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與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)相比,消失模鑄造有下列特點(diǎn):

1、鑄件質(zhì)量好,成本低;
2、材質(zhì)不限,大小皆宜;
3、尺寸
4、精度高,表面光潔,減少清理,節(jié)省機(jī)加;
5、內(nèi)部缺陷大大減少,組織致密;
6、可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、大批量生產(chǎn)。自動(dòng)化流水線生環(huán)保。
7、可以大大改善作業(yè)環(huán)境、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減少能源消耗。

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(yàn),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(dāng)時(shí)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(shù)品鑄件,以后經(jīng)過許多實(shí)踐和探索,1962年西德從美國引進(jìn)專利,消失模鑄造法才開始被開發(fā),并在工業(yè)上得到應(yīng)用。

1964年美國的T.R.SMITH發(fā)表了使用無粘結(jié)劑干砂造型生產(chǎn)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(yīng)用,生產(chǎn)了成千上萬噸鑄件,但無粘結(jié)劑干砂實(shí)型鑄造卻沒得到發(fā)展,仍處于探索階段。在整個(gè)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(chǎn),典型產(chǎn)品是汽車模具、機(jī)器底座、藝術(shù)品等。1968年,德國人E.KRYZMOWSKI在砂箱內(nèi)抽成負(fù)壓進(jìn)行澆注,取得了專利,即現(xiàn)在的消失模鑄造。

八十年代以前,由于專利的制約,生產(chǎn)中使用無粘結(jié)劑干砂消失模鑄造受到限制;鑄造界與其他產(chǎn)業(yè)部門協(xié)調(diào)不夠;由于工藝不當(dāng)、型砂和涂料不合適以及模型質(zhì)量不高所導(dǎo)致的實(shí)型鑄件外觀及內(nèi)在質(zhì)量不夠好,造成了一部分人的等待、觀望甚至懷疑的態(tài)度,使得消失模鑄造法發(fā)展緩慢。

1981年以后由于相應(yīng)專利技術(shù)失效,再加上經(jīng)過幾年努力,發(fā)泡聚苯乙烯原料珠粒有了很大進(jìn)步、模型組合粘結(jié)劑質(zhì)量改善、高質(zhì)量涂料被研制成功等工藝技術(shù)的進(jìn)步,消失模鑄造法得以迅速發(fā)展,并很快在生產(chǎn)上得到應(yīng)用。1982年美國首先公開了世界上第一條生產(chǎn)復(fù)雜鋁鑄件的消失模鑄造生產(chǎn)線。至此,消失模鑄造作為一種全新的鑄造工藝方法被應(yīng)用于生產(chǎn)。

消失模在中國的發(fā)展簡史

1979年,由我國著名消失模鑄造專家、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員黃述哲教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組,在中國最早開始了消失模鑄造的原理性試驗(yàn)。同年,黃述哲教授在全國鑄造工藝學(xué)會(huì)上發(fā)表了"消失模鑄造基本特性的研究"論文報(bào)告,在國內(nèi)首次系統(tǒng)闡述了這一方法的特點(diǎn)和規(guī)律性。1982年,在大量實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,黃述哲教授主持在光機(jī)所工廠建成了一條消失模鑄造實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線。黃述哲教授主持完成的"消失模鑄造技術(shù)開發(fā)及工業(yè)化應(yīng)用"于1997年、1998年分獲中科院科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和國家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng),這是我國鑄造工業(yè)界科技成果中獲得的最高獎(jiǎng)項(xiàng)。1998年被國家科技部列為"九五國家科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目"(99010202A)。黃述哲教授主持完成了數(shù)十個(gè)技術(shù)先進(jìn)、功能完備、配置合理、生產(chǎn)高效的消失模鑄造流水生產(chǎn)線工程。

八十年代后期鄭州機(jī)械所也開始了消失模鑄造的試驗(yàn)性應(yīng)用研究。

九十年代開始以來,清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中理工大學(xué)、西安交大等也紛紛加入了消失模鑄造的研究。

2013年,中國第一條萬噸消失模鑄鋼生產(chǎn)線正式投產(chǎn),標(biāo)志著中國消失模鑄鋼制造工業(yè)正式進(jìn)入量產(chǎn)時(shí)代。

消失模鑄造專用的泡沫珠粒有三種。

①可發(fā)性聚苯乙烯樹脂珠粒(簡稱EPS);

②可發(fā)性甲基丙烯酸甲脂與苯乙烯共聚樹脂珠粒(簡稱STMMA); ③可發(fā)性聚甲基丙烯酸甲脂樹脂珠粒 (簡稱EPMMA)。

常用可發(fā)性聚苯乙烯樹脂珠粒(EPS),用于鑄造有色金屬、灰鐵及一般鋼鑄。

珠粒特點(diǎn):半透明珠粒,預(yù)發(fā)泡倍數(shù)40~60,粒徑為0.18~0.80亳米(6種尺寸),

一般選用的原始珠粒的粒徑小于或等于鑄件的最小壁厚的1/9 ~ 1/10。

2、模型制作: 有兩種情況:

◎由泡塑珠粒制作:予發(fā)泡——熟化——發(fā)泡成型——冷卻出模

①予發(fā)泡

EPS珠粒在加入模具前,要先進(jìn)行予發(fā)泡,以使珠粒膨脹到一定尺寸。 予發(fā)泡過程決定了模型的密度、尺寸穩(wěn)定性及精度,是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。適用于EPS珠粒予發(fā)泡的方法有三種:熱水予發(fā)泡、蒸汽予發(fā)泡和真空予發(fā)泡。真空予發(fā)泡的珠粒發(fā)泡率高,珠粒干燥,應(yīng)用較多。

②熟化

經(jīng)予發(fā)泡的EPS珠粒放置在干燥、通風(fēng)的料倉中一定時(shí)間。以便使珠粒泡孔內(nèi)外界壓力平衡,使珠粒具有彈性和再膨脹能力,除去珠粒表面的水分。熟化時(shí)間在8~48小時(shí)。

③發(fā)泡成型

將予發(fā)泡且熟化的EPS珠粒填充到金屬模具的型腔內(nèi),加熱,使珠粒再次膨脹,填滿珠粒間的空隙,并使珠粒間相互融合,形成平滑表面,即模型。出模前必須進(jìn)行冷卻,使模型降溫至軟化溫度以下,模型硬化定形后,才能出模。出模后還應(yīng)有模型干燥及尺寸穩(wěn)定的時(shí)間。設(shè)備有蒸缸及自動(dòng)成形的成型機(jī)兩種。

◎由泡塑板材制作:泡塑板材——電阻絲切割——粘結(jié)——模型

對簡單模型,可利用電阻絲切割裝置,將泡塑板材切割成所需的模型。

對復(fù)雜模型,首先用電阻絲切割裝置,將模型分割成幾個(gè)部分,然后進(jìn)行粘,使之成為整體模型。

3、模型組合成簇:

是將自行加工好(或外購)的泡塑模型與澆冒口模型組合粘結(jié)在一起,形成模型簇,這種組合有時(shí)在涂料前進(jìn)行,有時(shí)在涂層制備后埋箱造型時(shí)進(jìn)行。是消失模(實(shí)型)鑄造不可缺少的一道工序。

目前使用的粘結(jié)材料:橡膠乳液、樹脂溶劑和熱熔膠及膠帶紙。

4、模型涂層:

實(shí)型鑄造泡塑模型表面必需涂一層一定厚度的涂料,形成鑄型內(nèi)殼。其涂層的作用是為了提高EPS模型的強(qiáng)度和剛度,提高模型表面抗型砂沖刷能力,防止加砂過程中模型表面破損及振動(dòng)造型及負(fù)壓定型時(shí)模型的變形,確保鑄件的尺寸精度。

外購的消失模鑄造專用涂料,在涂料攪拌機(jī)內(nèi)加水?dāng)嚢?使其得到合適的粘度。攪拌后的涂料放入容器內(nèi),用浸、刷、淋和噴的方法將模型組涂覆。一般涂兩遍,使涂層厚度為0.5 ~ 2mm。據(jù)鑄件合金種類、結(jié)構(gòu)形狀及尺寸大小不同選定。涂層在40~50℃下烘干。

5、振動(dòng)造型:

我們介紹常用的一種造型方法(兩種方法之一)。

其工序包括如下工序:砂床制備——放置EPS模型——填砂——密封定型

①砂床制備

將帶有抽氣室的砂箱放在振動(dòng)臺(tái)上,并卡緊。底部放入一定厚度的底砂(一般砂床厚度在50~100mm以上),振動(dòng)緊實(shí)。

型砂為無粘結(jié)劑、無填加物、不含水的干石英砂。黑色金屬溫度高,可選用較粗的砂,鋁合金采用較細(xì)砂子。型砂經(jīng)處理后要反復(fù)使用。

砂箱為單面開口、設(shè)有抽氣室或抽氣管、起吊或行走機(jī)構(gòu)的砂箱。

②放置EPS模型

振實(shí)后,其上據(jù)工藝要求放置EPS模型組,并培砂固定。

③填砂

加入干砂(幾種加砂方法),同時(shí)施以振動(dòng)(X、Y、Z三個(gè)方向),時(shí)間一般為30~60秒,使型砂充滿模型的各個(gè)部位,且使型砂的堆積密度增加。

④密封定型

砂箱表面用塑料薄膜密封,用真空泵將砂箱內(nèi)抽成一定真空,靠大氣壓力與鑄型內(nèi)壓力之差將砂粒"粘結(jié)"在一起,維持鑄型澆注過程不崩散,稱之為"負(fù)壓定型。較為常用。

6、澆注置換

EPS模型一般80℃左右軟化,420~480℃時(shí)分解。分解產(chǎn)物有氣體、液體及固體三部分。熱分解溫度不同,三者含量不同。

實(shí)型鑄造澆注時(shí),在液體金屬的熱作用下,EPS模型發(fā)生熱解氣化, 產(chǎn)生大量氣體,不斷通過涂層型砂,向外排放,在鑄型、模型及金屬間隙內(nèi)形成一定氣壓,液體金屬不斷地占據(jù)EPS模型位置,向前推進(jìn),發(fā)生液體金屬與EPS模型的置換過程。置換的最終結(jié)果是形成鑄件。

澆注操作過程采用慢——快——慢。并保持連續(xù)澆注,防止?jié)沧⑦^程斷流。澆后鑄型真空維持3~5分鐘后停泵。澆注溫度比砂型鑄造的溫度高30~50℃。

7、冷卻清理

冷卻后,實(shí)型鑄造落砂最為簡單,將砂箱傾斜吊出鑄件或直接從砂箱中吊出鑄件均可,鑄件與干砂自然分離。分離出的干砂處理后重復(fù)使用。

1、消失模鑄造不需要分型和下芯子,所以特別適用于幾何形狀復(fù)雜、傳統(tǒng)鑄造難以完成的箱體類、殼體類鑄件、筒管類鑄件。

2、消失模鑄用干砂埋模型,可反復(fù)使用,工業(yè)垃圾少,成本明顯降低。

3、消失模鑄造沒有飛邊毛刺,清理工時(shí)可以減少80%以上。

4、消失模鑄造可以一線多用,不僅可以做鑄鐵、球鐵,還可以同時(shí)做鑄鋼件,所以轉(zhuǎn)項(xiàng)靈活,適用范圍廣。

5、消失模鑄造不僅適用批量大的鑄造件,進(jìn)行機(jī)械化操作,也適用于批量小的產(chǎn)品手工拼接模型。

6、消失模鑄造如果投資到位,可以實(shí)現(xiàn)空中無塵,地面無砂,勞動(dòng)強(qiáng)度低,做業(yè)環(huán)境好,將以男工為主的行業(yè)變成了以女工為主的行業(yè)。

7、消失模鑄造取消了造型工序,有一定文化水平的人,經(jīng)過短時(shí)間的培訓(xùn)就可以成為熟練的工人,所以,特別適用技術(shù)力量缺乏的地區(qū)和企業(yè)。

8、消失模鑄造適合群鑄,干砂埋型脫砂容易,在某些材質(zhì)的鑄件還可以根據(jù)用途進(jìn)行余熱處理。

9、消失模鑄造不僅適用于中小件,更適用做大型鑄件,如:機(jī)床床身、大口徑管件,大型冷沖模件,大型礦山設(shè)備配件等,因?yàn)槟Ｐ椭谱髦芷诙�、成本低、生產(chǎn)周期也短,所以特別受到好評。

消失模容易產(chǎn)生增碳缺陷,現(xiàn)今在我國還沒有很好的方法完全解決該種缺陷,這也是眾多鑄造廠家不敢上消失模或上了消失模生產(chǎn)線卻不能批量生產(chǎn)的一個(gè)原因。增碳缺陷產(chǎn)生的原因主要是泡沫材料含有碳,澆注時(shí)泡沫燃燒分解出游離碳,碳侵入鋼水所致。經(jīng)過試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其增碳有一定的規(guī)律性,即鑄件表面增碳,而心部幾乎不增碳;內(nèi)澆口附近不增碳,而離內(nèi)澆口越遠(yuǎn),增碳越嚴(yán)重。鑄鋼件增碳及其表現(xiàn)形式主要有下面四個(gè)個(gè)方面:a.鑄件表面增碳,b.鑄件的體積增碳,c.鑄件局部增碳,d.鑄件表面脫碳。采取如下相應(yīng)措施,可使鑄件成分基本在工藝要求范圍內(nèi)。

1、選擇含碳量少的泡沫材料,這是關(guān)鍵,現(xiàn)今消失模鑄造用材料主要有EPS , STMMA , EPSMMA 三種,其含碳量依次減少。其中EPS 的特點(diǎn)是含碳量大,但其發(fā)氣量小,澆注時(shí)不易返噴,且其價(jià)格便宜,在鑄鐵件和要求不高的上應(yīng)用較多。EPSMMA 的特點(diǎn)是含碳量少,但發(fā)氣量大,易造成返噴現(xiàn)象,且材料價(jià)格貴,一般在低合金鋼上使用較多。STMMA 則是兼顧兩者的優(yōu)點(diǎn),具有發(fā)氣少、含碳低的優(yōu)點(diǎn),是用消失模生產(chǎn)的首選材料。

2、消失模模樣的密度非常重要,只要表面光潔,密度低,可以降低增碳現(xiàn)象,同時(shí)發(fā)氣量少。

3、利用離內(nèi)澆口越遠(yuǎn),增碳越嚴(yán)重的特點(diǎn),在離內(nèi)澆口最遠(yuǎn)端或在鑄件的最高點(diǎn)設(shè)置冒口,使先進(jìn)入鑄件的增碳污染嚴(yán)重的鋼水進(jìn)人冒口內(nèi),同時(shí)冒口還起到集渣、集氣的作用。使用該工藝,可使鑄件整體含碳量控制在工藝要求范圍內(nèi)

涂料作用

1、避免鋼水和砂子直接接觸,保證鑄件表面質(zhì)量;

2、提高泡沫的強(qiáng)度,使其在搬運(yùn)過程中不變形;

3、使?jié)沧�時(shí)產(chǎn)生的氣體通過涂層排出抽走。

涂料的涂刷和涂料烘干

1、涂料的涂刷最好不要一次完成,一次完成涂刷會(huì)使涂層變厚,涂料易開裂,應(yīng)上二至三層,涂層整體厚度應(yīng)控制在1mm 左右�？刂仆繉雍穸鹊脑瓌t是,在鑄件不粘砂的前提下,涂層應(yīng)盡量薄,以便于氣體能盡快通過涂層排出。

2、每層涂料上完后必須要烘干,方可進(jìn)行下一輪涂刷或造型,如果涂層沒干透,澆注時(shí)鋼水遇到水分會(huì)產(chǎn)生大量氣體,造成返噴,另外涂層沒干透,涂料透氣性差,氣體無法及時(shí)排出,易使鑄件產(chǎn)生氣孔、渣孔。

防止返噴

返噴是消失模鑄造中常發(fā)生的現(xiàn)象,返噴嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)危及澆注工的人身安全,必須予以重視,為減輕噴現(xiàn)象,可采取如下措施。

1、泡沫模型密度要小,在保證泡沫表面質(zhì)量,保證模型強(qiáng)度的前提下,泡沫應(yīng)做得越輕越好,以減少澆注時(shí)的發(fā)氣量。

2、泡沫模型上涂料前一定要烘干,每批泡沫模型應(yīng)抽檢其烘干過程的重量變化,應(yīng)做出烘烤重量變化曲線圖,只有在重量不再發(fā)生變化情況下方可上涂料。

3、澆注系統(tǒng),特別是直澆道和橫澆道不應(yīng)上涂料,這樣可以使?jié)沧�時(shí)產(chǎn)生的氣體能快速充分地抽走,而且不上涂料,節(jié)省了涂料的消耗。

4、在澆口杯處上面蓋一個(gè)檔板,可把返噴上來的鋼水擋住,使其不能飛濺出來,危及現(xiàn)場操作工人。

防止塌箱

當(dāng)一箱中串聯(lián)鑄件較多時(shí),由于各模型同時(shí)氣化,造成真空度不夠,易造成塌箱,防止塌箱應(yīng)注意:

1、保持砂箱內(nèi)的足夠穩(wěn)定的真空度。

2、控制好澆注溫度,同時(shí)澆注速度盡量與模型的氣化速度一致,防止?jié)沧⑦^慢導(dǎo)致冷隔澆不進(jìn),造成塌箱。

通常在鑄造車間設(shè)置1-2臺(tái)(造型時(shí)用)三維振動(dòng)臺(tái),幾個(gè)-10多個(gè)專用砂箱,砂箱吊運(yùn)或設(shè)有輥(軌)道的砂箱簡易輸送線,干砂一般是自然冷卻或設(shè)有簡易型砂冷卻裝置,另加一套抽真空系統(tǒng)和砂除塵篩分設(shè)備。投資靈活,費(fèi)用在8-15萬,生產(chǎn)規(guī)模一般在500-5000噸。 這種生產(chǎn)模式是比較符合我國國情,花錢少,上馬快,深受我國廣大中小企業(yè)歡迎,發(fā)展十分迅速。這類工廠占我國消失模鑄造廠點(diǎn)的90%以上。

二、國產(chǎn)型消失模鑄造流水線

采用機(jī)械、液壓、氣動(dòng)和電控方式,自行設(shè)計(jì)的國產(chǎn)型生產(chǎn)線,其砂箱數(shù)在10 -50余個(gè)不等;均設(shè)有砂冷卻系統(tǒng)設(shè)備;生產(chǎn)規(guī)模在年產(chǎn)2000―30000噸,投資在50萬-400萬不等。這類生產(chǎn)廠點(diǎn)約有30家(條)。特點(diǎn)是系統(tǒng)完整,功能齊全,連續(xù)作業(yè),適合大批量、大規(guī)模生產(chǎn) 。

國外引進(jìn)型消失模鑄造。引進(jìn)國外的這些工廠中,投資少則為約1000余萬元,多則為(累計(jì))約8000萬元,一般在4000至5000萬元之間。

1、白區(qū)設(shè)備的發(fā)展:

預(yù)發(fā)機(jī)已經(jīng)有較大的改進(jìn)和提高,無論是外形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還是發(fā)泡原理方面的改進(jìn)及測試手段的完善都做了大量的工作。發(fā)泡機(jī)的性能有了很大的提高,基本上可以滿足使用要求。制模機(jī)方面也有一定的改進(jìn),隨著自動(dòng)化水平的提高及在國內(nèi)制模方面的應(yīng)用,國內(nèi)制模機(jī)的自動(dòng)化水平也有了明顯的提高,制模的生產(chǎn)效率和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度都有了較大的提高和改善。但在充填方式能量分布等方面還有待于進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。膠合機(jī)方面也做了一些工作,但對復(fù)雜模片的膠合水平和能力還有待于提高和完善。涂料方面機(jī)械化水平較低,檢測手段不完善,涂料工部現(xiàn)場臟、亂、差的情況沒有明顯改善;缺乏涂料的回收設(shè)備和裝置。目前國內(nèi)也有部分企業(yè)利用不銹鋼高低速攪拌容器結(jié)合kawASAki機(jī)械手對復(fù)雜的模片進(jìn)行涂料,但因不了解涂料的性能,沒有設(shè)計(jì)出合理精準(zhǔn)的夾具,又因機(jī)械手的運(yùn)行軌跡走向不合理,在對模片本身各型腔結(jié)構(gòu)把握不是太好的情況下使用機(jī)械手進(jìn)行侵涂導(dǎo)致模片在侵涂時(shí)出現(xiàn)模片膨脹變形,表面涂料粘附不均勻,型腔露白現(xiàn)象嚴(yán)重等問題。

2、黑區(qū)設(shè)備的發(fā)展:

振實(shí)臺(tái)有了較大的改進(jìn)和突破,無論是振實(shí)原理還是控制手段方面都有了顯著的提高,基本接近國外先進(jìn)設(shè)備的設(shè)計(jì)理念,但在細(xì)節(jié)和控制方面仍存在一定的差距。砂冷卻器的設(shè)計(jì)和制造能力也有了較大的提高和改善,在不需要考慮過多的地坑前提下,已經(jīng)可以滿足造型線的砂冷卻處理的要求。雨淋加砂、振動(dòng)輸送等設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造能力都有了明顯提高。自動(dòng)化的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力有了較大提高。自動(dòng)化澆注機(jī)的設(shè)計(jì)和制造水平已經(jīng)接近國外的先進(jìn)水平。整個(gè)造型線的設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)變較大,布線更合理,運(yùn)行更可靠。

3、工藝水平的發(fā)展:

工藝水平主要體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋鑄件的批量化生產(chǎn)工藝及高難度耐磨、耐熱鑄件的生產(chǎn)工藝。