（材料加工工程专业论文）灰铸铁干砂消失模铸造充型特性研究.pdf

摘要 论文题目： 专业： 硕士生 指导教师： 答辩日期 灰铸铁干砂消失模铸造充型特陛研究 材料加工工程 张殿德( 签名) 袁中岳副教授( 签名) 林尤栋教授( 签名) 摘要 研究灰铸铁消失模铸造法金属液充型过程的规律，对于消失模铸造工艺设计、 铸俘质量控制及流场和温度场的数值模拟具有重要意义。 本文利用自行研制的3 2 通道开关量3 2 通道温度模拟量计算机数据采集系统， 用正交试验设计方法研究了工艺参数对灰铸铁消失模铸造充型速度的影响。通过线 性回归，建立了线性回归方程，对影响充型速度的诸多因素一一一负压度、模样密 度、涂料透气性、浇注温度、金属液静压头、内浇道尺寸、模样厚度进行了筛选。 在正交试验的基础上，对所确定的主要工艺因素对于充型速度的影响进行了系统的 测试，通过改变负压度、模型密度、浇注温度、金属液静压头、涂料透气性、浇注 方案、模型几何形状等参数，研究了各工艺因素对充型过程的影响，获得了在各种 条件下金属液充型的等时曲线图，通过对其进行分析找出了金属液充型形态的规 律，定量地确立了主要工艺因素对充型速度影响的规律。另外，研究了消失模铸造 法铸型表面硬度、界面换热系数的变化规律。最后，对比分析了开关量采集到的流 场数据与热电偶测温技术所获得的流场数据。结果表明： 1 灰铸铁消失模铸造充型过程中流动金属前沿呈放射弧线状向前充填。 2 试验条件下，工艺因素对充型速度影响作用由大到小的顺序为：负压度、模样 西安理工大学硕士学位论文 密度、浇注温度、金属液静压头、模样厚度、涂层透气性、内浇道面积。 3 负压度是影响充型形态和充型速度的关键因素。用消失模铸造法得到健全灰 铸铁件的基本条件是在一2 0 0 m m h g 一4 0 0 m m h g 的负压度范围内浇注。 4 金属液充型速度随模样密度增加而降低。 5 金属液充型速度随着浇注温度的升高，开始时增加，超过一定值后随着浇注温 度的进一步提高，充型速度反而降低。试验条件下，在1 3 7 0 左右金属液充型速度 达到最大值。 关键词：灰铸铁消失模充型特性 a b s t r a c t s u b j e c t ：d n ，e s t i g a n o n o nt h em o l df i l l 矾g c h a r a c t e r i s t i c so fg r a y t o ni nt h e e p cp r o c e s s ，i t hu n b o n d e ds a n d m o l d s c a n d i d a t e ：z h a n g d i a n d e a d v i s o r ： a s s o e p r o f y u a nz h o n g y u e p r o l l i ny b u d o n g d a t eo fr e j o i n ： i ti si m p o r t a n tt oi n v e s t i g a t et h em o l df i l l i n gb c h a v i o a ro f g r a yi r o ni ne p cp r o c e s sf o r t h ep r o p e rd e s i g no fc a s t i n gt e c h n o l o g y , t h eq u a l i t yc o n t r o lo fc a s ta n dt h es i m u l a t i o no f f l o w i n gf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l d t h ee f f e c te x t e n to fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so nm o l dt i l t i n gv e l o c i t yo fg r a ye a s ti r o n e p cc a s t i n g sw a ss t u d i e da tf i r s t 吲n gs t a t i s t i c a le x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e sw i t hc o m p u t e r d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mc o n s i s t i n go f3 2c h a n n e lo n - o f fs i g n a l 3 2c h a n n e lt e m p e r a t u r e a n a l o g u es i g n a ld e v e l o p e db y 1 s t h ee f f e c t i v el i n e a rr e g r e s s i o ne q u a t i o nw a ss e tu pw i t h r e g r e s s i o na n a l y s i s s u c hf a c t o r sa sv u u md e g r e e , p a t t e r nd e n s i t y , c o a t i n gp e r m e a b i l i t y , p o l l r i n gt e m p e r a t u r e ，m e t a l l o s t a t i ch e a d ，i n g a t ea r e a , f o a mt h i c k n e s sw h i c he f f e e t e dm o l d f i l l i n gv e l o c i t yw e r ef i l t r a t e dp m l i m i n a r i l y o nt h eb a s eo fs t a t i s t i c a le x p e r i m e n t t h e i n f l u e n c eo ft h em a i np r o c e s s i n gp a r a m e t e r so nm o l dt i t l i n gv e l o c i t yw e l et - t e dm o r e s y s t e m e t i c a l l y t h ei n f l u e n c eo fv a c u u md e g r e e ，p a t t e r nd e n s i t y ，p o u r i n gt e m p e r a t u r e , m e t a l l o s t a t i ch e a d ，c o a t i n gp e r m e a b i l i t y ，p o u r i n gp r o j e c t p a t t e ms h a p eo nf i l l i n g b e h a v i o u rw e f cs t u d i e d a n dt h ef i n i n gl a wa n dc h a r a c t e r i s t i c s w e r eo b t a i n e db y 西安理工大学硕士学位论文 a n a l y z i n gt h ei s o c h r o n a lc o n t o u rm a p so f f i l l i n gm o l t e nm e t a l ，t h e nt h ee f f e c tl a wo f m a i n p r o c e s s i n gp a r a m e t e r so nm o l df i l l i n gv e l o c 畸c a nb eg r a s p e dq u m l f i t a t i v e l y m o r e o v e r ， t h ev a r i a t i o nl a wo fm o t ds u r f a c eh a r d n e s sa n di n t e r f a c eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw e r e s t u d i e d a tl a s t ，t h ef l o w i n gf i e l dd a t a a c q u i s i t e db y o n - o f fs i g n a la n dt h a ta c q u i s i t e d b yt h e r m o c o u p l e su s i n gt e s t i n gt e m p e r a t u r et e c h n i q u ew e r e c o n t r a s t e d t h er e s u l t s i n d i c a t em a t ： i t h em e t a lf r o n tf l o w sf o r w a r dw i t hr a d i a t i o nc i r c u l a ra r cs h a p ei nt h em o l df i l l i n g b e h a v i o u ro f g r a yi r o ne p c 2i nt h ec a s eo ft h i se x p e r i m e n t ，h ei n f l u e n c eo ft e c h n o l o g yf a c t o r so nt h ef i l l i n g v e l o c i t yi ng r a yi r o ne p ci si n t h eo r d e ro fv a c u u l 2 ld e g r e e ，f o a md e n s i t y , p o u r i n g t e m p e r a t u r e ，m e t a l l o s t a t i ch e a d ，f o a mt h i c k n e s s ，c o a t i n gp e r m e a b i l i t y , i n g a t ea l e a 3 v a c u u md e g r e ei st h em a j o rf a c t o rw h i c hi n f l u e n c e st h em o l df i l l i n gc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h em o l df i l l i n gv e l o c i t y t h ev a c u u md e g r e es h o u l db ec o n t r o l l e db e t w e e n - 2 0 0 m m h g a n d , 0 0 m m h gi ng r a yi r o ne p ci no r d e rt op r o d u c eas o u n dc a s t i n gb ye p c 4 t h ef i l l i n gv e l o c i t yo ft h em o l t e nm e t a la td i f f e r e n tp o u r i n gm e t h o d si s mt h eo r d e r o fs i d e 一，m i d d l e a n db o t t o mg a t i n gs y s t e mf r o mf a s tt os l o w , t h ef i l l i n gv e l o c i t yo ft h e m o l t e nm e t a la ts i d e g a t i n gs y s t e mi sf a rh i g h e rt h a nt h a ta tb o t t o m g a t i n gs y s t e m 5t h ef i l l i n gv e l o c i t yo f t h em o l t e nm e t a li n c r e a s e sw i t hp o u r i n gt e m p e r a t u r ea tf i r s t ， t h e nd e c r e a s e sa f t e rp o u r i n gt e m p e r a t u r ei sm o r et h a n1 3 7 0 。co rs o k e yw o r d s ：g r a yi r o n ：e v a p o r a t i v ep a t t e r nc a s t i n g ；m o l df i l l i n gc h a r a c t e r i s t i c s 前言 - 上- _ - 一 刖昌 干砂消失模铸造工艺是八十年代末开始投入工业应用并逐步得以发 展完善的铸造薪技术。同传统的铸造方法相比，其铸件尺寸精度高，表面 光洁度好，造型简单不用芯子，机械加工量少，环境污染小，容易实现 铸造过程的自动化，铸件成本降低等，这些优点使得这一技术在工业界 很有竞争力，该技术被认为是一项很有发展前景的近净型加工技术和清 洁生产技术。近年来，国外发达国家如美国、德国、日本等，对该技术进 行了系统的开发和研究，使得如今消失模铸造技术的自动化程度更高、 铸件废品率大大降低、铸件质量大幅度提高。 然而，迄今为止，消失模铸造工艺设计的难确定性仍是限制消失模 技术广泛应用的一个重要因素之一。一般来说，对于新投产的消失模铸 件，往往需要进行大量的试验探索工作，才能提出确定的工艺方案，这 其中主要包括浇注系统、冒口、浇注温度、模样密度、涂料、振动紧实 等参数的选择等。与普通的空腔铸造法相比，干砂消失模铸造法在充型 时流动金属前沿始终存在着eps 模型，在充型过程中，模样与液态金 属之间存在着复杂的物理化学现象，消失模铸造的充型过程不仅受浇注 系统形状大小和压头的影响，而且还受浇注温度、分解产物的种类和数 量、分解产物以何种状态和速度从金属液与模样界面中逸出等影响。此 外，消失模铸件中的一些缺陷，如铸铝件的冷隔、浇不足和针孔，铸钢 件的渗碳、气孔，铸铁件的皱皮等，都是在充型过程中产生的，而这些 特有的缺陷大大阻碍了消失模铸造的进一步发展。对充型过程的深入研 究，对提高消失模铸件质量、优化浇注系统的设计和流动场、温度场的 数值模拟都具有重要的意义。 铸铁件是当前铸造生产中产量最大的一种，将消失模铸造技术更为 西安理工大学硕士学位论文 广泛地应用于铸铁件生产是拓展其应用领域的有效途径。目前，用消失 模铸造法生产铝合金铸件较铸铁件而言工艺相对成熟，其主要原因是由 于铝合金的浇注温度远低于铸铁。在铸铁件高的浇注温度作用下，金属 液与模样之间的作用更为剧烈，分解产物更为复杂，生产过程较难稳定 控制，掌握不好会造成大量废品，甚至难以生产出合格铸件。目前国内 外学者对铝合金消失模铸造铸型充填过程进行了大量的研究并取得了许 多有益成果，但对铸铁件消失模铸造铸型充填过程的研究还不够深入， 缺乏全面的、可靠的资料和数据对消失模铸铁件的充型过程进行深入 研究，对扩大消失模铸造工艺的应用范围，充分利用消失模技术的优点， 都会起到积极的推进作用。 第一章消失模铸造法概况 1 1前言 铸造这一在我国有着六千年文明历史的传统产业，今天日益面临着 新技术革命的挑战。铸造是国民经济重要的产业部门，铸件在机械产品 中占很大比例，同时，铸造又是产品质量不易保证、废品率较高的产业。 随着改革开放和现代化经济建设的发展，以及竞争激烈的国际市场的需 求，对产品轻量化、尺寸精度要求越来越高，而要求不断降低成本，增 加竞争力，提高经济效益，加快产品更新、技术换代，对促进我国传统 工业的技术改造和国民经济向质量效益型健康发展有着非常重要的现实 意义。 传统的铸造方法是型腔铸造法，有生产率低、成本高、生产工艺复 杂、清砂费力、旧砂回用困难、环境污染严重等缺点，为了满足现代化 生产的需要，克服传统铸造方法的缺点，人们不断开发新的铸造方法。 近年来引人注目的消失模铸造工艺是现代铸造技术的一个革命性突破， 被国内外铸造界称为“二十一世纪的铸造技术”。1 。这一铸造工艺特别适 用于传统铸造方法在技术上和经济上困难较大的薄壁复杂铸件的生产， 日益受到人们的欢迎，近年来在美国、西欧和日本等先进工业国家已开 拓应用于汽车和内燃机铸件的大量流水生产中。 1 2 消失模铸造法简介 1 2 1 消失模铸造法 消失模铸造法( e v a p o r a t i v ep a _ t t e r nc a s t i n gp r o c e s s ，简称e p c ) 是以泡沫塑料( 可发性泡沫聚苯乙烯e x p e n d e dp o l y s t y r e n e ：e p s 或聚 甲基丙烯酸甲酯p o l y e l t h y l m e t h a c r y l a t e ：p m i a ) 作为模型，在模型表 面涂挂耐火涂料，涂料干燥后，埋入无粘结剂干砂中进行振动造型，在 不取出模型的情况下，浇入液体金属，泡沫塑料在金属液的作用下受热 西安理工大学硕士学位论文 分解，分解产物通过涂料铸型界面逸出，液体金属取代模型的位置而 形成与模型形状完全相同的铸件的一种铸造方法。 根据消失模铸造法在应用上的特点，可以将其划分为二个时期或二 种方法”1 。 a 旧消失模铸造法 主要用于生产单件、小批量、大中型铸件。主要的典型件有：汽车 覆盖件模具、机床床身、船用配件等，泡沫塑料模用机械加工或手工加 工的方法制造，型砂主要选用含有各种粘结剂的自硬砂。 b 新消失模铸造法 主要用于生产大批量、小型铸件。主要的典型件有：发动机进排气 歧管、缸体、缸盖、缸头、马达壳体、曲轴、凸轮轴、各种异型管件、 磨球、刹车盘、阀门和齿轮箱等，模型是采用发泡成型方法大批量制得j 造型是采用无粘结剂干砂的第三代( 物理) 造型法。 消失模铸造工艺由于使用无粘结剂的干砂，没有砂芯，不需起模、 合箱等，因此具有一系列传统铸造工艺无可比拟的优势”6 1 ”： ( 1 ) 尺寸精度和表面质量显著提高。不会产生因分箱、起模、修型、 下芯、合箱等引起的尺寸偏差；铸型紧实度高，不会产生因型壁移动引 起的尺寸偏差；铸件没有披缝、分型面、组芯分割面，拔模斜度很小， 不仅减小了清理工作量，而且使铸件外观质量大大改善，可以生产近无 余量的铸件。 ( 2 ) 铸件生产成本降低。表现在材料费用、砂处理费用、清理费用、 机加工费用、操作人员费用和设备折旧费用等诸方面费用的降低。一般 来讲可以比传统砂型铸造降低2 0 4 0 。 ( 3 ) 设备投资和占地面减小。由于去掉了庞大的砂处理系统，去掉了 制芯车间，制模和造型设备简单，清理工序减少等等，使消失模铸造的 工艺流程大为简化，在相同生产率条件下的设备投资和占地面积大大减 少，一般可减少2 5 5 0 。 第一章消失模铸造法概况 ( 4 ) 产品设计自由度大。通过分片制模组装可以将结构复杂的零部件 铸成一个整体，使产品设计更加灵活，同时提高了产品的整体性能。 ( 5 ) 减轻劳动强度，改善工作环境。泡沫塑料模样密度低，易于加工、 搬运，劳动强度降低、工作环境好。 1 2 2 消失模铸造法发展过程 消失模铸造法由美国人h f s h r o y e r 于1 9 5 6 年首先试验成功0 1 ，1 9 5 8 年4 月1 5 日以专利的形式公布于世( 专利号2 8 3 0 3 4 3 ) ，当时被称之为无 型腔铸造( c a v i t i l e s sc a s t i n gm o l da n dm e t h o do fm a k i n gs a m e ) ， 并首先用于制造艺术品铸件“，早期浇注成功的艺术品铸件是麻省理工 学院的青铜飞马和球墨铸铁钟架“。1 9 6 2 年，联邦德国亚琛工业大学教 授a w i t t m o s e r 以“f u l lm o l dp r o c e s s ”名称开发并在工业上加以应用。 早期的消失模铸造法一般都采用二氧化碳水玻璃砂造型，由于泡沫塑料 模强度低、热稳定性差及浇注时有烟雾，以及污染环境等，势必对造型 材料和造型方法提出新的要求。六十年到初，联邦德国的h n n e l l e n 发 明了干砂消失模铸造法，1 9 6 4 年美国的t r s m i t h 申请了无粘结剂干砂 消失模铸造法专利“1 ，其后，美国的h b d i e t e r 、英国压钢有限公司的 r d butler 和r j p0pe 等人都对干砂法进行了系统 研究。1 ”1 。19 67 年，a w i t t m o s e r 吸取了他人的经验，研究成功了采 用能磁化的造型材料( 铁丸) 作型砂，用磁场力为粘结剂的磁力造型法 ( m a g n e tm o l dp r o c e s s ) ，并在19 68 年联邦德国的杜塞尔多夫举 办的国际铸造展览会( g i f a ) 上公布于世”“。然而，因磁型铸造法自身工 艺的局限一磁型造型机限制了产品的大小和形状、制模和模样的装配组 合、上涂料等工序较复杂，难以实现自动化生产，泡沫塑料模热解产物 的黑烟所造成的环境污染，以及铸钢件的渗碳、气孔和铸铁件的皱皮等 缺陷没有得到有效解决。1 9 67 年和l969 年，德国的e k r y z a n o w s k y 和日本秋田株式会社和长野县工业试验所发明了真空密封造型法，简称 v 法，该法用塑料薄膜来密封铸型和借助真空负压来紧实铸型，在此基 西安理工大学硕士学位论文 础上开发了新的造型方法一消失模真空造型法( ful l va cuu m sealedmo1d proeess ，简称fv 法) “。1 9 7 0 年， 以往那种以单件生产为主的消失模铸造技术，由于采用无粘结剂的型砂 而实现了批量生产，这一巨大进展更激起了各国极大的重视，这也与消 失模铸造专利权的限期将要结束，以及第一次石油危机后对铸件质量的 要求不断提高有关。在美国，汽车生产厂家投资巨款兴建消失模铸造厂 或生产线，1 9 8 0 年以生产铝铸件为主的自动化生产线变成了现实。 1 2 3 消失模铸造法国内外现状 消失模铸造法优点突出，近年来已引起了越来越多的铸造工作者的 关注。消失模铸造法一次性投资小，生产成本低，可制造出近无余量的 铸件，并有良好的作业环境，很适合于当今世界不断更新的机械产品的 发展趋势对铸造业提出的向柔性系统发展的要求。经全世界消失模铸造 企业和消失模铸造工作者长期努力，今日的消失模铸造工艺己突破了只 适合生产单件、小批量和中大型铸件的老观念，转向用于大批量铸件的 生产。目前国外不少国家相继建造了消失模铸造生产线和专业厂，使这 一工艺应用于汽车、发动机、内燃机等铸件的大量生产成为现实，并获 得了稳固发展的地位。消失模铸造工艺在国外已日趋完善，生产出了发 动机缸体、缸盖等铸铝件和曲轴、传动箱、制动盘、差速器壳体等灰铸 铁件以及球墨铸铁件。 a 国外 ( 1 ) 美国 美国是最早应用消失模铸造法的国家，并最早进行批量生产。麻省 理工学院( m i t ) 从1 9 5 9 年开始对消失模铸造法进行研究，当时一个叫 a l f r e dd u c a 的艺术家提供了他所开发的f o a mv a p o r i z a t i o n 法，成功浇 注了青铜飞马和球铁钟架“1 。1 9 8 1 年专利到期以前的十多年间，工业应 用集中在汽车冲模、机架等零件上。f o r dm o t o r s 公司于1 9 7 4 年开始研 究此法，生产铝合金铸件，1 9 8 0 年在加拿大安大略省埃塞克城( e s s e x ) 第一苹消失模铸造法概况 使用了生产发动机进气歧管铸件的半工业性装置，当年生产高质量铸件 2 5 种。1 9 8 4 年，f o r dm o t o r s 在同一车间安装了生产率为1 8 0 型小时的 实型铸造自动生产线，该线年产进气歧管达3 0 0 万件，铸件废品率约为 5 ，废品主要成因在于模样损坏“。1 9 8 2 年，美国g m o t o r s 公司在中心 铸造厂建成了生产铝铸件的全自动化消失模铸造生产线，生产铝合金缸 盖、进排气歧管等：此外，该公司的子公司s a t u r n 公司在1 9 8 7 年建成 了一条每小时8 0 箱的消失模铸造生产线，用于生产汽缸体、曲轴和缸盖 等铸件，该公司的消失模铸造设备是从意大利的“法塔”( f a t a ) 公司和 美国的福康( v u l c a n ) 公司引进的，生产发动机缸体和后桥铸件。1 9 8 4 年，鲁宾逊( r o b i n s o n ) 铸造公司的灰铸铁厂建成日产5 0 吨灰铸铁件的 自动化生产线。此外，美国远洋船舶公司( o u tb o a r dm a r i n ec o r p ) 、 j o h nd e e r e 等许多公司和工厂也投入巨额资金，建成消失模铸造生产线 或专业厂，应用此法生产铸件n “，。 ( 2 ) 日本 日本从六十年代起就应用e p c 法生产大型铸件，如神户制铁所等仍 应用该法生产大型机床铸件，有规模很大的塑料模加工车间和专用的程 控万能加工设备。日本应用消失模铸造法大批量生产铸件是在1 9 8 4 年， 起步较晚，发展很快，参加这项技术开发研究工作的大学、研究所、公 司近百家。日本铸物协会下属的关西分会及型材中心都设有专门的委员 会，从各个方面进行技术开发，包括基础研究、实际应用和新技术开发， 目前已开发出了“减压振动消失模铸造工艺”( e v a p o r a t i r ep a t t e r n c a s t i n gp r o c e s su n d e rr e d u c e dp r e s s u r ea n dv i b r a t i o n ) 和“型内 处理工艺”( i n - - p a t t e r np r o c e s s 或i p ) “6 ”1 。关西分会下的消失模铸造 专门委员会由企业和学术界相结合，是跨行业( 铸造、化学、机械) 的 研究组织，该组织是当今世界铸造界研究消失模铸造法最活跃的组织之 一“。1 9 8 9 年，日本应用消失模铸造法生产铸件的产量已跃居世界前列， 如森川公司月产铸件达8 0 0 吨，是当今世界上最大的采用消失模铸造法 西安理工大学硕士学位论文 生产铸件的公司“。该公司于1 9 8 5 年开始生产本田发动机铸件、轴承盖、 磷矾生铁、气缸套、高强度铸铁差动器箱和发动机排气管等，其特点是 采用热切浇冒口、计算机控制铸件温度和利用余热进行铸件热处理等技 术。日本铸造生产主要依靠小厂，干砂消失模法对于提高产品质量、降 低铸件成本、实现铸造生产的机械化很有利，加上日本注意消失模铸造 法配套技术的开发，能够确保涂料、模型粘接剂、泡沫珠粒、成型设备 等的质量和供应，因而干砂消失模铸造法在日本的小铸造厂得到了广泛 的应用。日本吸取了美国g m 公司从复杂的汽缸体铸件入手的经验教训和 f o r d 公司在进排气歧管上应用的成功经验，从量大面广能大幅度降低成 本的管件入手，取得成功后，再逐步推广到阀门、泵、箱体、液压件、 异型管管接头、进排气管阀体、机体、叶轮和轴承支座等产品，用消失 摸铸造法生产铸件的材质以灰铁和球墨铸铁为主，其中产量最大的是球 墨铸铁异型管件。 ( 3 ) 英国 在英国，最早应用消失模铸造的是英国铸钢研究和贸易协会 ( s c r a t a ) ，其方法称为r e p l i c a s t 法，1 9 8 2 年以来陆续有报道。该法 共有两种方案”“2 “2 “： 第一种叫r e p l i c a s t f m 法：将泡沫聚苯乙烯塑料模与浇注系统一起 装入砂箱，填砂，然后振动紧实。铸型中抽成一3 0 0 3 8 0 m m h g 的真空，然 后浇入金属液，把气化模铸造法和真空造型法的优点同时利用起来，这 在生产2 0 吨以下的铸铁件方面有极大潜力。 第二种叫r e p l i c a s t c s 法( s h e l lm o l d i n g ) ：用于生产高质量的低 碳钢铸件和与聚苯乙烯分解产物相互作用过程较敏感的其他合金件。使 用此法时，象熔模铸造一样，在密度较高( 4 0 4 8 9 i ) 的聚苯乙烯泡沫 塑料模上涂刷4 5 层陶瓷型涂料，成壳厚度3 2 4 7 m m 。薄壳烧结和气 化模烧失后，壳被放入砂箱，加砂振动紧实造型，浇注时给砂箱抽成 一3 0 0 3 8 0 m m h g 的真空。这种工艺可生产各种牌号的精密高质量铸钢件， 第一荦消失模铸造法概况 铸件表面粗糙度耋1 2 5 m m ，2 5 l o o m m 的铸件尺寸精度为0 2 5 r a m ；3 0 0 r a m 以下的铸件尺寸精度为0 7 5 r a m ：6 0 0 r a m 以下的铸件尺寸精度为1 5 m m 。上 述铸件机械加工余量为1 6 3 2 m m 。 ( 4 ) 意大利 意大利法塔( f a t a ) 公司于八十年代初以来，与法国萨波莱斯特 ( s a p l e s t ) 公司合作，为意大利菲亚特集团的泰克思德( t e k s i d ) 公司 的几家铸造厂设计制造了几条消失模铸造生产线( 包括制模部分) ，其中 较具代表性的有二条：( 1 ) 1 9 8 3 年为都灵a l u t e k 铝铸造厂提供一条每小 时j o 箱( 每箱4 件) 的消失模铸造生产线，主要产品为进气歧管，该厂 集铸造、加工为一体，环境优美，在世界上来说是有代表性的；( 2 ) 1 9 9 1 年为都灵c a s t e k 铸铁厂提供了一条全自动的消失模铸造生产线，每小时 生产6 0 箱，生产能力为5 0 0 0 吨年，主要产品是灰铸铁和球墨铸铁件， 该厂把铸造技术和设备开发有机地结合起来，产品质量也保持了一定水 平，因此在国内外受到高度评价。“2 ”。 ( 5 ) 法国 法国p s a 集团的普桥( p e u g e o t ) 公司取得了消失模铸造法等静压工 艺的专利，并采用该工艺组织了工业试验性生产，于1 9 8 1 年建造了一条 较先进的采用c a d 技术、每小时6 0 箱的消失模铸造生产线，用于生产6 缸柴油机缸体缸盖、风冷刹车盘、排气管等铸件。法国的u t a r d 公司为 s a f a m 公司建造了一条4 0 箱d , 时( 相当于普通砂型铸造2 5 0 箱) 的消失 模铸造生产线，用于生产灰铸铁、球铁、可锻铸铁和铝铸件，年生产能 力为7 0 0 0 吨，生产面积仅为3 0 0 米2 。雪铁龙汽车厂主要进行了铝合金 和球墨铸铁的开发，在骨干企业中尚无太大进展“7 ”1 。 b 我国消失模铸造法应用现状和发展。” ( 1 ) 国内生产情况 我国早在七十年代后期就对消失模铸造法用于大批量生产进行研究，与 国外先进国家几乎同步，但由于种种原因，致使在研究的深度、应用的 曲安理工大学坝士学位论文 范围和生产的规模方面，与国外先进国家相比差距很大。 1 9 7 6 年，我国的中科院光电技术研究所对采用铁丸和抽真空技术相 结合的新消失模铸造法进行研究，并获得试验成功，于1 9 7 8 年公开了这 项试验结果。之后，锦西化工机械厂对应用该负压消失模铸造工艺生产 的不锈钢阀门进行了技术鉴定。1 9 7 8 年中科院长春光学精密机械研究所 开始对以干砂为造型材料的消失模铸造法行系统试验研究，1 9 7 9 年在全 国铸造工艺学术会议上发表了“真空实型铸造基本特性的研究”论文报 告，在我国首次系统阐述了这一工艺方法的特点和规律性，并对负压消 失模的主要技术环节作了较全面的介绍。在大量试验的基础上，于1 9 8 2 年建成了国内第一条负压消失模铸造生产线，1 9 8 4 年对其工艺设备进行 了技术鉴定，几年来先后用干砂消失模铸造法浇注了数十吨各种类型的 单件小批量铸件。 在消失模铸造用于单件、小批量生产方面，该工艺主要用于生产汽 车覆盖件模具，机床床身等。现在全国数十厂家广泛应用，目前规模在 5 0 0 1 0 0 0 吨或1 0 0 0 吨以上的单件小批量生产消失模铸件的厂家有：广州 重型机械厂、柳州微型汽车厂、第一汽车制造厂、第二汽车制造厂、白 城通用机械厂等。如广卅i 重型机械厂从1 9 9 2 年以来，共生产了数干吨消 失模铸件，最大铸件3 2 吨；白城通用机械厂在1 9 8 9 年投资了4 0 0 万元， 建成生产能力2 0 0 3 0 0 吨的消失模铸造专业车间，采用微机控制的冲天 炉一工频电炉双联熔炼，板材加工和填砂造型等消失模铸造工艺，生产汽 车覆盖件模具铸件。 在消失模铸造用于大批量生产方面，依我国目前现状可分为两类： 第一类为已建成( 处于生产或试生产) 的消失模铸造生产线：( a ) 闭 环型( 机械化或半自动化) 生产线。( 1 ) 长春光学精密机械研究所试验 工厂生产线建于1 9 8 2 年，八十年代后期投入试生产，九十年代初以来每 年约生产3 0 0 6 0 0 吨铸铁和铸钢件。( 2 ) 北京通县宋庄铸造总厂生产线， 1 9 9 2 年投入试生产，生产能力为4 0 0 0 吨年铸铁件，主要用于大批量生 弟一苹消失模铸造= ；去概况 产薄壁管接头和薄壁壳体等出口铸件。( 3 ) 兖州市有色精密铸造厂1 9 9 3 年末建成了一条生产能力为1 5 0 0 吨年的生产线，于1 9 9 4 年初投入试生 产。( 4 ) 江麓机械厂1 9 9 1 年末建成了一条生产能力为1 0 0 0 吨年的生产 线，曾试生产若干高锰钢履带板等铸件。( 5 ) 赤峰煤气管件厂1 9 9 2 年建 造了一条生产能力约1 0 0 0 吨年的生产线，曾试生产了若干铸铁件。( b ) 简易型生产线( 直线或单机型) 。主要有：敦化市林业局机械厂、四川屏 山县精密铸造厂、四川南浦机械厂、宁夏西北煤机厂、无锡永鑫消失模 铸造厂、平顶山第一建材厂、福州柴油机厂等。 第二类为引进型消失模铸造生产线：( 1 ) 长春第一汽车厂花费7 5 万 美元购买了美国福康公司的预发泡机、成型机、振动台和进气管铝合金 e p s 发泡成型模具，并采用了美国阿什兰公司的涂料。1 9 9 4 年初调试后， 取得显著成效，铸件重量轻、表面光洁、尺寸精确、台架试验证明油耗 量明显下降。该厂现已投入批量生产，并着手原材料、涂料的国产化。( 2 ) 长沙汽车发动机厂和意大利法塔公司鉴定了合同，耗资数百万美元引进 了铸铁缸体、缸盖生产线( 部分国内配套) 。以上工厂是我国消失模铸造 生产的骨干单位，其产品质量和数量均走在全国的前列。 ( 2 ) 我国消失模铸造技术发展中存在的问题0 1 从总体上看，目前我国的e p c 技术还处于较低的水平，在铸件的复 杂程度以及质量水平方面，在技术成套性、商品化以及机械化、自动化 程度等方面与先进工业国还有较大的差距，先进的工业国家已经成功地 大批量生产了汽车四缸体、缸盖等复杂铸件，生产率达1 8 0 型4 时，而 我国目前稳定投入生产的仅仅是一些像进排气管、壳体类等比较简单的 铸件，生产率仅3 0 型小时以下，所生产铸件的精度和表面粗糙度也有 相当大的差距。我国消失模铸造法目前存在的主要问题在于： 1 ) 对e p c 技术的基础研究工作重视不够，投入太少，水平较低， 已经成为e p c 技术进一步工业应用的隐患和危机。目前，普遍存在着急 功近利的指导思想，包括一些研究机关和高等院校，忙于承接有利可图 9 西安理工大学坝士学位论文 的工程项目，而不重视关键技术的研究，对于一些重要的基础研究工作 花的精力太少，因此，整个消失模的基础研究十分薄弱。 工厂则本着“拿来主义”，希望拿钱买现成技术。殊不知产品对象千 差万别，采用e p c 技术时，各有各的技术关键和难点，针对产品的先期 工艺论证，甚至必要的工艺试验是不可缺少的，不愿意在这方面有所付 出，往往造成生产线建成后，难关久攻不克，投资得不到及时回报，甚 至由于产品对象不适合采用e p c 法而导致失败。在这方面，先进工业国 家的经验是可以借鉴的。譬如，1 9 8 9 年美国能源部组织了一个联合集团， 分工对泡沫塑料的热解特性、金属的充型凝固特性、干砂的充填紧实等 专题进行系统研究，取得了很好的效果。德国大众汽车公司为了论证该 厂铝合金缸体采用消失模铸造的可行性，组织了9 个高等学校的研究机 关投资6 0 0 万马克，取得了很有价值的数据和结论，为e p c 生产线的设 计和建造打下了扎实的技术基础。 发展我国消失模技术需要解决以下问题：涂料性能检测仪器的开发 和钢、铁、铝合金铸件用涂料的标准化和商品化：高效振动台的开发和 干砂紧实特性的研究：铝、铁、钢金属液充型凝固特性的研究( 包括物 理测试仪器方法和计算机数值模拟，软件的开发和商品化) ；铝铸件疏松、 渗漏、钢铸件增碳、增氢、铸铁件的皱皮等缺陷形成机理及消除措施的 研究；模型尺寸变化规律及精度的控制；消失模与低压铸造等其它方法 复合工艺的研究：工装模具的c a d c a m 及快速制造技术；e p c 车间废气净 化方法及装置的研究。 2 ) 商品化配套程度差，各研究单位、生产厂家单枪匹马，封闭式 运作，不可避免的低水平重复。工业发过国家在e p c 技术的成套化、商 品化方面有比较成熟的经验值得我们借鉴。比如，美国发泡材料由实力 雄厚的a s h l a n d 和a r c 0 公司提供，涂料由f o s e c 0 公司供给，原砂及紧 实设各则由w e d r o n 砂公司经销，有专门的模具和成套设备供应商和诸如 u l k o n 公司之类的工程总承包公司，分工合作，各得其所，国家的总体水 1 0 第一章滑失模铸造法概况 平迅速提高。日本则十分重视对引进技术的消化和再开发，使自己后来 居上。 我国要充分注意在e p c 技术上的综合性，组织各方力量，协同作战， 发挥总体优势。根据目前的技术水平，仅靠某一个单位尚难以承担重大 的工程项目，也难以提供完善、有效的成套技术服务。需要将有条件、 有基础的高校、研究所、设计院和铸造设备厂联合起来，为铸造厂提供 成套技术服务。设计院积累了丰富的工程设计经验；高校拥有一支由导 师、研究生组成的实力较强的研究队伍，在应用基础研究以及工艺技术 方面具有明显的优势。设计院、高校和装备制造厂联合起来，面向市场 需求，优势互补，承包更高水平的工程，与用户共同讨论，实现从思想、 计划到产品全过程的技术服务，这是避免低水平的重复，使我国消失模 铸造技术更快地跃上新台阶的重要措施。 在借鉴国外先进经验的同时，要十分重视加强自己的引进、消化和 研究开发能力。引进国外的e p c 技术和生产线是必要的，但必须及时消 化，并尽快将引进技术投入国内市场，使之转化为生产力。自己没有能 力消化的企业，应该与高等院校或研究机关合作消化，切忌闭关自守， 把一些高价引进的技术和设备封锁起来，闲置下去，造成重复引进的浪 费。 3 ) 我国e p c 的“白区”技术和装备是最薄弱的环节，主要包括如 下内容： 塑料珠粒的开发：国外有专业化学公司研究开发消失模铸造专用的 可发性聚苯乙烯、p m m a 珠粒，以及它们的共聚物系列产品，它们有各自 的优点可供用户选择。目前国内大多数还是使用包装行业所用的可发性 聚苯乙烯珠粒，这种原料用于一般铸件尚可，用于制造薄壁复杂的泡沫 塑料模样就不适用了。因此铸造厂需要和化工厂密切合作加紧研制低密 度、尺寸稳定、不变形的高发泡倍率塑料珠粒，或者性能更好的新材料。 工装模具c a d c a m ：发泡成型模具和模片粘合用胎具是制模工序中最 西安理工大学硕士学位论文 关键的工艺装备。对于缸盖、缸体等复杂铸件的模具应采用c a d c a m 来 完成。单靠铸造工程师的努力是不够的，需要将铸造专家、机械设计师、 零件加工方面的工程师和数控加工技术专家组织起来，分工合作，共同 攻关，创建先进实用的模具c a d c a m 系统。 完善制模技术，需要进行大量的试验和生产实践，掌握发泡模具泡 沫塑料模样铸件之间的尺寸变化规律，为新的模具设计积累可靠的数 据。 成型机和粘合机的国产化：开发高精度、高效成型机和粘合机，实现 成型机和粘合机的国产化和系列化。 随着严格的质量控制体系的建立和各关键工序监控仪表的完善，消 失模铸件的质量将进一步提高，废品率将大大降低。工业发达国家的最 新进展，已经显示出这方面的美好前景。比如，美国的某消失模铸造车 间，由于实现了对涂料透气性，对液态热解产物的吸附性以及绝热能力 等的严格监控，实现了优质涂料的稳定使用，每周废品率由5 5 下降到 0 2 5 ：某消失模铸造生产线由于新的振动台的使用，变形废品率由1 7 下降到1 ；由于带有多个传感器三坐标测量仪的使用，可以使模型测量 精度控制到0 0 1 2 5 m m 以内。在模具和制造领域，将大量采用快速制造 技术和并行环境下计算机模拟仿真，从而大大缩短模具的生产时间，实 现铸件的快捷生产。所谓快速制造技术即采用快速原形制造技术( r p m ) 提供的原型与精密铸造技术结合，以超乎寻常的速度制造出精确的模具 铸件。并行环境下的计算机模拟仿真即r a t i n o a lp r o d u c t p r o c e s s d e s i g n ( 简称r p 2 d ) 新方法，即在设计产品及进行性能分析的同时，可以 通过s t e p 图形信息传递与交换同时进行铸造工艺c a d 、铸件成形过程 仿真( c a e ) 以及铸造工装的c a d c a m ，当产品设计完成，铸件的生产准 备工作也同时完成，这样就大大缩短了铸件投放市场的时间。随着尾气 净化装置和旧砂处理设备的改善，以及各工序间自动化程度的提高，将 出现高度文明的绿色消失模铸造工厂。消失模铸造将与其他铸造新工艺 第一苹消失模铸造法概况 相结合，创造新的复合工艺方法，使铸件质量和生产效率进一步提高， 比如将消失模铸造与低压铸造相结合，实现金属液充型速度的严格控制， 实现消失模样的有序气化，铸件在一定压力下结晶凝固，从而获得组织 致密、高气密性的铝合金