（机械工程专业论文）呋喃树脂砂生产ybl220压印机身铸件的铸造技术研究.pdf

工程硕l 学位论文 i i l l i i i l l l l l | 1 l l i l l l l l l l l 洲l l l l l 舳 y 1918 7 6 0 呋喃树脂砂生产y b l 2 2 0j k 印机身铸件的铸造技术研究 摘要 本文从呋喃树脂砂研究、铸造工艺方案选定、铸造c a e 技术的运用入手，全面 分析研究了大型球墨铸铁y b l 2 2 0 造币压印机身整铸体的工艺性和生产可行性。通过 对铸造工艺方案的分析、工艺设计、模具设计、工装设计、参数选择、铸造c a e 技 术的验证、铁水熔炼等手段，运用先进的理论知识，创立出一整套造币压印机身整铸 机体生产工艺，成功研制出大型球墨铸铁y b l 2 2 0 造币压印机机身铸件。目前该类大 型造币压印机机身铸件闷内只有我公司一家生产，到2 0 l o 年6 月底，该机身金加工 已基本结束。结果表明，自主工艺设计和乍产的机身铸件完全满足设计要求，铸件尺 寸精度达到l o 级；铸件材质达到闲标q t 4 0 0 牌号机械性能要求，材质组织均匀，加 工切削性能优良；铸件无任何砂眼、缩孔、缩松、裂纹缺陷；铸件非加工表面必须平 整、光滑，铸件整体粗糙度达到r a 2 5 以上。而且尺寸公差达到g b 6 4 1 4 8 6 中的c t s 以上，重量差远高于g b t 1 1 3 5 1 8 9 中的m t s 级。 关键词：呋喃树脂砂，铸造工艺，铸造c a e 技术，球墨铸铁，铁水熔炼 a b s 廿铆c t 警硕l 学位论文 a b s t r a c t b a s e do na n a l y s i n gt h e 印p l i c 撕o no f 向啪r e s i n s a i l d ，c a s t i n gp r o c e s sp a r 锄e t e r 孤d c a eo fc a s t i l l gt e c h n o l o g y ，t h em a n u f i 犯t i l r a b i l 时a n dp r o d u c t i o nf e a s i b i l i t yo fl a r g e d u 嘶l ei r o nc a s t i n g - y b l 2 2 0 b o d yw 嬲m u l t i a n a l y s i s e d ne s t a b l i s h e daw h o l es e to f p r o d u c t i o np r o c e s sf o rt h eb o d yo fm i n te m b o s s i n gp r e s sb yu s i n ga d v 锄c e dt h e o r 丽c a l k n o w l e d g ea l l di n d i v i d u a lr e s e a r c ho np r o c e s sd e s i g n ，m o u l dd e s i g n ，t o o l i n gd e s i g n ，s e 鲫c h p a r a mc t i e r s ，v e r i f i c a t i o no fc a eo fc a u s t i l 培t e c l l n o l o g ya i l dm e l t i n g a c c o r d i n gt ot h e p r o d l i c t i o np r o c e s s ，n a i lj i n gm i n tc o r p o r a _ t i o ns u c c e s s m l l yp r o d u c e st h el a r g ed u c t i l e 的nc a s t i n 争y b l 2 2 0 b o d y i nc h i n 巩t h el 【i n do fc a s 缸gj u s tc a nb ep r o d u c c di n0 1 1 r c o m p a i l yb yt h ee n do fj u n e2 0 l0 ，m em e t a l w o r k i n go fm a i nb o d yh a sb e e nb a s i c a l l y r c i a l i z c d 1 l h er e s u l t ss h o wt h a tm ey b l 2 2 0 b o d yp r o d u c e d 诵m 孤l t o n o m o u sp r o c e s s d e s i 弘c o m p l e t e l yc o m e su pt 0d e s i 弘似l u i r e m e n tf o rh i g l ld i m e i l s i o n a la c c u r a c yw h i c h i su pt 01 0d e 黟e e t h em a t i 。r i a lq u a l i t yo fc a s t i n gc 0 m e su pt oq t 4 0 0a n dh 弱 h o m o g e n c o u si n 嘶o rt i s s u ea n dg o o dc 嘣n gp 刮f o m a i l c e a n yd e f e c ts u c h 嬲s a i l d e x p l o s i o n ，c o 删o nc a v i t i e s ，s h r i n k a g ep o r o s i t ya l l dc r a c kh a sn o tb e e nf o l l i l d e di nt h e c a s t i n g r o u g h n e s s i sa b o v er a 2 5s o u n _ m a c ：i l i n i n g s 蚓f a c ei se v e na n d s m 0 0 m ，d i l n e s i o n a i lt o l e r a n c ei sa b o v eg t si ng b 6 4 1 4 8 6 ，g e w i c h t sd i 脑e n zi sa b o v e m t si ng b t 】1 3 5 】一8 9 k 沁yw o r d ：f l l r 孤r e s i n - s a i l d ，c a s t i n gp r o c e s sp 猢e t d u c t i l em nc a eo fc 鹪t 缸g t e c h n o l o g ym e l t i i 玛 i i 工稃硕上= 学位论文呋喃树脂砂生产y b l 2 2 0 瓜印机身铸件的铸造技术研究 1 绪论 1 1 本课题的研究背景和意义 y b l 2 2 0 压印机是我公司新研制机理，是为将来大面值硬币生产做技术储备， 很可能成为公司未来的拳头产品，因此作为该机最关键部件机身铸件生产研制非常关 键，为了保证该铸件质量，我车间立足于目前生产条件，自主研制生产该铸件，第一 保证提供优质样机铸件，第二缩短样机的生产周期，第三也为将来的批量投产做好技 术准备。机身是该机最主要的零件，机身铸件质量的优劣直接影响整机的性能和使用 寿命。技术要求不得有缩孔、缩松、裂纹、气孔等铸造缺陷。材质：q t 4 0 0 ，为主体 箱形结构，并从箱体伸出二个立柱和冲头。外形尺寸为1 9 4 0 m m 1 1 2 0 m m 2 4 0 7 m m ， 浇注重量为6 5 吨。 1 1 1y b l 2 2 0 压印机机身铸件研制的主要目的 铸件是印钞造币机械的基础，铸件质量的高低直接关系到整机的质量，2 2 0 压 印机机身铸件的研制关系到2 2 0 压印机项目是否能按期完成。为了确保2 2 0 压印机 项目按期顺利完成，必须立足自我研制出2 2 0 压印机机身铸件。 该铸件研制出来的好处：一配合2 2 0 压印机项目顺利实施，二提高我厂生产复 杂铸件的能力，三为我厂生产研究印钞造币机械作技术储备，四为将来该型机的批 量生产做好技术和物质上的准备，五降低批量生产时的生产成本。 1 1 2 主要技术经济指标 ( 1 ) 铸件尺寸精度达到l o 级，加工切削性能优良； ( 2 ) 铸件材质达到国标q t 4 0 0 牌号机械性能要求，材质组织均匀，人工时效 处理后硬度小于h b l 9 7 ，加工切削性能优良； ( 3 ) 铸件不得有集中的砂眼，关键部位不得有缩孔、缩松、砂眼缺陷，铸件 整体不得有裂纹缺陷； ( 4 ) 铸件非加工表面必须平整、光滑，飞边、毛刺清除干净，铸件整体粗糙 度达到r a 2 5 以上。 1 1 3 主要解决的技术问题和难点 ( 1 )组芯造型所带来铸件尺寸精度不高问题。2 2 0 机身的外形尺寸达到 1 9 4 0 1 1 2 0 2 4 0 7 ，非常大。2 2 0 机身由三十来只泥芯组成，这就给控制砂型尺寸精 l 绪论i 程硕l 学位论文 度带来很大困难，铸件一般只能达到1 1 级。要采取各种工艺措施来控制木模芯盒 尺寸精度、砂箱装配精度、下芯精度等来克服由于铸件尺、f 较大、手工造型尺寸精 度差的难题。 ( 2 ) 铸件局部厚犬部位极易产生缩孔、缩松缺陷。机身结构复杂，壁厚严重 不均，而且还在铸件的中心部位，造成铸件在冷却过程中补缩特别困难。 ( 3 ) 厚大部位组织粗大，机械强度下降。机身铸件立柱、冲头和后轴孔部位 壁厚较厚，特别是立柱部分冷却条件很差，造成铸件高温条件停留时间过长，容易 造成铸件厚大部位组织粗大，导致机械强度不达标。 ( 4 ) 防止铸件产生裂纹。2 2 0 机身铸件结构复杂，外形尺寸又特别大，冷却 过程在线收缩量大；另外壁厚又严重不均，厚处达4 0 0 m m 而壁薄处仪2 0 m m 左右， 且壁簿处集中在底板处，在铸件冷却过程中由于会受到砂型阻碍，得不到自由收缩， 同时又由于厚薄悬殊太大，温度场的温度梯度较大，在同一时间内铸件各部位收缩 量不一致，造成铸件内应力较大，容易导致铸件变形，甚至会产生裂纹，严重时可 能导致机身铸件的批量报废。 ( 5 ) 铸件形状很复杂，铁水在型腔内部流动较为紊乱，容易把型腔内浮砂、 铁水中渣子、空气等卷到铁水中间，不易聚集上浮，且由于外形尺寸大，夹杂物上 浮距离又很大，致使铸件易产生夹砂、夹渣及气孔等铸造缺陷。 ( 6 ) 铸件外形尺寸大，形状复杂，局部厚大，并且在浇注位置上铁水压力头 很大，在高温铁水的烘烤下容易导致铸件产生机械或化学粘砂。 ( 7 ) 压印机为立式，铸件浇注时铁液的压力头太大，极有可能导致砂箱钢度 不足变形，在浇注位置下方铸件部分尺寸变大，严莺时会导致机身铸件的报废。 1 1 4 研究工作内容及时间安排 第一阶段：2 0 0 9 年三季度完成铸造工艺的调研、工艺的设计和论证、专用砂箱设 计阶段； 第二阶段：2 0 0 9 年四季度完成机身木模制作和专用砂箱的生产； 第三阶段：2 0 1 0 年一季度完成最终完成机身铸件的铸造、退火，机身铸件的外形 尺寸及机械性能检测并交付金工加工； 第四阶段：2 0 l o 年二季度完成机身机身铸件各项检测并最终提交项目验收报告。 1 2 自硬呋喃树脂砂的发展概况 1 9 4 0 年第二次世界大战期间，德阉的j o h 籼e sc 砌a d o l p hc r o n i n g 博士开发出 用酚醛树脂作粘接剂的壳型铸造工艺，并于1 9 4 4 年2 月获得专利权。在1 9 4 7 年被审 2 _ l 程硕学位论文 呋喃树脂砂生产y b l 2 2 0 球印机身铸件的铸造技术研究 查者发现，并作为战利品加以公开，为铸造业提供了一种划时代的新型造型工艺。5 0 年代后期，欧洲开始采用酸固化吠喃树脂自硬砂，美国大约在1 9 5 8 年开始采用酸固 化酚醛树脂自硬砂和酸固化吠喃树脂自硬砂。在1 9 6 0 年前后，为了适应汽车工业的 高速发展，在欧洲、北美洲开始采用吠喃树脂热芯盒制芯法。约在1 9 6 2 年，美国又 开始采用酚醛树脂热芯盒法制：芯。热芯盒法和油砂制芯法相比，不仪能提高砂芯的尺 寸精度，而且可以缩短制芯周期。到1 9 6 5 年，在自硬砂生产应用方面出现了由美国 a s h l 锄d 油脂化学公司开发的用于铸造的新型树脂品种一醇酸油尿烷自硬树脂，该法 称为l i n o c u r e 法。为了达到象热芯盒制j 签那样快速制芯，而又不必对芯盒加热，1 9 6 8 年a s l l l 锄d 油脂化学公司又向铸造业推出了吹胺硬化的酚醛尿烷胺冷芯盒法，国外 称工s o c u r c 法或称酚醛尿烷冷芯盒法，我国称三乙胺法，芯砂只需吹几秒钟的气雾 胺，就可使砂芯在室温下硬化。随后在铸造生产中又出现了5 0 2 法、温芯盒法、红硬 法、酉旨硬化法等各种树脂砂工艺的成型方法1 。自从合成树脂在铸造行业中应用以 来，其发展速度远远超过了铸造生产中使用的任何粘结剂，在当时铸造用的树脂粘结 剂大约有2 0 多种，因成本和技术问题，丰要是用于中小砂芯的生产，到了7 0 年代 初，以吠喃树脂自硬砂为代表的树脂砂异军突起，引起世界各国铸造业的普遍重视， 因此从造璎材料、铸造工艺和设备等方面均有不同程度发展，引起了造型、制芯方法 的重大变革，在欧美，7 旺8 0 年代是自硬呋喃砂取得飞跃发展的时期。在日本将自 硬呋喃砂用于生产一般铸件是从1 9 7 3 年开始的，约十年左右，全国多品种小批鼍的 中、大铸件生产中有一大半过渡到用自硬呋喃铸型来生产。这种发展趋势至今方兴未 艾，尽管其他有机自硬铸型开发了更多种类，然而现在占首位的仍然足自硬呋喃树脂 砂。与传统的粘土砂相比，树脂自硬砂能够显著提高铸件的表面质量和尺寸精度，降 低铸件废品率 在我国，七十年代开始研究自硬树脂砂，但仅限于个别厂家和研究单位搞试验。 从八十年代初，尤其是1 9 8 2 年以后，随着改革开放政策的贯彻，我国与国外合作生 产的工厂增多，不少合作生产的外国厂家都对铸件生产提出来用自硬树脂砂的要求， 否则无法合作。对国内来说，以出口产品为主，对铸件质鼍的要求也越来越高。于是 在这种社会生产发展的新形势下，在国外树脂砂热的推动下，迫使我国广大铸造工作 者们认识到应用自硬树脂砂是造型工艺上的一场革命，是提高铸件和机械产品质量的 重要途径，是振兴铸造行业改变后面貌的必由之路，是机械产品跃入国际市场的基本 保证。因此八十年代我闲铸造生产战线上形成了“树脂砂热”。由于自硬树脂砂最适 合于多品种小批量的中大铸件生产，所以机床行业、水泵行业、阀门行业和造船、石 化等行业在树脂砂推广应用中走在最前面。迄今为止，据不完全统计，我国已引进树 脂砂处理生产线不下五十家，国内有三大铸机厂( 重庆、保定、漯河) 已正式生产成 3 l 绪论i 程硕l 学位论文 套树脂砂设备。另外，生产原辅助材料的厂家遍布各省，原辅助材料的质量进步很快， 有些已接近或达到国外同类产品的水平。事实表明用树脂砂工艺取代粘上烘模砂牛产 多种小批量中大铸件是今后国内铸造业界的发展方向之一。 我公司在2 0 0 6 年开始对铸造车间原有的冲天炉熔炼、粘上砂造型设备和工艺进 行技术改造，代替以中频感应电炉熔炼、呋喃树脂自硬砂造型设备和工艺，并于2 0 0 7 年2 月份工艺贯通。尽管树脂砂工艺在国内应用较广泛，理论上亦形成较完善的体系， 很有借鉴意义。但各地的气候等条件不同对树脂砂的性能有所影响，更重要的是，各 厂的铸件大小、形状、结构等品种不同，决定了无法照搬照抄工艺方案，前期我们理 论结合实际对这方面做了些研究。 1 3 铸造c a e 技术原理 1 3 1 国内外发展趋势 铸造工艺设计是铸造乍产的核心技术环节。铸造生产是一种材料通过“固态一 液态一固态”的转变，一次性成型来完成产品生产的工艺过程。材料这种通过状态的改 变而成裂的特殊性给铸造工艺设计带来了极大的困难，导致铸造工艺存在从设计到生 产的周期长、修改次数多、设计缺少科学性等诸多问题。而计算机c a e 技术的迅速发 展使得解决这蝗长期阻碍铸造生产发展的问题成为现实。铸造c a e 技术足采用计算机 及相关软件对铸件的充型和凝固过程进行模拟旧，并对得到的数据进行处理分析，以预 测缺陷，优化工艺。 铸造工艺历史悠久，但长期以来只是一种手工艺经验积累，近代逐渐成为工程技 术，但仍缺乏完整的科学体系盯。对于液态金属进入型腔后的状态变化陷情况对广大 铸造工作者来说，还带有很大的盲目性。如何把它们计算和描述，改变以往“合箱定 论”、铸件废品率高以及工艺设计主要靠经验的情况，这足充型凝固过程数值模拟的 主要任务。 铸件充型凝固过程计算机模拟仿真己经成为学科发展的前沿领域，它可以帮助工 作人员在实际铸造前对铸件可能出现的各种缺陷及其大小、部位及发乍的时间予以有 效的预测，以便在浇注前采取对策，确保铸件的质量，缩短试制周期，降低生产成本。 铸造c a e 研究与开发起步于6 0 年代，据统计，国外已投入的研究与开发费用达数千 万美元。经过几十年的努力，由于在以下三方面取得了重要突破，铸件充氆凝固过程 计算机模拟仿真在工程上的应用才变为可能与现实。 具有能处理三维复杂形体的图形功能。 4 工程硕t 学位论文呋喃树脂砂生产y b l 2 2 0 ，f 、印机身铸件的铸造技术研究 硬件及软件费用大幅度下降，铸造工厂能够接受。 计算机操作系统及软件对用户友好( u s e r 衔e n d l y ) ，一般铸造工程技术人员稍加培 训就可独立操作运行。 用计算机信息技术改造及带动传统铸造行业的发展是铸造技术的重要发展趋势。 铸造工艺计算机辅助设计及铸造过程计算机模拟仿真( 简称铸造c a d c a e ) 涉及计算 机辅助绘图、计算机辅助工艺与工装设计及充型凝固过程模拟仿真等三部分内容。 但是，国外的基础研究及商品化软件的开发主要集中在充型凝固过程模拟分析方面， 不仅是因为这部分的基础理论深、技术含量高，而且也因其内容通用性强，可以用在 不同合金、不同形状、不同工艺的铸件，因而有利于软件的通用化、商品化及推广应 用。铸件充型凝固过程计算机模拟仿真研究的重点正在由宏观模拟走向微观模拟。另 外，质量控制模拟正在向微观组织模拟、性能及使用寿命预测的方向发展。美国等西 方发达国家已经大量采用计算机模拟仿真方法来研究开发飞机、导弹、汽车航空及汽 车发动机等的设计、成形加工及制造。据报道，采用计算机模拟技术- h 丁以缩短产品试 制周期4 0 ，降低牛产成本3 0 及提高材料利用率2 5 。专家预言，在今后l o 年铸 造c a e 技术将是提高铸造业水平最关键的技术之一【9 】。深入开展该领域的研究、开 发和应用，对改变我国铸造业落后面貌，推动铸造生产现代化，增强国产铸件产品在 世界市场的竞争能力，具有十分重要的意义。 第一个铸造c a e 商品化软件于1 9 8 9 年在德国国际铸造博览会这展出，以温度场 分析为核心内容，在工作站上运行。9 0 年代以来，铸造以e 商品化软件功能逐渐增 加，多数软件都增加了流场分析功能，但重要部在工作站上运行( m a m g a 等) 。铸件 充型凝固过程的数值模拟及缩松、缩孔预测、应力分析、微观组织模拟等方面的研究 及实用化进程，在国内外部取得了进展。我们困内虽然起步较晚，但进展迅速，目前 国内开发的商品化软件的部分功能己与国外软件相当，可以满足铸造工厂的一般需 要。国内外铸造c a e 商品化软件的功能正向低压铸造、压力铸造及熔模铸造等特种 铸造方面发展。 在“六五”、“七五”期间，由于开展了国家级科技攻关、科研院所面向困济差战场， 加速科研成果的转化，开展高新技术的研究，促进了铸造传统产业技术改造。以铸件 凝固为中心的计算机数值模拟技术得到了很大发展，并以此为发展为铸造工艺a c d 的应用；由于数值模拟和c a d 运用在牛产之前进行，可以电脑试浇、质量预测、减少 缺陷和工艺优化，因而使传统的铸造凭经验为主的设计走向科学化、定量化【1 0 】。由以 上分析可知：铸造工艺c a d 是铸造c a e 的处理模块中的一部分，也是铸造c a e 的目 的所在。目前，清华大学的f t s t 胀与华中科技大学的华铸c a e 已经进入了实用阶 段，取得了一定的经济效益，且形成了以柳百成院士，荆涛教授为旨的学术梯队和刘 s l 绪论i = 程硕t 学位论文 瑞祥、陈立亮为首的学术梯队，有利于铸造c a e 技术的进一步深入研究，但国内采 用铸造c a e 技术的企业不到1 0 0 家，仪占所有铸造厂家的o 5 左右，与西方工业发 达国家( 1 0 左右) 差别很大。且清华大学的f t s t a r 与华中科技大学的华铸c a e 与 国外c a e 还有不小的差距，所以铸造c a e 的研究和推广应用工作应大力加强。 1 3 2 铸造c a e 系统的总体结构 下图1 1 为c a s t s o 们a e 系统结构框图，它形象地反映铸造c a e 分析集成系统 各蕾要模块和辅助模块的功能和关系。 图1 1c a s t s o f 汜a e 系统结构框图 如上图可知：铸造c a e 系统主要包含三个模块：前置模块、中央处理模块、后 置模块1 1 】。铸件在前置模块进行三维实体造型和单元的剖分，生成一定格式的数据文 件，然后输入中央处理模块进行充型和凝固过程的数值模拟，并预测其缩孔缩松和应 6 t 程硕t 学位论文呋喃树脂砂生产y b l 2 2 0 瓜印机身铸件的铸造技术研究 力应变，接着在后置模块中将其显示出来，如果有缩孔缩松或应力应变超过允许范围， 通过确定其所在位置和优化工艺来解决，如此循环，直至获得合格铸件。由以上分析 可知：铸造c a e 技术的核心是中央处理模块，即铸造过程的模拟仿真。 7 2 呋喃树脂砂的上要i ：艺性能i 程硕l 学位论文 2 呋喃树脂砂的主要工艺性能 2 1 呋喃砂的硬化特性 2 1 1 硬化特性曲线 呋喃砂的硬化反应从树脂和固化剂接触后的瞬间起就开始进行，图2 1 为硬化特 性曲线。 挠 拉 强 度 l c g 锄。 024时闻( 小时2 如 图2 1 呋喃树脂砂的硬化曲线 图2 1 曲线是将混制出的型砂立即做出抗拉试块，然后经过l 小时、2 小时、3 小时、一直到2 4 小时，每次测3 个试样的抗拉强度，取平均值作为该时刻的抗拉强 度值所绘制出来的时间一强度曲线。 从图卜可以看出，开始有一个反应期，这时反应很缓慢，强度上二升比较慢，然后 强度迅速增加，到5 小时以后强度的上升又缓慢了，到2 4 小时后则升高非常缓慢， 趋于稳定值，所以将2 4 小时的强度定为“终强度”，或称为“常温强度”。随树脂、固 化剂的种类和加入量的不同，以及温度、湿度的不同，硬化曲线也各异，但是硬化的 三个阶段足基本相同的。 2 1 2 树脂砂可使用时间 。 我们通常称呋喃树脂砂町使用时间为氆砂混制好后到还可以造型这段时间，一般 把2 4 小时的抗拉强度只剩狭8 0 的试样制作时间称为型砂的可使用时间【1 2 】。树脂砂 混制好以后，即开始了树脂的固化反应，如果混制好以后停留一段时间再造氆，则会 将已经交联起来的部分树脂链重新破坏，使得终强度恶化。所以刚混出的型砂做出的 1 ：程硕t ：学位论文呋喃树脂砂生产y b l 2 2 0 压印机身铸件的铸造技术研究 试样强度最高。如果将混制好的树脂砂每隔一定时间作出一组式样，分别测定他们的 2 4 小时终强度，可以作出像图2 2 那样的曲线。当某个试样最终强度只有第一个试 样的7 0 时，那么制这个试样以前的那段时间就是可使用时间。简单地讲，就是混好 的树脂砂可以用来造型制芯的时间。超过可使用时间的秒，流动性恶化，给制芯带来 困难，甚至无法做成，做成的强度也低，充填密度也小，表面稳定性也差，容易引起 冲砂和砂眼缺陷，并影响到铸璎的强度。所以树脂砂造型制芯的原则之一就是混好的 砂要尽快成型，要在可使用时间之内完成造型操作。牛产现场上判定叮使时间的方法， 一般是当型砂开始发粘，即认为已超过了可使用时间。新砂混制出的璎砂，当型砂颜 色由黄变绿时，也表示超过了可使用时间。 影响氆砂可使用时间的因素主要有：砂温、固化剂、气温与窄气湿度。砂温越高， 固化剂酸性越强或加入量越多，气温越高，空气湿度越低，则呵使用时间越短。一般 机床铸件用树脂砂工艺的可使用时间都在8 1 0 m i l l 左右。 抗 拉_ 一 强 度 援虹是凝l o 分 2 0 分3 0 分一 图2 2 树脂砂可使用时间曲线 2 1 3 呋喃树脂砂可起模时间 树脂砂造型制芯后，必须等型砂建立一定强度后才可起模，否则型和芯继续发生 变形和破裂等，一般认为型砂抗压强度达到1 4 纠c l n 2 ，作为可起模强度，将这段时 间称为可起模时间，但对大件抗压强度要加大。合理掌握町起模时间是保证生产正常 进行的关键，超前起模容易导致塌箱、变形，滞后起模容易造成工装和璎芯的损坏。 生产现场可通过经验判定起模时间，一般手持钉子向砂型( 芯) 中扎不进去时，被认 为是呵以进行起模了。见图2 3 所示。 9 2 呋喃树脂砂的上要i 艺性能r 程硕 ：学位论文 挽 拉2 强1 度o ( 1 【g c 1 2 ) 图2 3 呋喃树脂砂强度增长曲线 2 2 影响呋喃砂硬化特性的因素 很明显，可使用时间与可起模时间之间有冲突，_ 瓦为矛盾体。我们总希望叮使用 时间越长越好，可起模时间越短越好，也就是说可使用时间与叮起模时间之比越大越 好，比值越大，脱模阶段用的时间越少，造型速率越高，生产效率越高，模型和芯盒 的周转使用率也越高。 我们讲的硬化特性= 可使用时间可起模时间，其比值越大，表示硬化特性愈佳， 一般比值为0 3 一o 5 【l 。影响呋喃树脂砂硬化特性的最主要因素是树脂与固化剂的品 种及加入量( 固化剂占树脂重量的比例) ，此外原砂的含水量耗酸量及温度、环境的 温度与湿度等也对树脂砂的硬化特性有一定影响。当催化剂量相同，室温不同时，温 度低时可使用时间长；温度高时可使用时间短。其趋势是温度每增加l o ，可使用 时间缩短1 2 1 3 。室温相同时，催化剂加入量减少，可使用时间明显增长；催化荆 增多，可使用时间缩短，但是催化剂加入量超过一定范围后，可使用时间变化不大， 但对脱模时间影响显著，温度变化也明显影响脱模时间，其趋势是每增加5 ，脱模 时间缩短l 2 一l 3 。 2 2 1 环境温度和湿度 硬化速度随环境温度升高而加快，可使用时间也随之减少。理想的环境温度一般 为2 0 3 0 ，一般温度高，初强度与终强度也高些，可起摸时间缩短。但当环境温度 达4 0 时初强度随较好，但终强度却比1 5 还要低。硬化反应是一个缩合反应，有 水分折出，所以环境湿度大影响硬化反应的进行，降低初强，也降低终强度。为此， 根据气温与湿度的变化，需调节固化剂的品种和加入量。 根据气温的变化，应选用不同总酸含鼍的磺酸固化剂，固化剂的加入量与固化剂 l o 工程硕士学位论文 呋喃讨脂砂生产y b l 2 2 0 ，k 印机身铸件的铸造技术研究 的总酸含量、环境温度和型砂温度有直接关系，其加入量一般为树脂加入量的 3 0 6 5 。经过半年多的生产实践，初步确定了下表所示的固化剂总酸含量与环境温 度的对应关系。 2 2 2 砂温 表2 1 环境温度与总酸含量的关系 l 环境温度 1 0 oo 1 0l o 2 02 0 3 03 0 4 0 i 总酸含量( ) 3 6 - 3 22 8 3 22 4 2 81 8 2 41 3 - 1 8 呋喃树脂自硬砂的硬化原理是：树脂在固化剂的催化作用下逐渐发生交联反应而 自行硬化，固化剂的催化作用受温度的影响较大，温度升高催化作用加速，温度f 降， 催化作用减慢，因而呋喃树脂自硬砂在硬化过程中，硬化反应的速率与砂温有密切的 关系，同时硬化反应速率对硬化后铸璎的强度有着重要的影响。所以，要得到满足生 产需要的铸型强度，就必须控制砂温。在3 0 以下时，提高砂温，不仪硬化快，而 且终强度高，但超过3 5 的砂，使型砂可使用的时间大大缩短，终强度和表面稳定 性也会降低【1 4 】【1 5 】。 我厂在技改前，曾用一台5 吨，j 、时的混砂机造型、制j 芯，在造型乍产中，就曾 受到砂温这一问题的园扰。南京的夏季，环境的温度一般都在3 0 以上，这种条件 下的树脂砂的可用时间( 即从混制出砂到开始硬化的时间) 只有几分钟，一个铸型还 没制好，底层已经开始硬化，并且硬化后的铸型表面脆化，用手指在铸型表面一按， 铸型表面呈蜂窝状的疏松，在起模翻箱过程中，经常出现破坏断裂的情况。由于没有 达到使用强度，在浇注过程中出现铸型开裂，造成跑水的严重情况，对我厂的生产造 成了损失。考虑到技改后我厂的型砂是循环使用，热的旧砂在没有得到有效的降温情 况下，就重新再生产和使用。混制出的树脂砂温度常常会超过5 0 ，根据我们的试 验和实践经验，砂温每增加1 0 ，硬化反应速率将提高一倍，砂温一旦超过5 0 ， 混制出的树脂砂铸氆已不能满足牛产所需的强度。为解决这一问题，我厂在技改过程 中选用了一台水循环砂温调节设备，温度较高的璎砂进入砂温调节设备后，通过设备 内低温水的循环来使型砂温度降低，当砂温低于3 0 时，该设备自动打开出砂门， 将降温后的型砂通过管道输送到混砂设备中去。通过该降温设备的调节，型砂的温度 基本上适应了生产的需要，减少了由于型砂温度过高带来的损失。砂温过高影响生产， 砂温过低也不利生产，当砂温过低时，固化剂不能有效的对树脂起催化作用，树脂的 交联反应过慢，且反应不能够充分进行，铸型不能达到应有的强度，并且延长了起模 时间，降低了生产效率。因而在冬天时为避免砂温过低的情况，我们在落砂后，型砂 2 呋喃树脂砂的上要r 艺性能i 程硕l 学位论文 还没有冷却时，即对其进行再乍处理，利用砂的余热将砂温控制在正常的范围。根据 我厂的积累的经验来看，只要砂温控制在1 5 到3 0 之间，选用合适的树脂及固化剂， 就能较好的控制呋喃树脂自硬砂的硬化过程，使其达到较好使用性能。 2 3 本章小结 本章针对呋喃树脂砂的主要特性进行概述。环境温度、砂温的变化对固化剂的型 号选择和加入量起最重要的影响，进而影响树脂砂铸型的性能。 1 2 工程硕士学位论文呋喃树脂砂生产y b l 2 2 0 压印机身铸件的铸造技术研究 3y b l 2 2 0 压印机机身的铸造工艺设计 y b l 2 2 0 压印机是我厂自行研制开发的新一代造币机器，其中机身是该机最主要 的零件之一，机身铸件质量的优劣直接影响整机的性能和使用。机身铸件的材质为 q t 4 0 0 一1 8 ，机身铸件设计上要求不得有缩孔、缩松、裂纹、气孔等铸造缺陷。机身 的结构为主体箱形结构，并从箱体伸出二个立柱和牛头。结构如图3 1 所示，外形尺 寸为2 4 0 7 1 9 4 0 1 1 2 0 衄，浇注重量为6 5 吨。y b l 2 2 0 压印机机身铸件结构复杂， 铸件壁厚不均，厚处达4 0 0 n 皿而壁薄处仅2 0 m m 左右，且壁薄处集中在底板处，在 铸件冷却过程中会由于收缩不均导致裂纹，严重时可能导致机身铸件的批量报废，增 加了铸造工艺制定的难度。 图3 1y b l 2 2 0 压印机机身铸件三维图 3 1 机身铸造技术难点分析 y b l 2 2 0 压印机机身铸件在铸造生产过程中存在许多难点，主要表现在下列几个 方面： ( 1 ) 由于铸件尺寸较大、形状复杂，手工组芯造型很难保证较高的尺寸精度； ( 2 ) 铸件的壁厚严重不均，厚壁处的厚度达到4 0 0 m m 而薄壁处的厚度仅为2 0 n m 左右，在铸件的凝固过程中由于收缩不均很容易产生较大的内应力，造成铸件变形量 大，甚至会产生裂纹，导致机身铸件的报废； ( 3 ) 机身下部油箱底板处是薄壁，此处处理不当，很容易在此处形成冷隔、浇 不足等铸造缺陷，造成漏油现象的发生； ( 4 ) 铸件的局部位置的壁厚较厚大，凝固时间较长，内部组织粗大，有可能导 致机械强度不达标； 1 3 3y b l 2 2 0 压印机机身的铸造i 艺设计工程硕t ：学位论文 ( 5 ) 由于球瞿铸铁的凝固方式是糊状凝固，铁液的补缩性能差，铸件局部厚大 部位和厚薄交界处极易产生缩孔、缩松缺陷，严重时会影响铸件的承载能力； ( 6 ) 铸件形状复杂，泥芯上被铁水包围的部分很容易出现裂纹，铁水浸入会产 生夹砂、气孔等缺陷； ( 7 ) 机身铸件中有一个细长的穿线孔需要铸出，采用一般氆砂制成的泥芯很容 易造成细长砂犁泥芯的断裂，从而出现废品。 ( 8 ) 由于机身铸件的上下高度大，壁厚又相差大，浇注速度掌握不好很容易导 致砂型表面开裂，砂子上浮，铸件相应的上表面就会产生夹砂、夹渣缺陷； ( 9 ) 砂芯固定不牢受铁水浮力的作用而漂浮，会引起铸件局部位置的尺寸或形 状变化； ( 1 0 ) 2 7 块泥芯的拼装，容易出现尺寸的偏差累积，从而造成铸件尺寸达不到 设计要求。 3 2 铸造工艺方案分析 经过对机身铸件结构的分析，认为铸件的造璎配箱方案有四种可选： ( 1 ) 机身的乍头朝上、油箱底板面朝下。此方案的缺点在于组芯时有多处泥芯 固定困难，泥芯需要垂直悬挂或从侧面悬挂固定，砂型配箱时的工作量大、尺寸基准 难找，容易出现泥芯错位现象；优点在于厚大的牛头在上部，可以对下部进行补缩， 再在牛头上设置冒口对牛头补缩，形成一个顺序凝固的方向。此方案可以保证油箱部 位的组织致密，不易发生渗油现象，但由于牛头处于上部，压力不大，相对来说组织 疏松、粗大，影响铸件的力学性能。 ( 2 ) 油箱对侧面、冲头靠下侧。优点：冲头、立柱能得到较好补缩，砂箱高度 低、压力头不大。缺点：油箱坭芯固定困难，上部坭芯不易固定。 ( 3 ) 油箱对侧面、冲头靠上侧。优点：，坭芯容易支撑，砂箱高度低、压力头不 大。缺点：油箱坭芯固定困难，冲头、立柱不能得到较好补缩，易产生缩孔缺陷。 ( 4 ) 机身的牛头朝下，油箱底板面朝上，与方案一的方向相反( 见图3 2 ) 。此 方案的大多数泥芯不用悬挂，只需在上下部的泥芯上制作泥芯头连接固定，工作量大 大的降低，而且尺寸对准较好掌握。此方案的缺点在于厚大断面的牛头部分在最下部， 薄擘的油箱底板在上部，上部的凝固速度要较下部的快，上部铁液无法对f 部进行补 缩和提供压力，处于下部的牛头和立柱等厚壁处容易出现缩孔、缩松等铸造缺陷，因 此此方案对冷铁、冒口的设计和摆放位置要求高。本方案要求在制定工艺时对冷铁、 冒口的摆放进行充分的计算和理论分析，并结合经验和计算机模拟技术进行设计。而 对于处于上部分的油箱底板部位，由于铁水渣的上浮、压力头小，此部分材料的组织 不致密、易有夹渣现象发乍，容易出现渗漏现象。 1 4 工程硕t 学位论文呋喃树脂砂生产y b l 2 2 0 风印机身铸件的铸造技术研究 牛 图3 2 方案四的浇注方案简图 综合对四个方案的优缺点的分析，认为旨先应该保证铸件的尺寸精度要求和降低 生产操作过程的难度，确定采用方案四的设计方法。对于方案二中存在的难点，决定 对铸件的浇注系统、冷铁尺寸选择和摆放等进行精心的设计，并充分应用计算机凝固 模拟技术进行辅助设计，以保证处于下部的厚壁部位的材质质鼍和力学性能；对f 油 箱底板上容易出现渗漏的问题，决定采用严格控制浇注温度和选择合理的化学成分的 方法，并在浇注的最后用热的铁液从明冒口中冲入，增加冒口与薄壁部分之间的温度 梯度，从而达到减少薄壁部分缺陷的目的。 浇注系统基本分为顶注式、底注式、中间注入式和阶梯式。对该件我们选择阶梯 式浇注方式。在铸件不同高度上开设多层内浇道的称为阶梯式注入系统。该系统适用 于高度大的中、大型铸件。优点：对铸璎的冲击小，液面上升平稳，并且铸件上部分 的温度较高有利于渣、气等的上浮和排入冒口中，对改善铸件补缩条件和均匀铸型的 温度都有良好的作用。缺点：复杂，增大造型、清理等工序的工作鼍。 3 3 铸造工艺的设计 3 3 1 主要工艺参数的选择 树脂砂对铸件收缩率的影响较为复杂。一方面，由于芯骨简化、溃散性好、对 收缩阻碍小，另一方面，树脂砂热膨胀系数大，树脂粘结剂也有一定的热强度，使收 缩率有减小的因素。故在实际生产中发现树脂砂铸件的收缩率叮以在o 8 一1 4 范围 内变动。根据我们的经验，总的倾向是纵长方向收缩率较横向的大；外型的收缩( 包 1 5 3y b l 2 2 0j k 印机机身的铸造i ：艺设计 i 程硕l 学位论文 括形成外型的型芯) 较芯型的大；长大铸件的收缩较小铸件来的大。虽然树脂砂铸件 的同一处的尺寸在相同条件下的收缩率其复现性较好，因此对于要求较高的尺寸可通 过试制加以修正，能够找出较为标准的收缩系数，但该零件属于大件，不可能通过试 制方式摸索经验。考虑到y b l 2 2 0 压印机机身铸件结构属f ：箱体结构，凝固过程中部 分结构收缩阻碍较大，根据我们生产复杂球罨铸件所积累的经验数据，箱体部分收缩 率取0 7 较为合适，立柱、牛头部分、盖箱部分铸件收缩率取o 8 较为合适。由于 铸件的结构复杂，在不易产牛变形和铸造缺陷的部位加工余鼍定为8 m l n ；在容易产 生变形和铸造缺陷的部位加工余量定为1 0 m m ；而对于铸件的上表面，考虑到上部容 易集渣产生铸造缺陷，加工余量适当加大，定为1 2 m m 。为便。f 泥芯的制作过程中的 脱模方便，芯盒内拔模斜度为1 。 3 3 2 凝固顺序的选择 由于铸件结构复杂，铸件各部位的厚薄不均，因而各部位不可能都采用同一种凝 固顺序，因此在考虑铸造工艺时需根据各个部位的具体结构再确定采用某一种凝固顺 序，即薄壁和厚壁连接处应选用顺序凝固方式，在厚蹙处设计冒u 实现顺序凝固；或 虽然是在薄壁和厚壁连接处，但厚壁处的结构不允许采用冒口实现顺序凝固，而采用 在厚壁处设计冷铁强化厚壁处的冷却，实现同时凝固的凝固顺序；而在壁厚相近的区 域，则通过利用冷铁强化冷却速度等【艺手段尽可能实现同时凝固( 见图3 3 ) 。 1 6 aa aa d” 4 。klu c 舻州 一 a l # a ：肄e 一 一： c a 。参 r ccf ff1 aaa r 矿_ dd d d 。嗣 r l d 4 # e 5 # 司 。囟： f6 # i e o ，囟 f f a 鏖 d ddd ffff _ yy v v _ y ggg - j_ 因r y l o # h - 、 g l _ 氏曩 _ g9 | ，扮： l k x g 园 v 1 # yv， 芝入 mt ，mmggg# 画 一因 e 一 n i l j l 一一牟| o l卜 吡 n 1 5 # ，徊 多 一 ；、z 1 6 # 一ui_ 习 ： 哪 m m n扪一 。1r ”r 1 广 一、乞广 、? 【工 v i2u ，- 一氐o 乡j 厂 j-l!：一 1 图3 3y b l 2 2 0 压印机机身铸造下艺图 工程硕t 学位论文呋喃树脂砂生产y b l 2 2 0 肤印机身铸件的铸造技术研究 3 3 3 造型制芯工艺设计 针对技术要求综合分析，在铸造工艺上采用组芯造型方式，整个机身由2 7 块大小 不一的泥芯组成型腔，采用呋喃树脂自硬砂制芯、制做外模。 在砂芯设计时，主要从以下几方面着手： ( 1 ) 、从提高机身整体表面的质量和尺寸精度出发，尽量减少砂芯的分块数量， 提高工人在生产中的装配组芯速度和尺寸的准确性； ( 2 ) 、合理分配砂芯数量和砂芯分芯结构，便于砂芯的起模、填砂、芯骨放置和 冷铁位置的固定； ( 3 ) 、便于浇注过程中泥芯中产生的气体能顺利排出铸型； ( 4 ) 、在分芯时充分考虑f 芯顺序和泥芯之间的装配间隙，防止出现下芯时泥芯 间的相砭交叉阻碍现象； ( 5 ) 、在芯盒的制作过程中全部采用拆卸式结构，使砂芯在外形上不具有拔模 斜度，减小尺寸误差； ( 6 ) 、泥芯上采用合适的分芯负数，便- f 配箱和保证铸件的尺寸精度。在设计 泥芯间的分型负数时，考虑到泥芯自重作用，在上下方向的分芯面上不放分芯负数， 而水平方向的分芯面上常常有间隙，放l m m 的分芯负数。 ( 7 ) 、整个铸璎采用2 7 块砂芯组合而成，各个砂芯的大小不一，为防止浇注过 程中砂芯在浮力作用下移位，因此在吊装工艺上要采用螺栓钩，并且在铸型内油箱坭 芯处使用芯撑，防止在铁水浮力下上漂而导致铸件油箱处夹砂而漏油( 该处仅为2 0 m m ) 。 ( 8 ) 、y b l 2 2 0 压印机身底部放在盖箱，模具用模板做出，包括上横浇道、4 只气垫座、油箱底部在模板上形成，同时在模板上安装8 m m 钢板，根据盖箱的定位 孔在钢板上配打出定位孔，使造型、落芯、配箱过程不会错位、铸件不会有尺寸误差。 ( 见图3 4 ) 1 7 3y b l 2 2 0 压印机机身的铸造工艺设计 工程硕士学位论文 3 3 4 砂箱设计及配箱 图3 4 盖箱模板实样 树脂自硬砂型要尽量小的吃砂量，这不仅是为了减少型砂的用量而降低铸件成 本，同时还可以提高砂型的透气性，从而减步事等产生气孔缺陷。理论研究表明， 当吃砂厚度为5 0m m 时，透气性为1 7 0 0 ；当吃砂厚度增加到2 5 0 m m 时，透气性降 低到3 0 0 ，可见吃砂量与透气性的美系十分密切，所以，树脂自硬砂造型用砂箱的高 度在满足刚度和强度以及工艺要求的前提下，要尽量设计得小一些。砂箱箱带的间距 和斜度要大，由于树脂自硬砂的强度高，造好的砂型不易塌箱，浇注过程中也不易 把上箱型腔顶面的型砂顶起。为了便于浇注后砂型的落砂，砂箱的箱带间距和箱带的 斜度要比牯土砂造型用砂箱的大。树脂自硬砂的流动性很好，因此，箱壁上的排气孔 不要太大，通气孔的斜度要从内侧壁向外侧壁扩大。 在生产y b l 2 2 0 机身铸件方案中，整个铸型是由多块砂芯组