消失模铸造工艺

毕毕 业业 设设 计计 消失模铸造工艺 学生姓名学生姓名： 学号学号： 系系 部：部： 专专 业：业： 指导教师：指导教师： 二零一四年六月 刘利龙102011105 机械工程系 机械设计制造及自动化 其自动化 郭永生 诚信声明诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导 下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中 列出。 本人签名： 年 月 毕业设计任务书毕业设计任务书 设计题目： 消失模铸造工艺 系部： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 学号 ：102011105 学生： 刘利龙 指导教师（含职称）： 郭永生 专业负责人： 田静 1设计（论文）的主要任务及目标 针对论文的选题，查询大量的国内外相关资料和文献，充分了解国内的现状，对 比国外找到国内存在的问题，提出自己对消失模铸造工艺或是自己对这方面的一些 见解。 通过毕业设计的写作，培养和提高学生对所学理论、知识和技能的运用能力，加 强学生创新意识，同时培养学生实事求是的科学精神、严肃认真的工作态度及良好 的团队协作精神。 2设计（论文）的基本要求和内容 1）消失模铸造的工艺：工艺特点、工艺流程、充型过程理论； 2）模具设计：零件工艺参数的确定、铸件的结构设计（即模样制作设计） 、消失 模铸造浇注系统的设计、造型技术（如模型吃砂量等）等 3主要参考文献 1 章舟.消失模铸造生产及应用实例M.北京：化学工业出版社，2007 年 6 月 2 陶杰，刘子利，崔益华.有色合金消失模铸造原理与技术C.北京：化学工 业出版社 ，2007 年 1 月 3 黄乃瑜，叶升平，樊自田.消失模铸造原理与质量控制D.武汉：华中科技 大学出版社，2004 4进度安排 设计（论文）各阶段名称起 止 日 期 1 开题报告2014-3-3 至 2014-3-10 2 前期及中期设计 2014-3-11 至 2014-4-15 3 中期设计报告 2014-4-16 至 2014-4-24 4 中后期设计 2014-4-25 至 2014-5-30 5 后期检查审定 2014-6 至论文答辩日 消失模铸造工艺毕业设计 摘 要：消失模铸造是一种友好、铸件质量优良的无余量液态金属精确成型且已 成为改造传统铸造产业应用最广的高新技术，它适应于零件加工精确化的要求。三 通管接头， “三通”即有三个通路。在本次设计结合灰铸铁的性能特点分析消失模铸 造的工艺特点流程及发展现状。对比其它铸造方法，选用最佳方案。简要分析研究 消失模铸造相关技术和设计消失模铸造结构工艺。研究确定三通管接头铸件的工艺 参数及结构，据此设计铸造模具结构，主要是泡沫模样发泡模具设计。模具结构设 计包括浇注系统、型腔布置、模具总体尺寸确定与结构说明。其中浇注系统设计包 括直浇道、冒口、内浇口位置设计等。 关键词关键词：三通管接头,消失模铸造,工艺分析,模具设计 Graduation design of epc process AbstractAbstract：Lost foam casting is an environment,casting of high quality liquid metal molding technology with nearly no remainings,the revolution of traditional mold design，It will take effect not only in connecting but also in converting the current of the circular. The design is based on the structural characteristics requirements of tee joints, emphatically analyse EPC processs characteristics,technological processs and present developing situation combining with the characteristics of grey cast iron.Compared with other casting method,describe the best characteristics.Briefly analyse and study the related technologies.in the light of this , comprehensive audi to put into production,etc.The design of pouring system includes straight runner size, ingate location,etc. KeyKey words:words: Tee joint ,LFC, Process Study,Mould desig I 目录 1 前言.1 1.1 设计背景、目的和意义.1 1.1.1 课题背景.1 1.1.2 设计目的.1 1.1.3 设计意义.1 1.2 消失模铸造工艺概述和流程.2 1.2.1 概述：.2 1.2.2 工艺流程：.2 1.3 消失模铸造工艺国内外发展及现状.2 1.3.1 中国消失模铸造工艺的发展及现状.2 1.3.2 国际上消失模铸造工艺的发展及现状.3 1.4 对比其他铸造工艺 4 1.5 课题研究主要内容 5 2 三通管接头工艺技术分析 6 2.1 三通管接头工艺参数的确定.6 2.2 三通管接头的工艺因素确定.6 2.2.1 消失模铸造的模样材料.6 2.2.2 涂 料8 2.2.3 浇注温度、真空度.9 2.2.4 浇注速度10 2.2.5 铸件因素11 2.2.6 三通管接头造型时铸沙因素12 2.3 消失模铸造三通管接头13 2.3.1 消失模铸造生产原理及工艺特点13 2.3.2 消失模铸造生产工艺流程14 2.3.3 消失模铸造技术及生产设备16 2.3.4 消失模铸造三通管接头砂箱内铸件的布置16 2.3.5 消失模铸造三通管接头缺陷及控制措施17 3 三通管铸造工艺设计 .23 3.1 三通管接头发泡模样结构尺寸设计 .23 3.2 三通管接头消失模铸造浇注系统设计 .23 3.2.1 三通管接头消失模浇注系统的设计原则 .24 3.2.2 三通管接头消失模浇注系统的类型选择 .25 3.2.3 三通管接头消失模浇注位置设计 .27 3.2.4 三通管接头消失模浇道的结构与形状30 3.2.5 三通管接头消失模内浇口的确定31 3.2.6 三通管接头消失模冒口设计32 II 4.三通管接头发泡模具的设计 .33 4.1 三通管接头消失模铸造发泡模具方案33 4.2 发泡模具的本体设计 .34 4.2.1 发泡模具尺寸的确定 .34 4.2.2 模具的设计34 4.2.3 模具材料的选择 .36 4.3 模具的制造 .37 总 结 .39 参 考 文 献 .42 致 谢 .43 太原工业学院毕业设计 1 1 前言 1.1 设计背景、目的和意义 1.1.1 课题背景 能源问题一直是世界关注的焦点，合理利用能源，降低能耗被列为经济发展的 重大课题。目前，我国机械产品消耗的能源占全国总能源的 65%，而铸造行业是国民 经济中能耗较多的行业之一，占机械工业总耗能的 25-30%，铸造生产的能耗约为发 达国家的 2 倍。在竞争激烈的市场环境下，大力抓好节能增效是我国铸造行业增强 竞争力的重要措施。采用新工艺、新技术、加强节能技术改造成为突显行业实力的 重要部分。如上表所示，消失模铸造因其独特的工艺特性和在成本及环保上的优势， 一经出现就受到铸造工作者的重视并得到迅速发展。 利用泡沫塑料模和干砂（包括干燥的、无黏结剂的石英砂，铁丸或钢丸） ，借助 重力、磁力或真空负压等物理方法紧实铸型的方法称为消失模铸造，结合其他新材 料，进而发展形成实行空腔法、实型精密铸造等方法。目前我国消失模铸造的生产 主要集中在铸铁、铸钢件上，而铝合金等轻合金材质的消失模铸造技术处在开始期， 所有的技术问题都还未根本解决，有很大的发展空间。 1.1.2 设计目的 借助对三通管接头的相关设计，全面掌握消失模铸造的工艺特点、工艺流程、 相关重点技术（白区、黒区、黄区）等，分析研究铸造模具结构及装配等。 1.1.3 设计意义 整个消失模铸造的毕业设计，相当于一个实际铸造生产的模拟。认真实施好每 一环节，可以加深我们对消失模铸造专业理论的理解，奠定实际生产设计撰写说明 书及软件绘图能力，培养自身的综合素质能力，其意义是深远的。 太原工业学院毕业设计 2 1.2 消失模铸造工艺概述和流程 1.2.1 概述： 消失模铸造（又称实型铸造）是用泡沫塑料（EPS 、STMMA 或 EPMMA）高分子材 料制作成为与要生产铸造的零件在结构、尺寸上完全一样的实型模具，经过浸涂耐 火涂料（起强化、光洁、透气作用）并烘干后，埋在干石英砂中经三维振动造型， 浇铸造型砂箱在负压状态下浇入熔化的金属液，使高分子材料模型受热气化抽出， 进而被液体金属取代冷却凝固后形成的一次性成型铸造新工艺生产铸件的新型铸造 方法。 对于消失模铸造有多种不同的叫法，国内主要的叫法还有“干砂实型铸造” “负压实型铸造”， 简称 EPS 铸造。国外的叫法主要有：lost foam process ( USA ) 、policast process ( Italy ) 等。与传统铸造技术相比，消失模铸造具有 非常大的优势，被国内外铸造界称为“21 世纪的铸造技术”和“铸造工业的绿色革 命”。 1.2.2 工艺流程： 消失模铸造工艺流程： 1.3 消失模铸造工艺国内外发展及现状 1.3.1 中国消失模铸造工艺的发展及现状 中国对实行负压造型法的研究和开发几乎与国外同步，而且在 20 世纪 70 年代末已具备试生产条件，直至 80 年代末才初具生产规模。 太原工业学院毕业设计 3 我国研究和发展消失模铸造法的历程与国外基本相似。在模样的加工与制造、 涂料等方面已接近或达到国外先进水平。 在消失模铸造方面所生产的铸件从早期的磨球、衬板、管状铸件逐步发展到生 产曲轴、箱体、阀门、缸体类铸件，近几年又进而发展到生产汽车和柴油机部件， 如制动盘、缸盖等较复杂铸件。 我国的消失模铸造在生产方式上也从单件大中型铸件、大批量中小铸件并举发 展，进而转向以大批量消失模铸造为主；在技术上以日趋成熟，并具有一定水平； 应用上是成功的，已有部分产品如管状铸件、制动盘、机体箱、翼（飞）轮和排气 管等铸件进入国际市场。 目前，国际市场对我国铸件出口需求量与日俱增，这无疑给适宜采用负压实型 铸造的我国广大中小企业带来极好的机遇；可以预料，EPS 技术不仅可在我国汽车、 柴油机等行业的大中型企业中得到较快发展，而且将在我国获得广阔发展前景。 1.3.2 国际上消失模铸造工艺的发展及现状 近年来消失模铸造技术在欧洲和美国得到迅速发展，汽车工业应用消失模铸造 工艺的工厂在欧美越来越多，在其他行业的应用也不断扩大，消失模生产的铸件量 近年来在持续增长。 通用汽车公司于 20 世纪 70 年代开始消失模铸造技术的研究，于 1980 年在纽约 州的 Massena 建立了一条小批量试验生产线，在 1981 年建成用于大批量生产 Oldsmobile 汽车的铝制引擎盖生产线。这是第一条真正意义上的工业用消失模铸造 生产线。1986 年它又在 Massena 建成另一条大批量的消失模制模和浇注生产线，为 Chevrolet 生产铝合金缸体缸盖，随后又分别建成生产球铁曲轴和壳体件的生产线。 通用汽车公司还在密歇根州和俄亥俄州分别建立两处消失模铸造基地，为轻型卡车 生产铝合金缸体缸盖。 1991 年意大利菲亚特公司在都灵建成欧洲最大规模的消失模生产车间，年产 1.5 万吨；1993 年德国宝马公司建成年产 20 万只各种规格铝合金气缸盖的消失模生 产线；2001 年美国通用的 SMCO 建成目前世界上最先进、规模最大的消失模铸造厂。 日本久保田公司于 1987 年投产消失模铸造生产线，虽生产面积不到 1000 平方 米，但白区和黑区的设备布局十分紧凑、合理，空间面积得到充分利用，其主要产 太原工业学院毕业设计 4 品为建筑用各种型号的异性管件。尽管日本公司消失模铸造生产规模皆不大，但其 生产效率高、铸件质量好。 1.4 对比其他铸造工艺 密切结合铸造工艺的生产实践，铸造模具、铸造设备等的制造也应有相协调的 发展。铸造模具用材料可分别选用木材、可加工塑料、铝合金、铸铁、钢材等。木 模目前仍广泛应用于手工造型或单件小批量生产中，但随着环境保护要求和木材加 工性能差的限制，取而代之的将是实型铸造。实型铸造以泡沫塑料板材为材料，裁 减粘贴成模样，然后浇注而成铸件，该方法较之用木模，周期短、费用低；塑料模 的应用呈上升趋势，尤其是可加工塑料的应用日益广泛；铸铁模是大批量铸造生产 的首选，并被大量使用。它具有强度高、硬度高、加工性好、成本低、使用寿命长 等优点。近几年来，由于铸造水平的提高，已有越来越多的模样、模底板、型板框 等采用强度和耐磨性更高的球铁或高强度合金灰铸铁制作，而耐热疲劳性能更好的 蠕墨铸铁也被用于制作热芯盒材料。（如表 1.1） 表 1.1 铸造方法的特点和适用范围 铸造 方法 铸件材 质 铸件重 量 表面 光洁 度 铸件复 杂程度 生产成 本 适用范围工艺特点 砂型 铸造 各种材 质 几十 克很 大 差简单低 最常用的铸造方法 手工造型:单件、小批量 和难以使用造型机的形状复 杂的大型铸件 机械造型：适用于批量生 产的中、小铸件 手工：灵活、易行，但效 率低，劳动强度大，尺寸 精度和表面质量低 机械：尺寸精度和表面质 量高，但投资大 金属 型铸 造 有色合 金 几十 克20 公斤 好 复杂铸 件 金属模 的费用 较高 小批量或大批量生产的非铁 合金铸件，也用于生产钢铁 铸件（ 铸件精度、表面质量高， 组织致密，力学性能好， 生产率高。 熔模 铸造 铸钢及 有色合 金 几克 几公斤 很好 任何复 杂程度 批量生 产时比 完全用 机加工 生产便 宜 各种批量的铸钢及高熔点合 金的小型复杂精密铸件，特 别适合铸造艺术品、精密机 械零件 尺寸精度高、表面光洁， 但工序繁多，劳动强度大 陶瓷 型铸 铸钢及 铸铁 几公 斤几 很好较复杂 昂贵模具和精密铸件 尺寸精度高、表面光洁， 但生产率低 太原工业学院毕业设计 5 造百公斤 低压 铸造 有色合 金 几十 克几 十公斤 好 复杂 （可用 砂芯） 金属模 的制作 费用高 小批量，最好是大批量的大、 中型有色合金铸件， 可生 产薄壁铸件 铸件组织致密，工艺出品 率高，设备较简单，可采 用各种铸型，但生产效率 低 差压 铸造 铝、镁 合金 几克 几十公 斤 好 复杂 （可用 砂芯） 高性能和形状复杂的有色合 金铸件 压力可控，铸件成型好， 组织致密，力学性能好， 但生产效率低 压力 铸造 铝、镁 合金 几克 几十公 斤 好 复杂 （可用 砂芯） 金属模 的制作 费用很 高 大量生产的各种有色合金中 小型铸件、薄壁铸件、耐压 铸件 铸件尺寸精度高、表面光 洁，组织致密，生产率高， 成本低。但压铸机和铸型 成本高 离心 铸造 灰铁、 球铁 几十公 斤几 吨 较好 一般为 圆筒形 铸件 较低 小批量到大批量的旋转体形 铸件、 各种直径的管件 铸件尺寸精度高、表面光 洁，组织致密，生产率高 连续 铸造 钢、有 色 很大较差 长形连 续铸件 低 固定截面的长形铸件，如钢 锭、钢管等 组织致密，力学性能好， 生产率高 消失 模铸 造 各种 几克 几吨 较好较复杂 较低 不同批量的较复杂的各种合 金铸件 铸件尺寸精度较高，铸件 设计自由度大，工艺简单， 但模样燃烧影响环境 1.5 课题研究主要内容 1）消失模铸造的工艺：工艺特点、工艺流程、充型过程理论、工艺因素、铸造 缺陷控制及处理、模样材料、涂料等选用； 2）模具设计：零件工艺参数的确定、铸件的结构设计（即模样制作设计） 、消 失模铸造浇注系统的设计、造型技术等； 结合三通管接头件对上述内容进行必要说明，采用二维平面图反映说明该工艺 及选用消失模铸造工艺的优劣势。 太原工业学院毕业设计 6 2.三通管接头工艺技术分析 2.1 三通管接头工艺参数的确定 一、铸件材质的适用性 理论上凡是可以铸造的金属都可以采用消失模铸造法， 而生产实践上，目前用消失模铸造浇注过的铸件材质有普通铸钢、不锈钢、铁镍合 金、普通铸铁、合金铸铁、球墨铸铁、铸铝合金和铸铜等。 二、铸件大小的适用性 从方便操作和现有工艺水平考虑，消失模铸造以浇注 2 顿以下，尤其是 1 顿以下的铸件为宜，壁厚大于 4mm 的铸件。 三、铸件生产批量的适用性 最佳的生产批量必须考虑生产塑料模所需的模具 成本（对不需要模具或模具费用很低的铸件，可以不考虑生产批量问题） ，确保铸件 生产成本不会太高。 四、铸件结构的适用性 特别适合于具有复杂结构（尤其是具有复杂内腔） 、 模样分型困难、造型困难的铸件。消失模铸造为多品种、单件小批量及大批量铸件 生产、为几何形状复杂的中小型铸件提供了新的生产途径。 故而，本设计针对上述几点，选用：a.铸件材质-HT200;b.铸件大小-1 顿以下 (据尺寸结构，三通管接头每件 110kg);c.批量-单件小批量。 2.2 三通管接头的工艺因素确定 2.2.1 消失模铸造的模样材料 模样材料决定了热解产物的类型和数量，从而影响充型流动性。降低模样材料 的密度可提高流动性，但太低会影响模样的强度和表面质量；气化温度和发气量低， 保证有色金属液在浇注过程中能够顺利填充；气化完全、残留物少、毒性低；密度 低、强度和表面刚性好，以使模样在制造、搬运和干砂充填过程中不易损伤，确保 模样尺寸和形状稳定；品种规格齐全，以适应不同材质及结构的铸件和制模需要。 目前用于制造模样的主要有可发性聚苯乙烯（EPS） 、可发性聚甲基丙烯酸甲酯 太原工业学院毕业设计 7 （EPMMA） 、苯乙烯甲基丙烯酸甲酯共聚树脂（STMMA） 。EPS 的优点是易成型加工， 价格低，通常用于铝合金、灰铁及普通碳钢件，但其最大缺点是高温下的热解产物 主要是氢和固体炭，大量的炭渣残存在模样消失后的型腔内，对铸铁件易形成表面 亮碳及夹渣缺陷，易引起潜在的疲劳破坏危险；EPMMA 的弹性恢复率高，能解决铸件 的增碳、皱皮、黑渣等缺陷，已成功用于低碳钢、不锈钢件，但 EPMMA 模样发气量 大、成型温度高、密度较低时刚性小、价格昂贵；STMMA 相比 EPS 具有更卓越的铸造 性能，降低了铸件的碳缺陷、钢铸件的表面增碳缺陷、烟碳、铸件的表面光洁度， 主要用于生产阀门、管件、汽车配件及各种机械配件生产，克服了耐热合金铸铁件 及灰铁件表面粗糙、内部夹渣和气孔缺陷等。针对三通管件表面质量要求和防渗漏、 耐压等特点，参照表 2-1，采用 STMMA 模样材料较合适，其规格及珠粒粒径如表 2- 2、2-3 所示。 表 2.1 消失模铸造专用泡沫珠粒产品的适用范围 品种适 用 范 围 EPS有色金属（铝、铜等）、灰铁及一般钢铸件 STMMA灰铁、球铁、低碳钢、合金钢铸件 EPMMA球铁、可锻铸铁、低碳钢、合金钢、不锈钢铸件等 表 2.2 产品的品种规格 指标EPSSTMMAEPMMA 色泽半透明珠粒半透明的乳白色珠粒乳白色珠粒 表观密度（克/毫升）0.55-0.670.55-0.670.55-0.67 预发泡倍数504540 太原工业学院毕业设计 8 挥发份（%）6.5810 表 2.3 珠粒粒径（毫米） 1# 0.60-0.802# 0.42-0.603# 0.30-0.40 4# 0.25-0.305# 0.21-0.256# 0.18-0.21 2.2.2 涂 料 在消失模铸造生产中，涂料是影响铸件质量的三大因素之一。涂料能增强型砂 抵抗金属液的冲刷和侵蚀能力，防止铸件表面产生机械和化学粘砂，以获得表面光 洁的优质铸件。其主要作用有：提高泡沫塑料模样的刚度和强度。这样能够防止 模样在搬运、填砂紧实过程中破坏或变形。隔离的作用，涂料层是液态金属与干 砂之间的一层重要的隔离介质，如图 5。涂层将金属液与铸型分开，防止金属液渗入 干砂中，保证铸件不产生粘砂，使得表面光洁。同时，也有效的防止干砂流入金属 液与泡沫的间隙中，造成铸件塌箱。涂层厚度一般为 0.52mm 之间。透气的作用。 涂料层能让泡沫塑料热分解产物（大量的气体或液体）顺利地排到干砂中去，然后 被真空泵吸出，有效地防止铸件产生气孔、炭黑等缺陷。 图 2.1 1 干砂 2 涂料 3金属液 4气态产物 5液态产物 6泡沫塑料模样 太原工业学院毕业设计 9 （1） 消失模涂料的基本组成 耐火材料：耐火材料是涂料的骨干材料，它决定材料的耐火度、化学稳定性和 绝热性能。常用耐火材料有刚玉、锆砂、硅砂、铝矾土、高岭土熟料、氧化镁等。 粘结剂 ：可以提高涂料的强度和透气性 。粘结剂大致可分为有机粘结剂和无 机粘结剂。使用最多的有机粘结剂有糖浆、纸浆废液、树脂、聚乙烯醇、羧甲基纤 维素（CMC） 、淀粉、糊精等。常用的无机粘结剂有膨润土、水玻璃、硅溶胶和磷酸 盐等。 载体：一般用水或乙醇。 悬浮剂 ：悬浮剂主要作用是防止涂料中的固体耐火材料发生沉淀，也起到调节 涂料的流变性和改善涂料工艺性能的作用。 此外还在涂料中加入少量的表面活性剂、润湿剂、消泡剂和防腐剂等，使涂料 的性能达到最佳的效果，从而能获得优质的铸件。 （2）涂料层的干燥 模样上好涂料后，涂料层厚度为 0.52mm，然后进行干燥处理。 自然干燥：在阳光充足的条件下，醇基涂料可在 1560min 内自然干燥；水基 涂料一般需要 816h 才能干燥固化。 快速干燥：生产中水基涂料一般采用烘房或干燥炉进行干燥。烘干温度为 4060，烘干时间为 46h，即可使涂层干燥固化。EPS 模样的软化点为 70，所 以干燥温度不能高于 60。在烘干过程中除了严格控制温度外，还应该控制湿度， 湿度不能大于 30。如果能配备良好的通风设备，烘干效果会更好。 烘干设备有鼓 风干燥炉、干燥室，热源可采用电热和暖气供热。 微波干燥：采用 HMZ 系列微波真空干燥炉，可在 30100 范围内快速干燥、 均匀性好、能效比高、最大限度保持物料原有理化特征、占地面积小、无环境污染。 鉴于上述特点，具有一定的透气性、良好的润湿性和黏附性、高温强度好、干 燥速度快、发气量小、良好的涂挂性的涂料最佳，故而结合工业应用，消失模铸造 三通管接头采用专用涂料（20的密度 1.56 3 /g cm ,悬浮能力：24h 后90%，流杯 黏度：17-19s，固体含量：68%-72%，波美度：95-100B） 。 太原工业学院毕业设计 10 2.2.3 浇注温度、真空度 消失模铸造中泡沫塑料模气化时要吸热，使金属液热量减少，加速金属液结晶 凝固，故为了得到组织健全的铸件，必须提高金属液的浇注温度来补偿气化模气化 吸热的热量损失。浇注温度过高会引起砂型涨大，特别是具有复杂砂芯的铸件，当 浇注温度1420时废品增多，浇注温度为 1460时废品达 50。浇注温度一般要 比砂型铸造高 20-50，参照表 2-4，结合零件材质选用 1350-1450。 表 2.4 推荐的浇注温度 铸 件 材 质 浇 注 温 度/ 铸铝件 730-750 铸铜件 1100-1150 铸铁件 1350-1450 铸钢件 1450-1600 负压的作用：用真空物理手段紧实铸型；排气；抑制塑料模材料燃烧， 促使其气化；降低塑料模材料发气量；大大提高砂箱内液态合金的流动性。因 此，真空度是实型铸造最重要、最基本的因素。提高砂箱内的真空度，金属液的穿 透力显著提高，铸件表面查产生针刺、粘砂缺陷的概率也就明显增加；过低的真空 度会造成附壁效应，引起气孔、表面碳缺陷以及粘砂等缺陷，本设计参照表 2-5，浇 注时砂箱内真空度采用 400-500mmHg。 表 2.5 浇注时推荐的真空度范围 铸 件 材 质 砂 箱 内 真 空 度/mmHg 铸铝、铸铜合金 300-400 铸铁、铸钢件 400-500 注：1mmHg=133.322Pa 太原工业学院毕业设计 11 2.2.4 浇注速度 为避免铸造过程中可能出现的缺陷，浇注速度流股细、小，变粗、大，再转细、 小。正确的浇注方法和速度是：采取“慢-快-慢”的方法进行，即浇注开始速度 要慢，随即加快，最后又要慢浇。浇注开始慢浇，是因为此时泡沫塑料气化生成物 与金属液流动方向正好相反，慢速浇注可使这股气体先从直浇口排出，防止金属液 喷溅。当浇注系统得泡沫塑料气化掉，形成一条通道后，要立即转入快浇，使金属 充满浇口杯，封闭住直浇口。这样可使铸型重新处于密封状态，维持在一定的真空 度，顺利地进行浇注。最后为了使混杂在金属液中的气化残渣有充足的时间上浮到 铸件顶部或集渣冒口里，并使气体有全部排出铸型的机会，需要由快浇转入慢浇。 浇注中除了要掌握浇注速度快慢外，还不能断流和金属液大量外溢。这两种情况 都会破坏铸型的真空状态，造成塌箱。 2.2.5 铸件因素 参照下表 2-6，结合消失模铸造工业生产实践，可知： 表 2.6 消失模铸造铸件尺寸公差 单位：mm 铸 件 尺 寸 公 差 25 0.17 25-80 0.25 80-125 0.30 125-175 0.43 175-250 0.003 250 0.002 消失模铸造的铸件表面粗糙度 Ra 值可达 3.2-12.5um；铸件尺寸在铸造过程中只 有很小变化，三通管接头铸件尺寸公差为0.5mm；铸件的脱模斜度很小（约 0.5- 1.0 度）或者为 0 度，此铸件最大脱模斜度为 1；铸件的精度高可达 IT7-IT9 级， 太原工业学院毕业设计 12 比传统砂型铸造提高 1-2 个级别；铸件尺寸公差很小，加工余量最多为 1.5-2mm,可 以大大减少机械加工的费用，和传统砂型铸造方法相比，可以减少 40%-50%的加工时 间。 2.2.6 三通管接头造型时铸沙因素 （1）三通管接头造型时的吃砂量 吃砂量是指模型与砂箱壁、砂箱顶部和底部之间的合理距离。一般没有明确的 值或特殊要求，但不宜太小。这里很难用一个固定的数字或公式来表示，原则是在 保证铸型强度能承受住金属液冲刷和压挤力作用的前提下，吃砂量尽可能小为经济。 如表 2 所示，这里选用吃砂量为 150-300mm 之间。 表 2.7 推荐吃砂量 铸件、 材质 吃砂量/mm铸件 材质 吃砂量/mm铸件 材质 吃砂量/mm 铸钢件150-250铸铝、 铸铜件 100-150铸铁件150-250 （2）三通管接头造型时的填砂、振动紧实 填充的干砂温度不能高于 50，特别是经过使用后的干砂，必须经过冷却处理， 与新砂混合后才能使用。泡沫塑料模样放入砂箱前，需在砂箱底部预先放入一层底 砂，经振实、挂平，其厚度一般为 100mm 左右，再将上好涂料的模样组（带有浇、 冒口）放在上面，边填砂，边紧实。干砂的充填和紧实过程必须保证干砂能充填到 模型内部的空腔，并具有足够高的紧实密度，在浇注过程中起支撑作用。 我们介绍常用的一种造型方法（两种方法之一）。其工序包括如下工序：砂床 制备放置 EPS 模型填砂密封定型 砂床制备 将带有抽气室的砂箱放在振动台上，并卡紧。底部放入一定厚度的底砂（一般 砂床厚度在 50100mm 以上），振动紧实。 太原工业学院毕业设计 13 型砂为无粘结剂、无填加物、不含水的干石英砂。黑色金属温度高，可选用较 粗的砂，铝合金采用较细砂子。型砂经处理后要反复使用。砂箱为单面开口、设有 抽气室或抽气管、起吊或行走机构的砂箱。 放置 EPS 模型 振实后，其上据工艺要求放置 EPS 模型组，并培砂固定。 填砂 加入干砂（几种加砂方法），同时施以振动（X、Y、Z 三个方向）， 时间一般为 3060 秒，使型砂充满模型的各个部位，且使型砂的堆积密度增加。 密封定型 砂箱表面用塑料薄膜密封，用真空泵将砂箱内抽成一定真空， 靠大气压力与铸型内压力之差将砂粒“粘结”在一起，维持铸型浇注过程不崩散， 称之为“负压定型。较为常用。 2.3 消失模铸造三通管接头 消失模铸造的标准系统：控制系统、造型系统、负压系统、白模成型系统、 振实系统、砂处理系统、涂料配置、涂挂、干燥系统等。 2.3.1 消失模铸造生产原理及工艺特点 该法按 EPC 工艺先制成泡塑模型（手工、机械） ，涂挂特制涂料，干燥后，置于 特制砂箱中，填入干砂，振动紧实，吸真空状态下浇铸，模型气化消失，金属液置 换模型，复制出与泡塑模型一样的铸件。消失模铸造工艺集实型铸造、V 法铸造工 艺的优点为一体，其主要特点有：铸件尺寸形状精确，重复性好，具有精密铸造的 特点；铸件的表面光洁度高；取消了砂芯和制芯工部，消除了由于制芯、下芯造成 的铸造缺陷和废品；不合箱、不取模，大大简化了造型工艺，消除了因取模、合箱 引起的铸造缺陷和废品；采用无粘结剂、无水分、无任何添加物的干砂造型，根除 了由于水分、添加物和粘结剂引起的各种铸造缺陷和废品；大大简化了砂处理系统， 型砂可全部重复使用，取消了型砂制备工部和废砂处理工部；落砂极其容易，大大 降低了落砂的工作量和劳动强度；铸件无飞边毛刺，使清理打磨工作量减少 50%以 上；可在理想位置设置合理形状的浇冒口，不受分型、取模等传统因素的制约，减 少了铸件的内部缺陷；负压浇注，更有利于液体金属的充型和补缩，提高了铸件的 组织致密度；组合浇注，一箱多件，大大提高了铸件的工艺出品率和生产效率；降 低了机加工成本；易于实现机械化自动流水线生产，生产线弹性大，可在一条生产 太原工业学院毕业设计 14 线上实现不同合金、不同形状、不同大小铸件的生产；基本没有或很小的拔模斜度； 使用的金属模具寿命可达 10 万次以上，降低了模具的维护费用；减少了粉尘、烟尘 和噪音污染，大大改善了铸造工人的劳动环境，降低了劳动强度；简化了工艺操作， 对工人的技术熟练程度要求大大降低；零件的形状不受传统的铸造工艺的限制，解 放了机械设计工作者，使其根据零件的使用性能，可以自由地设计最理想的铸件形 状；可减轻铸件重量；消失模铸造工艺应用广泛，不仅适用于铸钢、铸铁，更适用 于铸铜、铸铝等；消失模铸造工艺不仅适用于几何形状简单的铸件，更适合于普通 铸造难以下手的多开边、多芯子、几何形状复杂的铸件；消失模铸造工艺可以实现 微震状态下浇注，促进特殊要求的金相组织的 形成，有利于提高铸件的内在质量； 在干砂中组合浇注，脱砂容易，温度同步，因此可以利用余热进行热处理。特别是 高锰钢铸件的水刃处理和耐热铸钢件的固溶处理，效果非常理想，能够节约大量能 源，缩短了加工周期；利用消失模铸造工艺，可以根据熔化能力，完成任意大小的 铸件。 2.3.2 消失模铸造生产工艺流程 消失模流程的主要工部有熔化工部、制模工部、模型组合及涂层烘干工部、造 型浇注工部和落砂清理工部。具体工艺流程如下图 2-1 所示。 太原工业学院毕业设计 15 STMMA 原 始 珠 粒 复 验 预 发 泡 熟 化 模 具 成 型 模 型 干 燥 STMMA 模 型 检 查 模 型 组 合 涂 覆 涂 料 烘 干 埋 箱 造 型 冷 却 负 压 浇 注 落 砂 铸件 清 理 铸件检查 混 制 配 料 复 验 涂料 原材料 成分、温度 检验 熔炼 配料 复 验 金属成分 筛分 型砂 冷却 复验 浇冒口 图 2.2 消失模铸造的工艺流程 太原工业学院毕业设计 16 2.3.3 消失模铸造技术及生产设备 （1）白区 泡沫模样的成形加工及组装部分 制模工部：预发机、蒸缸、成型机、模型干燥室等。 模型组合及涂料烘干工部：涂料混制滚筒、模型烘干设备等。 （2）黑区 造型、浇注、清理及型砂处理部分 造型浇注工部：造型振实台、真空系统、砂处理系统、砂箱、雨淋加砂装置、 砂箱运输系统等。 （3）黄区 涂料的制备及模样上涂料、烘干部分。 2.3.4 消失模铸造三通管接头砂箱内铸件的布置 如图 2-2 所示，为三通管接头铸件的轮廓尺寸（单位：mm） 。结合该尺寸及消 失模铸造生产实践中砂箱的尺寸，粗略确定，采用每箱 8 件。同时，由，VgG 为 STMMA 模样的密度，为三通管铸件的大致尺寸，故大致确定三通管接头泡沫V 模样每件约为 8kg。 图 2.3 三通管接头轮廓尺寸 太原工业学院毕业设计 17 2.3.5 消失模铸造三通管接头缺陷及控制措施 金属液的浇注温度为了分解、裂解 STMMA 模料而提高 70-100不等，模型表面 涂挂涂料种类、型砂类型进而使铸型紧实度的差异，对灰铸铁件性能影响不同。对 灰铸铁三通管件，产生的主要缺陷如下图 2-3 所示。 图 2.4 消失模铸造缺陷图例 图 a 皱皮 图 b 气孔 太原工业学院毕业设计 18 图 c 粘砂 图 d 节瘤 (1)表面皱皮（积碳） 铸件表面厚薄不同的皱纹，即皱皮。铸件表面常呈 轻质发亮的碳薄片（光亮碳膜） ，深凹沟陷处充满烟黑、炭黑等。这种缺陷往往在铸 铁液最后流到或液流的“冷端”部分，对此次设计的三通管接头往往呈现在侧面或 铸件的死角部位，这与浇注系统工艺（顶注、底注、侧注、阶梯注）有关。如上图 a 产生原因 当 1350-1420灰铸铁液注入型内时，STMMA 料模急剧分解，在 模样与铁液间形成空隙，料模热解形成一次气相（主要由 CO、二氧化碳、氢气、甲 烷和分子量较小苯乙烯以及它们的衍生物组成） 、液相（由苯甲烯、乙烯和玻璃态聚 苯乙烯等液态羟基组成）和固相(主要由聚苯乙烯热解形成的光亮碳和焦油状残留物 组成)。因固相中的光亮碳与气相、液相形成熔胶黏着物，液相也会以一定速度分解 形成二次气相和固相。液态中的二聚物、三聚物及存在再聚合物，这当中往往会出 现一种黏稠的沥青状液体，这种液体分解物残留在涂层内侧，一部分被涂层吸收， 太原工业学院毕业设计 19 一部分在铸件与涂层之间形成薄膜，这层薄膜在还原（CO）气氛下形成了细片状或 皮屑状、波纹状的结晶残碳即光亮碳，此种密度较低（疏松）的光亮碳与铁水的润 湿性很差，因此在铸件表面形成碳沉积（皱皮） 。 防止措施 设计合理的浇冒口系统，保证铁液流动时平稳、平衡、迅速地 充满铸型，以保证泡沫塑料残渣和气体逸出型腔外或被吸排入涂层和干砂空隙中， 尽量减少浇注过程中铁液流热量的损耗，以利于加速模料气化；提高浇注温度和浇 注速度来实践以实践铁液有充分热量以保证模料气化，减少其分解物中的固相、液 相及玻璃态成分以出现皱皮；合理地控制负压度，以利于模样分解；提高涂层的透 气性，选用相应的涂料；降低铸铁碳当量，减少自由碳数量，配料时尽量按标准化 学成分下限熔炼铁水，等等。 (2)反 喷 浇注过程中浇到一定时候发生的喷火、喷金属液的现象。 产生原因 气化模 STMMA 模样，浇注时在高温金属液的作用下要产生热相变 效应，如热变形、熔融、解聚、裂解、极度裂解、气化燃烧、急剧裂解等，随着高 温金属液与模样接触产生热解产物，在高温和一定气压条件下裂解生成很多气体产 物，致使发气量过大来不及排气而造成反喷。 防止措施 充分干燥模样，减少含气量（水分） ，发气量；增加涂料透气性， 调整涂层厚度（0.5-1.0mm 为宜）以使模样裂解后气体及时逸出；控制浇注温度和浇 注速度以金属液的热量来保证模样气化，同时在模样 800-1200大量生产气体时的 温度范围要控制浇注速度，以免浇注速度过快，促使裂解气体大量迸发，但又没有 及时吸排而发生反喷、喷发、爆喷，影响安全，收包时在加冒口处再补浇；设计合 理的浇冒口系统，应设置出气、集渣冒口或加大切除量而集中去除模样裂解残余物。 (3)气 孔 消失模裂解气体进入铸件而产生气孔。如上图 b。形成原因： 产生的气体来不及从金属中排出而在铸件中形成气孔。防止措施：改进工艺，使浇 注充型过程中逐层置换，不出现紊流，提高浇注温度，提高负压度（如果产生紊流 引起产生气孔，可降低负压度） ；提高涂层和型砂透气性。 模样、涂料层干燥不良引起气孔，该气孔属于侵入性气孔。防止措施:模型 必须要干燥，涂层必须干透。 模样黏结剂过多，采用黏结剂发气量过大使浇注成型时局部产生大量气体不 能及时排出，铸件内产生气孔。防止措施：选用低发气的模型黏结剂；在保证黏牢 太原工业学院毕业设计 20 前提下，用黏结剂量越少越好。 浇注时卷入空气形成气孔。防止措施：采用封闭式浇注系统，浇注时，保 持浇口杯内有一定量的金属液，以保证直浇道处于充满状态。 (4)铸件尺寸超差、变形 防止措施：合理控制泡沫塑料模（适当提高发泡成型模 具质量，控制模料和制模工艺的影响） 、造型（采用合理的振动频率及振幅、涂层厚 度等）及浇注过程等。 (5)塌 箱 在浇注过程中或凝固过程中铸型一部分或局部塌陷、溃型使铸件不能 成型（一团块）或局部多肉称塌型或铸型溃散（型腔被充塞塌陷） 。 产生原因 1）金属液产生的浮力过大，会使铸型上部型砂难以维持原来的 形状，产生局部溃散、溃塌；铸型顶部吃干砂量小，负压度不够，致使铸件不能成 型或成型不良。液态金属充型时上升速度过快、过慢或停顿，使模样与金属液前沿 间隙过大，铸型内气压和砂型压力总和叠加大于间隙内气压，造成铸型移动或坍塌 使铸件成形不良。2）铸型内气体压力过大，模样有空洞或强度不足。浇注时模样分 解产生的气体量过多、过急、迅猛，铸型排气速度慢来不及，真空泵吸气又不足， 导致铸型溃散、塌坍铸件不能成合格品。在模样被金属液置换过程中，如模样分解 的气体排出困难滞留，金属液补给不及时，使模样-金属液的间隙加大，或形成空洞。 往往在浇注高温金属液，无负压或低负压时容易发生这种缺陷。3）金属液内流和冲 击。浇注过程中，部分已流入充填模样位置的金属液受到作用后又改流到其他部位， 使原来置换出的位置无金属液或金属充填占据，导致局部铸型溃散、坍塌，即金属 液“闪流”造成的塌型。4）涂料的耐火度、高温强度不够，当金属液置换模样而充 填型腔后局部铸型即会溃散坍塌。 防止措施 1）防止液体金属浮力造成的上部（顶部）铸型溃散、坍塌， 增加顶面的吃砂量或在铸型顶部（砂箱上面）放置压铁；2)采用较粗的砂粒造型， 型砂目数宜单一，以增加铸型的透气性。浇注后的型砂必须进行处理，达到造型要 求的目数才可使用；3）选用低密度的模料制模样，及减少发气量的措施；4）选择 合理的真空度，与浇注速度加以配合；5）浇注系统设计选用要合理，直浇道面积与 内浇道面积要适宜，要保证充型速度合理，内浇道不能太小；金属液上升速度平稳 合理，避免在充型过程中产生紊流或在局部停留。总之，应保证金属液充型流畅， 不产生闪流，直浇道不要与铸件靠得太近，必须要有一定长度（视铸件而定） 。6） 金属液流冲刷厉害处可使用陶瓷做浇道或局部采用耐火管或自硬水玻璃砂，自硬树 太原工业学院毕业设计 21 脂砂加固。7）采用合理的浇注工艺、适当的浇注温度，适当控制浇注速度：浇注时 流股必须连续，切勿停歇，中断。 (6)粘 砂 它是消失模铸造常见的缺陷之一。铸件部分或整个表面上夹持着有很 难清理的型砂。机械粘砂易出现在铸件的转角处，浇注铸件的过热处易形成化学粘 砂（较机械粘砂更难清理） 。金属液渗入型砂中形成金属与型砂的机械混合物（称金 属包砂） 。如图 c。 产生原因 1）消失模铸造产生粘砂基本上属机械粘砂，夹持型砂砂粒的金 属，涂层脱落或开裂，金属液通过涂层破裂，剥落处渗入型砂的干砂空隙中，将干 砂夹持凝固在铸件表面上。涂层较薄时金属液渗透过涂层而与砂型干砂粘接而凝固 在表面上。造成涂料层脱落和开裂可能是与模样粘结不牢或在操作过程中涂料层已 脱落或造型时的局部型砂或干砂没有得到紧实，浇注时金属液压力下和模样分解产 物压力下局部涂层向外股胀及开裂，形成裂缝而粘砂，其裂缝极易出现在铸件拐角 处。2）浇注时负压度很大，粘砂严重时易出现金属液穿透过涂层渗入型砂而粘砂。 防止措施 造型紧实力不可过大，以免破坏涂层。合理选用振动参数：频率、 振幅、振动时间、振动加速度等。振实时局部可用自硬砂耐火件预埋。控制负压度 在 26.7-53.3kPa，浇注温度 1420-1470左右。 (7)节瘤、针刺 如上图 d 所示，在光洁的铸件表面上出现一些形状不规则的凸 出部分有如瘤子、针刺的铸造缺陷。铸型受金属液压力作用引起的涂层破裂，金属 液穿透与型砂熔结在一起形成的节瘤。同时模具表面的缺陷形成铸件表面金属凸出 物。 防止措施：提高铸型的紧实度及均匀性，消除铸件结构死角，改善模具表面质 量，等等。 (8)消失模铸造炭黑 铸件表面和局部出现积碳、炭黑、黑渣状夹杂物。 产生原因：白模受高温金属液热解后形成一部分残液和液相产物，不能及时 排出残留在铸件局部表面和内部，形成消失模独有的柏油（沥青）状焦化（炭化） 后的黑色团状的炭黑（分布开来易成皱皮） 。受浇注温度和浇注系统及浇注工艺、涂 料、白模材料 C/H 质量比及原子数比等影响。 防止措施 在采用 STMMA 模样的前提下，提高浇注温度，保证砂型紧实度、 透气性、真空泵抽气（负压度）相宜。 另外，还有消失模铸件白斑、白点、夹砂、冷隔等缺陷。 太原工业学院毕业设计 22 值得一提的是，原材料灰铸铁晶核形成过程中的白口缺陷典型的防止方法- -孕育处理。生产优质铸件，控制铸铁凝固时形成的石墨的形态和基体金属组织是 至关重要的。孕育处理是生产工艺中最重要的环节之一。良好的孕育处理可使灰铸 铁具有符合要求的显微组织，从而消除或减轻白口倾向； 避免出现过冷组织； 减 轻铸铁件的壁厚敏感性，使铸件薄、厚截面处显微组织的差别小，硬度差别也小； 有利于共晶团生核，使共晶团数增多；使铸铁中石墨的形态主要是细小而且均匀分 布的 A 型石墨（如下图 5 所示） ，从而改善铸铁的力学性能。 图 2.5 灰铸铁 A 型石墨特征金相图 注：A 型石墨是在铸铁的石墨生核能力较强、冷却速率较低、在过冷度很小的条 件下发生共晶转变时形成的。在光学显微镜下观察时，石墨呈均匀分布的弯曲片状， 无方向性，其长度则因铸铁的生核条件和冷却速率而不同。高品质的结构铸件，都 希望其具有中等长度的 A 型石墨。 目前，用于处理灰铸铁的孕育剂品种繁多，但广泛应用的还是 75 硅铁。对此 次设计的三通管接头这一薄壁铸件，对孕育处理的要求也更为严格，在铸铁碳当量 较低的情况下，采用含锶、钡、铋、锆或某种稀土元