消失模铸造工艺设计

  确定浇注位置时应注意以下几点:  重要的加工平面要朝下或垂直放置;  模样的大平面应垂直或倾斜放置;  尽量将气化模上具有开口部分(如空穴及 凹槽等)朝上安放,便于填砂紧实;  便于开设浇、冒系统和除渣排气通道;  利于造型材料的填充,避免形成死角区;  尽量满足凝固原则,就是使截面的横截面 积自上而下逐渐增大;  模样在砂箱中的位置应有利于干砂充填, 尽可能的避免水平面和水平向下的盲孔 。

  →直浇道与模样体之间的距离 模样与直浇道的距离S,与铸件的材质、大小有关, 可按下面的经验公式计算:

  S——直浇道与模体之间的距离(mm); K——常数,浇注铝合金时=60mm;浇注铜合金 时=80mm;浇注铸铁件时=120mm;浇注铸钢 时=140mm; H——铸件高度(mm); G——铸件重量(kg);  ——修正系数,为0.08mm/kg;  ——修正系数,为0.06。

  图2.浇注系统的形式 a)顶注 b)上注 c)下1/3处浇注d)阶梯浇注 e)底注 f)下雨淋浇注

  底注式浇注系统充型时内浇道处于被淹没状态,金 属液流平稳,不易氧化,也没有激溅;能抑制气化 模的发气量,同时金属液上升的方向与泡沫分解气化 的方向一致,有利于浮渣。缺点是当铸件高度较高时, 越往上升金属液的温度越低,不利于顶部冒口的补缩; 金属液上升速度慢,铸件表面易出现碳缺陷,尤其是 厚大铸件。 阶梯式浇注系统兼有顶注和底注两种浇注方式的 优点,有利于铸件的顺序凝固和排气浮渣。但浇注系 统的模样制作复杂,塑料模样成品率低,浇注时易引 起冷隔缺陷,一般用在高大的铸件上。 在实际的生产中,应根据铸件的特点和金属材质 做到合理选择浇注系统。比如,铸钢的流动性差,收 缩大,在最后凝固冷却的部位易出现缩松、缩孔等铸 造缺陷。为了消除或避免这一些缺陷,大多数铸件采用 顶注式(对小铸件)和阶梯式(大铸件)浇注系统, 让直浇道或内浇道通过冒口,提高冒口的补缩能力。

  →浇注系统模块设计的原则:  保证金属液能充满型腔。(如图1)  浇注系统的安排要考虑到模样束在砂箱中的 位置,便于填砂紧实。  浇注系统的设计要保证模样束的整体强度。  内浇道的个数、位置对金属液充型方向的影 响。  浇注系统多采用简单的形式。  金属液压头应超过金属前沿的界面气体压力, 以防呛火(反喷)。

  (3)熟化:予发泡后的珠粒在使用前需在空气中 进行十几小时的熟化处理,让空气渗透到珠粒的 泡孔内,使其状态稳定,恢复弹性和再膨胀能力。 (4)制模:制模在制模机上进行,将熟化后的聚苯 乙烯珠粒用压缩空气发送到模具内,通入蒸汽使 其软化膨胀,珠粒间受热融合,黏结成型,模具 冷却后开模,取出模样。 (5)组模:将制成的模样与切割的浇道、浇口等粘 接在一起,形成浇注模。

  →浇道的结构与形状 内浇道应设计成由橫(或直)浇道到铸型方 向呈逐渐减小的喇叭形,使得内浇口始终充满状 态,防止模样气化的气体反喷。其截面呈长方形 或圆形。 对于一定要采用的阶梯浇注的较高大铸件是, 其浇口宜采用向上倾斜的形式,倾斜角度为20~ 30°。这样做才能够使金属液自上而下的注入型腔。 浇口的作用非常大程度上取决与它的形状。为 有利于减少金属液的热损失和充型,保证浇注系 统在铸件凝固后凝固,直浇道和横浇道宜选用圆 形截面,也可以是方形截面。内浇口一般都会采用矩 形浇口,而且浇口的截面厚度不应小于5mm。

   消失模铸造工艺设计目的:获得表面和内 部质量较好的优质铸件。  消失模铸造工艺特点:消失模的型腔是实 型的,且有泡沫塑料模样,高温浇注时, 模样气化消失。  消失模铸造优点:精度高、污染小、低成 本 ,可以铸造各种材质、大中小型、形状 复杂的铸件。

  铸件的大小和壁厚不同,采用的浇注系统也 不一样。对于大型铸件大多采用底注式浇注系 统,这样做才能够使气化模的分解气体处于抑制状态, 保证真空系统的有效抽气量大于模样气化生成的 气体。对于薄壁、矮小的铸件能够使用顶注式浇 注系统。薄壁矮小的铸件模样,气化后生成的气 体量也就相应的较少,同时气化的气体由真空泵 强行抽离砂箱。采用这种浇注系统对薄壁矮小铸 件进行浇注,其充型速度快,金属温度高,不仅 成型好,还能够得到表面光洁、内部质量也好 的铸件。这类铸件采用顶注式浇注系统不存在塌 箱问题,因为尽管气化也是在整个铸型内进行, 但是浇注可以在短短的几秒内就结束,砂箱内的 真空度下降到临界值之前就充满型腔,而且表面 已经凝固结壳。

  图1.浇注过程各种压力平衡 Ph—砂型对涂料的压力; P气—泡沫塑料分解物气体压力; P金—液态金属对涂料及砂型的压力

  →浇注位置的设计 确定浇注位置在很大程度上着眼于控制 铸 件的凝固。实现顺序凝固的铸件,可以 消除缩孔、缩松,保证获得致密铸件,在 这种条件下,浇注位置的确定应有利于安 放冒口。 埋型操作时,需考虑气化模在砂箱中的 合理位置,使它与箱壁之间有合理的距离, 即吃砂量。只要具备一定厚度的吃砂量, 在抽真空后才能产生足够的强度,形成坚 固的铸型,使其能承受住金属液静压力的 作用。

  →内浇道截面大小的计算 计算浇注系统时,可以借鉴砂型铸造的计算 方法,采用水力学公式计算:

  式中 G——流经内浇道的液态金属重量(kg) (包括铸件重和浇注系统重量);  ——流量系数,可参考传统工艺查表,一般取 0.3~0.4之间; H ——压头高度,根据模样在砂箱中位置确定; t ——浇注时间 。

  冒口设计的一般原则 (1)冒口应就近设在铸件热节的上方或侧旁; (2)冒口应尽量设在铸件最高、最厚的部位; (3)冒口不应设在铸件最重要、受力大的部位,以 免组织粗大降低强度; (4)冒口位置不要选在铸造应力集中处,应注意减 轻对铸件的收缩阻碍,以免引起裂纹; (5)尽量用一个冒口同时补缩几个热节或铸件; (6)冒口布置在加工面上,可节约铸件精整工时,零 件外观好; (7)不同高度上的冒口,可应用冷铁将各个冒口的 补缩作用范围隔开。

  →浇注系统各单元界面积的比例 在消失模铸造中,大多采用封闭式浇注系统。 在实际生产中内浇道总截面积、横浇道总截面积和 直浇道截面积之比为: 对铸铁来说, 1.2 1.4  F : F : F =1.1 : :  

  →铸件典型浇注系统由浇口杯(外浇口)、直浇道、 直浇道道窝、橫浇道和内浇道等部分所组成。能否 获得健全的铸件,与浇注系统结构和形式有很大 的关系。如果设计不合理,就可能使铸件产生气 孔、缩孔和冷隔等缺陷。消失模铸造还会出现特 有的皱皮、冷隔状夹杂和铸钢件的渗碳等瑕疵。 →浇注系统的设计应该有利于金属液顺利平稳地充 满整个型腔,而且拥有非常良好的浮渣和排气能力, 以获得无缺陷的优质铸件。消失模浇注系统的位 置安放自由,不受起模、合箱、抽芯的限制。因 此可以放在最理想的位置上。对各种大、中、小 型,各种材质、形状复杂的铸件都适用。

  →无论采用哪一种珠粒制模,其制模工艺过程都是相 同的。其工艺过程如下: 原料 → 预发泡 → 珠粒熟化处理 → 制模 → 模 样的熟化 →模样组合 (1)原料(EPS、EPMMA、STMMA等)采用聚苯乙 烯珠粒,聚苯乙烯塑料具有发气量 低,残留物量少, 密度小、气化迅速、价格适中等优点。 (2)予发泡:聚苯乙烯在制模之前,一定要经过予发 泡处理,来调整并获得所需的粒度和密度。

  冒口的设计方法:模数法、周界商法、收缩模数法 和热节圆法。(详细推倒原理、公式见论文) 1、模数法:根据铸件顺序凝固原理,保证冒口的凝 固时间晚于铸件的凝固时间,这就要求冒口的 模数大于铸件的模数,一般取铸件的1.1~1.2倍。 模数法计算冒口的一般步骤为: a. 根据铸件的特征划分几个基本形状,并确定冒 口的补缩区域; b. 计算每个补缩区域的铸件模数; c. 根据铸件的结构特征和补缩区域,选择正真适合的 冒口类型和冒口数量,并计算冒口尺寸,如采 用边冒口,需要计算冒口颈尺寸; d. 根据冒口补缩距离,验算冒口数量,根据冒口 的最大补缩能力验算冒口容量

  冒口的补缩距离 铸钢件冒口的有效补缩距离为冒口区与末端 区长度之和。在冒口的有效补缩距离范围内,铸 件实现顺序凝固,铸件致密。 铸钢件冒口区长度和末端区长度都随铸件厚度的 增大而增加,根据铸件的厚度结合图3可以查出冒 口区长度和末端区长度。 冒口的有效补缩距离=冒口区长度+末端区 长度 灰铸铁冒口的补缩距离与铁液的共晶度有关。 由于灰铸铁的共晶度低,结晶范围宽,共晶转变 前析出奥氏体阻碍补缩,所以冒口的补缩距离较 小。其冒口的补缩距离从图4中查出;球墨铸铁具 有模糊凝固特性,冒口的补缩效果较差,只有铸 造较厚的球铸铁件时才有必要采用传统的冒口补 缩。其补缩距离约为铸件厚度的4倍左右;可锻铸 铁冒口的补缩距离为4~4.5倍壁厚。

  →消失模铸造的产品质量主要决定于:“白区”、“黑区” 生产线的方案设计和设备配套水平;消失模铸造工艺及 浇注系统模块设计;消失模涂料的品质和浸涂、烘干工艺。 消失模铸造工艺流程为: 1)制作泡塑气化模; 2)组合浇注系统; 3)气化模表面刷、喷特制耐火涂料并烘干; 4)将特制隔层砂箱置于振动工作台上; 5)填入底砂(干砂)振实,刮平; 6)将烘干的气化模放于底砂上,填满干砂,微振适当 时间刮平箱口; 7)用塑料薄膜覆盖,放上浇口杯,接真空系统抽真空, 干砂紧固成型后,进行浇注,气化模气化消失,金属液 取代其位置; 8)释放真空,待铸件冷凝后翻箱,从松散的砂中取出 铸件。

  →浇注系统形式的选择 按金属液注入铸型(或内浇道)位置的不同, 浇注系统可分为以下几种(如图2.所示):顶注; 上(侧)注;下1/3处浇注;阶梯浇注;底注;下 雨淋浇注。其中,下1/3浇注较为常用。 顶注式浇注系统的优点是,充型时间最短、 浇速快,防止塌箱;满足顺序凝固要求,补缩作 用好,而且有利于防止浇不足和冷隔缺陷。缺点 是难以控制流速,容易使残留物卷入,对型腔的 冲击大,飞溅大。 侧注式浇注系统的优点,液体从模样中间引 入,可缩短内浇道的距离。侧柱金属液一进入型 腔就可以在360°角范围内向四周扩散,充型速 度快。

  消失模铸造中的冒口除补缩和调整温度场 外,还有集渣、排气的作用。在浇注过程中, 远离浇道位置和铸型的死角、顶端部位,经常 有可能会出现夹渣、冷隔等缺陷,可以在这些部位 设置集渣或收集过冷金属液的冒口。 在消失模铸造中,大都采用圆柱形或球形 暗冒口。这样做才能够保证铸型在整个浇注的过程 中处于真空密封状态,抑制气化模的气化率; 有利于改善浇注环境,提高铸件的内外质量。 冒口一般可粘结在泡沫塑料模样上,也可 将冒口模样嵌入到在铸件泡沫塑料模样的凹穴 部位。

   目前,消失模模样所用的原材料主要有可发泡聚 苯乙烯(EPS)、可发泡聚甲基丙烯酸甲酯 (EPMMA)、苯乙烯和甲基丙烯酸甲醋的共聚物 (STMMA)等。EPS模样发气量 低,残留物量 少,密度小、气化迅速、价格适中等优点,但 EPS模样会造成铸铁件表面产生光亮碳缺陷和 使铸钢件表面增碳,而采用EPMMA模样对解决 增碳、皱皮、黑渣等缺陷很有效,但是, EPMMA的发气量大,约是EPS的1.5倍。 STMMA是苯乙烯和甲基丙烯酸甲醋的共聚物,兼 有前两者的优点。


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