供参考使用。,K=0.0075Tp-5;(Tp——浇注温度),例如,球铁平板件厚度为4.0cm,浇注温度为1300℃和1450℃时,凝固时间分别计算如下:,K=0.0075Tp-5;(Tp——浇注温度),可以看出,两者相差较大,因此浇注温度是影响K值的主要因素,必须加以考虑。而砂型因素和化学成份等的影响,相对于工业生产条件下是较小的,可以不加考虑。计算值与实测值接近,可作为实际生产的参考值。,为了方便应用,也可以用图6查得凝固时间t。,图6 从浇注完到A)凝固开始以及到B)凝固结束所经历的时间 (随模数而变化的简图) (近似的,适用于球铁,灰铁),6.1.3 体积变化模式:,绝大多数铸造合金液态冷却时都要发生收缩,凝固时也要收缩,最后是固态收缩。收缩率对不同的合金是不同的,但对任何给定的合金来说,它们是常数。,如图7所示。对于球铁和灰铁,与上述情况不同,既经历液态收缩(一次收缩)、膨胀,凝固末期还有二次收缩。,图7 铸造合金铸件体积变化的一般模型,对大多数铸造合金,在冷却过程中,无论是液态、凝固态、固态三个阶段都连续不间断地发生体积收缩。而铸铁有其独特性,它的三个阶段是不连续的,而且更重要的是体积变化的模型是不固定的。,厚大断面铸件(模数大)冷却缓慢按虚线变化,而薄壁件(模数小)冷却速度快则按实线变化,如图8。,图8 球铁(和灰铸铁)铸件体积变化的一般模型,a) 液态收缩;b)膨胀;c)二次收缩,6.1.4 膨胀力试验结果,① 对不同模数立方体测试膨胀力,其结果具有较大的实用参考价值,可推广到具体生产情况下不同模数的铸件,以及同一铸件的不同模数部位。 ② 铸铁材质、化学成份、孕育处理、铸件模数等都对膨胀力都有一定影响,试验测出的膨胀力为3.3~9kg/cm2。 灰铁膨胀力较小,为3~5kg/cm2。 球铁膨胀力较大,为6~9kg/cm2。,③ 膨胀力随着铸件模数增加而增大,模数大于2.0cm左右时,膨胀力的增加趋于平缓。 ④ 要实现无冒口铸造,必须采用强度高的铸型及刚度较大的砂箱,以免膨胀力使铸型型腔胀大。,⑤ 在生产条件下利用一般干型和砂箱,对M2.0cm铸件可采用无冒口铸造工艺,能够保证铸件质量,可提高经济效益。 ⑥ 铸型刚度要大,由于凝固时通过型壁移动释放压力,测出的膨胀力更准确。EPC铸型刚度优于干型,其膨胀力可以认为近似干型条件下所测的数据。,6.2 铸钢件冒口的设计方法,消失模铸钢冒口设计,可参照砂型工艺方法, 没有原则的区别。,6.2.1 补缩的基本条件,(1) 冒口凝固时间大于铸件(被补缩部分)的凝固时间。 (2) 有足够的金属液补充铸件的液态和凝固收缩。 (3) 在凝固过程中,冒口和被补缩部位之间存在补缩通道,扩张角向着冒口。,按顺序凝固的原则选择冒口的位置,可以是顶冒口或侧冒口,但都必须是暗冒口,并且可以非常方便地采用球形冒口。,要注意冒口补缩距离是否足够,并充分利用补贴的作用。尽量不用冷铁,以方便操作。如一个冒口不够有效距离,可采用多个冒口补缩,其参数同砂型铸造,可参照使用。,6.2.2 模数法设计冒口对于碳钢、低合金钢的冒口、冒口颈的模数应符合下列关系:,(2) 其次冒口必须提供足够的金属液,以补充铸件和冒口在凝固完毕前的体收缩,使缩孔不致深入到铸件内部。为此冒口应满足条件:,6.3 铸铁件冒口的设计方法,目前我国消失模产品中近90%是铸铁件,而球墨铸铁又占其中近一半。灰铁件和球铁件在凝固特性上其原理是相同的(凝固方式、凝固时间、膨胀力)。但球铁更容易产生缩松缺陷。,
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