（机械工程专业论文）封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制.pdf

， 5 0 - - 10 0 0 0 h z ) 和高频无芯感应电炉( 10 0 0 0 h z ) o 芯感应电炉熔炼铸铁，容量一般为l 一- 2 0 t 。近年来从提 角度，中频无芯感应电炉的应用日益增多，它特别适用 对于大型电炉( 容量大于3 0 t ) ，采用工频无芯感应电炉 消耗只有6 0 0k w h h 冲天炉感应电炉双联熔炼 需求之间的矛盾。 1 2 封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制第二章铸件的形成和主要设各 可在感应电炉调整成分。 节约能源，降低成本。 表2 3 、表2 4 是几种铸铁熔炼设备的热效率和能源成本的比较【6 1 。 表2 3 几种铸铁熔炼设备的热效率比较( ) 熔炼设备用于加热和熔化用于铁液过热 冲天炉6 07 电弧炉 7 52 5 感应电炉 6 06 0 表2 - 4 几种铸铁熔炼设备能源成本的比较( 单位：美圆吨铁液) 熔炼设备 预热和熔化 铁液过热总成本 冲天炉 2 73 0 65 7 6 电弧炉3 81 65 4 感应电炉 4 70 65 3 冲天炉电弧炉 2 61 64 2 冲天炉感应电炉 2 60 63 2 三种铸铁熔炼方式各有优缺点，其中冲天炉熔炼效率高，综合成本低，但铁水成 分波动大，过热能力差，环境污染严重；感应电炉熔炼效率低，耗能大，但铁水成分 稳定，同时具有良好的过热能力，环境污染少；而冲天炉+ 感应电炉双联熔炼则是充 分发挥冲天炉优异的熔化能力和电炉良好的过热能力，可及时调整铁水成分，从而收 到较好的综合技术经济效果，但环境污染严重【7 1 。 基于三种熔炼方式，我公司公司铁水熔炼( 如图2 5 ) 采用1 0 t h 外水冷长炉龄 冲天炉弓3 0 t 有芯工频电炉双联熔炼，该冲天炉的特点可连续熔化七天，有芯工频电 炉连续使用时间为二年，满足了大批量流水线生产的要求。铁水温度及化学成分控制 完全能达到工艺要求，确保铁水质量。 铸件的形成和主要设备封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制 图2 51 0 t h 外水冷长炉龄冲天炉 阴铸造 统等部 ，足指 炉最下 用于支 汇集铁 铸铁的 封装设各底座的砂铸工艺改进和质量控制 第二章铸件的形成和主要设备 种类和炉子的大小而变化的。通常，炉缸中的焦碳并不燃烧，铁水温度在此会有所降 低。 炉身是冲天炉最主要的工作部分，由炉壳、炉膛、风带、风口及炉壁水冷装置组 成。 炉膛是指第一排风口以上至加料口下沿这段炉子的内腔。常称这段距离为冲天炉 有效高度。这个高度选择是否合适，将赢接影响金属炉料的预热效果、铁水温度及铁 水质量。通常希望有效高度取得高些，因为这段高度愈高，热交换更充分，金属炉料 的预热效果越好，铁水温度就会提高，铁水质量也好。但这个高度也是有限制的，过 高易造成炉料“搭棚”事故，焦碳较易压碎，不利于燃烧。因此，对不同结构的冲天炉 应有一个合适的有效高度。目前公司使用的冲天炉有效高度为7 5 5 0 m m 。 炉壳是指冲天炉炉身外部的直筒形钢板。其内部为耐火材料，耐火材料的厚度根 据生产率的大小而定。炉衬太薄，环境温度高，工人劳动条件差，容易发生烫伤事故。 炉衬太厚，将导致炉壳尺寸过于庞大。 炉壁水冷装簧顾名思义就是用于冷却炉壁的一套系统。炉壁冷却具有延长炉衬寿 命，稳定熔化过程，减少修炉次数等优点。车间使用的冲天炉，熔化率高，生产周期 k ，必须采用炉壁水冷装置。冷却的部位主要是从第一排风口到熔化带上部区间。 风带的作用是保证将空气均匀地分配给各个风口。飙带的面积越大，送到各个风 门的风量越均匀。空气进入风带的方式有两种，种是切线方向进入，另一种是炉身 径向进入。 车间使用的冲天炉采用的是后一种方式，因为后一种方式迸风较均匀，可以防i p 炉料偏心燃烧。 风口是助燃空气进入冲天炉的最后通道，其配置对冲天炉的熔化十分重要，赶接 影响熔化效果和铁水质量。 前炉前炉的作用是贮存由冲天炉出来的铁水，并使铁水温度、铁水成分均匀。同 时，由于铁水不贮存在炉缸内，减少了铁水和焦碳的接触时间，这就减少了铁水增c 、 铸件的形成和主要设备 封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制 机会。 f 炉的一般结构包括：炉壳、炉盖、出铁槽、出渣槽、窥视孔、过桥、炉衬、 作门等部分。 公司目前是以工频电炉代替前炉来使用，因此结构有所不同。在冲天炉和工频电 炉之间设有分渣器，分渣器结构和前炉相似，只是稍显简单。铁水和炉渣经过桥进入 分渣器后，由于炉渣的密度较铁水小，因而浮在铁水上面，通过位于分渣器上部的出 渣槽流出分渣器，由水流冲击而冷却粒化。铁液则经过位于分渣器下部的出铁槽流出 分渣器，最终流入工频电炉。 送风系统冲天炉的送风系统主要包括风管管路，鼓风机以及温度调节装置。 风管管路包括风管及阀门，风管布置应尽可能缩短长度，少拐弯，弯曲半径力求 最大，风管管径适当，以减少压力损失。阀门主要是碟阀和闸阀，用于调节风量。 鼓风机为了保证冲天炉内燃料强烈燃烧，以使炉子能连续正常的熔化，必须向炉 内鼓入空气。鼓风机除供给炉内必要的空气外，还能使空气具有一定的动能，以便克 服前进过程中所有的阻力损失。铸工车间采用的鼓风机为罗茨风机，风量为2 0 2 m 3 m i n ，风压为2 9 4 k p a 引。 2 4 33 0 吨有芯工频保温电炉1 9 l 3 0 吨有芯工频保温电炉的基本结构3 0 吨有芯工频保温电炉是一种立式圆柱形炉 体的炉型，基本结构主要包括：炉体、感应器、倾炉机构、液压系统、冷却水系统、 供电系统以及电控系统等部分，见图2 - 6 所示。 倾炉机构倾炉机构主要是由两个液压缸组成，液压缸是单作用的，即上升靠油泵 的压力推动，下降则靠炉子的自重来推动。 冷却水系统系统采用闭路循环，配备水板式换热器，设有主水泵3 台，副水 泵2 台，其中各包括1 台备用水泵。主水泵系统直接冷却感应器和水冷法兰；副水泵 系统是用来冷却主水的，在板式热交换器中完成。 1 6 砂铸工艺改进和质量控制第二章铸件的形成和主要设备 图2 - 63 0 吨保温电炉结构简图 炉体炉体是垂直的圆柱形体，用结构钢焊接而成。其前部左右两边分别有突出的 小室，用作铁水的进口和出口。进、出铁口通道都作成茶壶嘴的形式。带有法兰的水 冷，框架安装在炉体的底部，它是炉体与感应器的连接体，由于此处的炉衬无法配置 保温砖，因此框架的温度特别高。为防止框架过热及铁水从法兰对接面流出，此部位 采用水冷降温。炉盖是标准拱形顶，通过法兰及楔形销与炉体连接。炉体的最大倾角 向前为7 5 。，向后为9 0 。工作时炉体最大只能前倾4 0 。左右，即必保证炉体内有1 5 吨铁水留底，防止炉内空气流通导致铁水氧化严重或感应器断沟。铁水总容璧为4 5 吨，生产时能到出3 0 吨。 感应器它是垂直型的单熔沟，由外壳、铁芯、线圈和冷却水套等部分组成。铁芯 由晶粒定向的硅钢片制成，分为固定、活动两部分，其中固定部分与感应器外壳焊接 在一起：活动部分上套有线圈和冷却水套，经拉紧螺栓与固定铁芯相连接。感应器通 过螺栓与炉体的水冷法兰框架相连。 液压系统液压系统采用高压立式齿轮泵，最大工作压力为1 6 m p a 。齿轮泵共有 两台，一台工作，另一台作为备用。当工作的一台发生故障时，其中备用的一台能自 1 7 第二章铸件的形成和主要设备封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制 动切换。为防止在倾炉时由于电气或阀门失灵而无法使炉子下降，在系统中设有手动 快速回油阀。 系统包括四个冷却回路：水冷法兰回路、冷却水套回路、感应器线圈加水冷电缆 列路和感应器壳体回路。每个回路都设有温度、流量报警，还有主、副水的进水压力、 回水压力、进、回水温度等共1 5 个报警装置，以保证系统的可靠性。对于有芯电炉 来说，冷却水是至关重要的，电炉工作时，无论任何时候都不允许停水。所以，系统 中配备有2 个高位水箱及自动重锤排水阀。当管路无压力时，重锤靠自重打开回水， 保持商位水箱内的水，冷却炉子后流入车间地漏。 为防止管路堵塞、结垢或腐蚀等故障，主冷却水采用去离子水，副冷却水采用软 化水。供电系统系统包括高压开关柜，可调变压器及三相平衡电路( 由平衡电容器和 平衡电抗器组成) 等部分。可调变压器采用高压与低压调压混合的调压方式。共可获 得1 4 个档次的电压。 为确保供电的可靠性，除了专门的变压器供电外，还从k w 造型线引了3 8 0 v 的 备用电源。变压器的供电线路也配备了两条，一条工作，另一条备用。此外，3 0 吨 有芯感应电炉还配备有4 0 0 k v a 的发电机组供电，以防万一。 电控系统3 0 吨有芯感应电炉的电控系统安装在两个电控柜内，控制系统的电源 来自熔化配电室及造型配电室。这两个电源可自动切换。工作原理3 0 吨有芯感应电 炉完全按变压器原理工作。感应器线圈绕在一个由硅。钢片叠成的闭合铁芯上，作为 变压器的初级线圈；炉子底侧有一条充满铁水的熔沟环绕感应圈，它相当于变压器的 次级短路线圈。当感应线圈内通过交变电流时，熔沟内的铁水就在交变磁场的作用下 产生感应电流，因铁水本身具有电阻而发热，从而达到过热铁水的目的。由于有闭合 铁芯，磁力线得以高度集中，因此有芯感应电炉的电效率、热效率和功率因素都比无 芯电炉高 9 1 。 概括地说，3 0 吨有芯感应电炉在整个熔炼工艺中的作用就是：过热铁水，提高 铁水温度；均匀铁水化学成分；同时可以储存铁水，均衡生产。本公司所用的保温炉 封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制第二章铸件的形成和主要设备 就是此种3 0 吨有芯感应电炉，如图2 7 所示。 2 4 4 型砂配置 图2 7 保温炉 型砂处理线按工艺流程分为旧砂回收、旧砂处理、混砂及型砂输送等4 个系统， 共有w m 8 0 混砂机、电子配料秤、气压供水、a s k 8 0 双盘冷却器、提升机、胶带机、 型砂性能检测仪、螺旋给料机等设备，处理能力8 0 t h 。设有旧砂、粘土、煤粉、型 砂、新砂、废砂等储料斗，每个料斗上下限分别设有料位计，显示并控制料位高度。 该线设控制室集中控制，克服了铸造环境恶劣，影响电气元件难常运行的弊病。控制 方法分为手动与自动两种：手动用于设备的调试和维修，自动用于正常生产。该控制 系统将专家系统技术引入型砂质量实时控制系统中。在工艺思想上兼顾组分控制与性 能控制两个方面。根据预防性控制理论，将造型线的型板号与砂处理工部的物料补加 建立口一对应关系；同时，充分考虑在线性能检测值与目标值的差别【1 0 1 。 混砂系统配有两台配料电子秤和三台螺旋给料机，二台胶带给料机。电子秤根据 工艺要求每台称量配置两种料。一台配制煤粉和膨润土，另台配制新砂和旧砂。该 电子秤具有自动调零和零位自动跟踪功能，自动累计定量给料和配料次数；配套使用 的机械部分为一称量斗。煤粉和膨润土称量斗采用碟阀自锁式气动门，新旧砂称量采 用双门自锁式气动门。其结构合理、密封性好。各种原材料的配比数设定后，型砂混 制即可进入自动控制操作。型砂水分自动控制系统用于对混制过程中的湿型砂直接进 行水分控制，使混制好的型砂达到设定的含水量。系统中包括湿度、温度、流量三种 类型的传感器。其中，湿度传感器直接固定在混砂机内，用于混砂机内型砂水分的测 1 9 制 砂 水 制 型 出 值 分 图 芯 艺 法 砂 经 接 封装设各底座的砂铸工艺改进和质量控制第二章铸件的形成和主要设备 影响制芯的废品和成本。采用何种制芯工艺也受砂芯特点影响，如缸体、底座用大底 座砂芯，变速箱及减速器壳等大砂芯，采用自硬砂制芯，虽然速度慢点但成本可以大 大降低。而水套砂芯由于单薄、高温强度又要求高，采用覆膜砂热芯盒工艺的较多。 工业先进国家同一企业生产不同砂芯，也多采用不同工艺方法。 一般说来，生产细长、断面较小的芯子，如迸排气管，可以用覆膜砂壳芯工艺生 产；厚大芯子可以做成中空的覆膜砂壳芯工艺；断面较粗丽又要求高温强度的可用热 芯盒制芯；精度要求高、断面较厚实的可选用冷芯盒制芯【l l 】。 经以上分析，我公司选用：水套砂芯为覆膜砂热芯盒制芯，引进德国的 “v + s ”制芯设备，其余砂芯为树脂砂热芯盒制芯，采用国产二工位和四工位制芯设备， 浸水基涂料烘干。 ( 2 ) 清理【1 2 】 生产中常用的清理有：滚筒清理。将铸件和星铁一起装入圆形滚筒中，当滚筒 旋转时，依靠铸件、星铁、废砂之间相互撞击、摩擦的作用清除铸件内外砂子，打磨 铸件表面，同时也能部分清除飞边毛刺。这类设备适用清理形状较简单、壁较厚的中 小型铸件。抛丸清理。利用高速运动的钢丸、铁丸、磨粒流的冲击力量清除型芯、 粘砂，打磨铸件表面常用的抛丸清理设备还有抛丸清理台和抛丸清理室等。用来进行 连续性生产的抛丸清理机械有链板式抛丸滚筒、连续式抛丸清理台、悬挂式连续生产 喷丸清理室等。这类设备运行维护费用较高。水力清砂。将高压水通过管路从喷枪 口射向被处理铸件，依靠水流的动能和冲刷作用清除型芯及铸件粘砂。水力清砂通常 备有由型钢和钢板构成的敞口清理室，底部设置回转工作台，喷枪安装在侧壁上，能上 下移动和回转，可使高压水流射向除铸件底面以外的任何部位。有时为了提高清除铸 件表面粘砂的效率，在喷枪的适当位置导入石英砂等磨料以获得高速水砂流。一般称 这种方法为水砂清砂。水爆清砂。中国在2 0 世纪6 0 年代发展起来的一种清砂方法。 铸型浇注后，铸件冷却到规定温度时打箱，立即将其浸入水池中，水经所有缝隙渗入 铸型内并与高温金属接触迅猛汽化爆炸，冲击波能将铸件内外附着的砂子基本清除。 2 l 第二章铸件的形成和主要设备 封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制 水爆清砂法具有作业时间短、效率高的优点，在中国铸钢车间得到较广泛的应用。一 般用来处理含碳量0 3 5 以下形状较简单的铸钢件。电液压清砂。利用特殊电极在 水中高压放电，产生冲击波来清砂的一种湿法作业。这种方法容易控制，效率高，能 耗低。但作业过程噪声较大，产生一氧化氮和臭氧，有x 射线的电磁辐射，防护投 资较高。 本公司清理采用专用抛丸设备，抛丸效果良好，铸件表面粗糙度可达r a l 2 5 r a 2 5 ，并配备专用磨削线，抛丸机如图2 8 所示。 2 5 本章小结 图2 8 抛丸机 铸件的特征，比如品种、材质、大小、轻重、质量标准等，以及铸件的生产要求 是确定铸造工艺的必要条件；在考虑工艺和装备时，不能脱离当前的技术发展状况和 装备供应条件，要把先进性和适用性密切结合起来；要求设备先进性的同时也要考虑 它的可靠性。设备的工艺和结构特点，基础件配置，备件供应状况，控制水平，维护 保养要求等，都是设备使用可靠性的重要方面；为了保证设备的先进性及其技术性能 的发挥，要与公用设施和辅助部分相适应，比如原、辅材料，能源，砂箱及型砂质量 等。 封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制 第三章铸件工艺控制及主要缺陷 第三章铸件工艺控制及主要缺陷 3 1 前言 在进行铸造工艺设计之前，首先应对零件结构进行细致的分析，这种分析有两方 面的作用： 审查零件结构是否符合铸造生产的要求。因为零件的设计者往往不了解铸造工 艺，审查时发现结构设计有不合理的地方，要与有关方面进行研究，在不影响使用要 求的前提下予以改进。这对简化铸造工艺过程、保证质量及降低成本均有很大作用。 在既定的零件结构条件下，考虑在铸造过程中可能出现的主要缺陷，在工艺设计 中应采取相应的工艺措施。 铸造缺陷是导致铸件性能低下，使用寿命缩短，失效和报废的重要原因。分析铸 件切线的形貌特点、生产原因及其形成过程，定是防止、减少和消除铸件缺陷。消除 与减少铸件缺陷是铸件质量控制的重要工作。 3 2 封装设备底座铸造的主要过程和工艺阶 铸造生产从各种原材料准备开始，到合格铸件产出，要经过很多复杂的生产工序。 铸造生产的基本工序为：型砂和芯砂的制备、造型和制芯、砂型( 芯) 烘干、合型、 熔炼与浇注、落砂、清理和铸件热处理等。 如图所示是砂型铸造的基本工序如图3 1 【1 3 】。 图3 - 1 砂型铸造基本工序 和质量控制 图3 - 2 封装设备底座 2 4 杂( 如图 ，热节部 件重量约 极易产生 表面及内 进行中注 率在一定 了更高的 【a )( b ) 图3 - 3 上下模c a ) 下模；( b ) 上模 加工余量2 5 4 m m ，拔模斜度芯头部位为5 。，模样周边斜度为1 5 0 ，其余 未注斜度为2 0 取正，芯头间隙0 3 - - 0 5 m m ，取收缩率为o 8 ，芯盒分盒负数 0 3 - - 3 m m 。 浇口杯、直浇道、横浇道、内浇遵四革元浇注系统大孔出流研究四单元浇注系统， 是指以浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道为基本组成单元的浇注系统。根据大孔出流 理论，从浇注系统截面积比这个重要的工艺参数出发，通过水力模拟，研究四单元浇 注系统各组元实际作用压头的计算公式和横浇道充满判据，为流速、流量和流态控制 提供新的数学模型和工艺途径。 四单元浇注系统充填过程动态参数的确定浇注过程中，当型腔中金属液体淹没内 浇道后，会对浇注系统的流动产生反压作用，横浇道压头h 2 ，内浇道压头1 1 3 要发生 变化。下面对1 1 2 、h 3 及型腔液面位置的变化规律进行分析。顶注、底注、中注条件 下的高度标注情况见图3 - 4 t 1 钔。 2 5 制 式中c 为型腔总高度。 f c = c ( b , 4 e ) 2 6 ( 3 5 ) 中 出 封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制 第三章铸件工艺控制及主要缺陷 ( 二) 底注 当型腔中积存的金属液体淹没内浇道后，随型腔中液面长高，横浇道和内浇道 压头h ，h ，也相应增高。 ( 1 ) 横浇道压头h 2 和内浇道压头”随型腔液面高度h 。的变化规律当型腔液面 升高到后，有 l a 1 4 2 9 ( h h 2 1 = 飓a 3 4 2 9 ( a 一红) ( 3 6 ) “a 1 、 2 9 ( h h 2 1 = 2 a 2 4 2 9 ( h 2 一玩) ( 3 7 ) 联立二式，解得 驴羔等日+ 毒杀吃 8 ， h 3 =：h + 一 2 1 + 1 + k 1 2 k 1 2 + 七2 2 ( 2 ) 型腔液面高度玩时间f 的变化规律设4 时间内型腔液面上升高度砌。， 则 ( 3 9 ) ae d h 。= l a a l 乒丽d r ( 3 1 0 ) ( 3 - 1 2 ) 将式( 3 9 ) 代入( 3 1 0 ) ，令 b i ：丝：生 么 解得 f = 云瓜+ c 3 ( c 3 为糨 代入初始条件：当户o 时，吃= 0 ，有 c 3 = = 2 f f - h b 彘 制 铸 艺控制及主要缺陷 件腔高度c = c l + c 2 。充填下半型时，相当于项注条件，可以用顶注公式；充填下半型 时，相当于底注条件，可以用底注公式。两者结合，可以求出中间注入式充填动态参 数得理论计算公式。 3 2 3 浇注系统大孔出流工程计算1 1 s i 确定浇注系统各组元截面积的目的，在于保证铸件型腔在预定的时间内充满，控 制金属液通过浇注系统各组元时的流速、流量及充满状态，达到大流量、低流速、平 稳洁净的充填。 过去的浇注系统计算公式，没有考虑浇注系统截面比这个重要的工艺参数对浇 注系统中金属液流动的控制作用，过分强调了最小截面积的阻流作用，流量因数选取 范围过大，内浇道截面尺寸计算值偏小，并因设计者的经验而波动。 浇注系统的工程计算 ( 1 ) 平均压头的确定按照作功法推导的小孔出流条件下的平均压头日p 为 h p 日一丢 同理，大孔出流条件下的平均压头为 = | i 2 3 一丢 ( 3 1 8 ) 顶注时，p 2 0 ，h p 2 魄 中注时，p = 互ic ，h p = 刮8 底注时，p 。c ，h p = h 3 - c 2 式中，p 一- 为内浇道以上的型腔高度。 即大孔出流平均压头的计算，只要将小孔出流平均压头计算公式中的h 换成1 1 3 即可。 项注条件下： 底注条件下： 如燕日 ( 3 1 9 ) 铸件工艺控制及主要缺陷封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制 注开始时， 注终了时 h 。= c ，h 3 = 驴啪，= 熹日 者日+ 嵩c 注开始于终了的平均值 h 3 =蔷日+ 端 h e = h 3 。c 2 毒肌者一他 屯2 l + k 1 2 + 七2 2 中注条件下： 满内浇道下部型腔 ( 日一i c ) z = 杀日 充满内浇道上部型腔 = 忐c 日一争 从铸件高度一半处引入时，c ：= 互1 c 驴去 ( 日一三) 、 8 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 综合分析可知，大孔出流条件下的平均压头和小孔出流条件下的平均压头只差一个系 数即 铲忐耳 ( 3 2 2 ) 对于浇1 ：3 杯、直浇道、内浇道三单元系统横浇道截面积可以看成是无穷大 彳2 寸0 0 ，则k l = 0 ，故 铲羔啡 3 0 ( 3 2 3 ) 封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制第三章铸件工艺控制及主要缺陷 流量因数u 值的确定水力模拟试验流量因数p 值是在稳定出流条件下测定的。 考虑到实际生产中，浇注系统充满要有一个过程，浇注初期的认流和浇注后期的收包 等现场操作的不稳定、合金化学成分和浇注温度存在差异、内浇道引入位黄、横浇道 长度及弯度、铸型复杂程度和铸型内气体压力对流动的影响等，这些因素使生产实际 中的流量因数p 值会产生波动并小于水力模拟值。一般可取水力模拟试验值的7 0 作为工程计算值。根据模拟试验值和对国内工厂生产实际的统计测定，推荐如下： 三单元浇注系统： a l = 0 6 0 - - - - , 0 6 5 p 2 5 0 5 5 - - 0 6 0 四单元浇注系统 朋= 0 5 0 - 0 6 5 2 2 = 0 5 0 0 6 5 3 - - 0 4 5 - - , 0 6 0 项注条件取鸬= 0 5 5 - - 0 6 0 ：中问注入时取, t t 3 = 0 5 0 ；底注条件和横浇道长度超过 1 0 0 0 m m 或曲折转向时取9 3 = 0 4 5 ；当铸件壁较薄，铸型复杂，铁液浇注温度不高时， 底注条件下可取鸬= 0 3 5 , - - - 0 4 0 。 浇注系统截面尺寸的确定与计算采用液面系统大孔出流理论计算浇注系统截面 积，将浇注系统截面比纳入计算公式。内浇道出流压头取实际的作用压头h p ，按照 所推荐的范围选取流量因数鸬，其结果可使按经典的计算公式所得的内浇道截面积 偏小的问题得到改善。 计算步骤如下： ( 1 ) 浇注系统类型为l 形或对称的t 形结构。l 形是指直浇道位于横浇道的端部； t 形是指直浇道位于横浇道的中间，两侧横浇道上的内浇道对称分布，计算横浇道和 内浇道截面积分别为两侧截面积的总和。 ( 2 ) 选择内浇道引入铸件的位置，即引注方式，如上注、中注、底注。 ( 3 ) 画出铸件工艺草图及浇注系统方案，确定直浇道压头h 。 ( 4 ) 根据合金种类、铸件结构及铸型条件选择浇注系统截面比彳直ea m 乏彳内， 第三章铸件工艺控制及主要缺陷 封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制 即e a l 乏a 2 乏a 3 ( 5 ) 选取流量因数肌、2 、l u 3 ，计算有效截面比、k 2 。 霸= 学 = 学 ( 6 ) 计算内浇道实际出流压头魄及平均压头办。 ( 7 ) 选取和计算浇注时间f 。 ( 8 ) 计算内浇道截面积 彳，：竺二：一 ( 3 2 4 ) 。3 r 、| 2 9 办p 式中g 铸件浇注总重量( k g ) ； p 一金属液密度( 蚝c m 3 ) ； 鸬一内浇道流量因数； f 一浇注时间( s ) ； g 重力加速度( 9 8 1 c m s2 ) ； 办。一平均压头( c m ) ； 彳3 一内浇道截面积( e r a2 ) 。 不管是封闭式( 彳窿彳横e a r n ) ，还是开放式( 4 叵 彳横) 4 内) ，按( 3 2 4 ) 式计算的值均为内浇道截面积a 3 的值。 ( 9 ) 根据浇注系统截面比确定么直衫彳横。 ( 1 0 ) 核算金属液在直浇道、横浇道和内浇道中的流速、流量及型腔液面上升速度， 并作出合理与否的判断。 封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制 第三章铸件工艺控制及主要缺陷 要计算如下。 浇注时间： r ：s 1 湎：1 8x 辑5x ll o s ：1 4 7 s s ，经验系数，取1 8 江铸件壁厚，取5 m m g 一铸型中铁水总重量，取1 1 0 公斤 液面上升速度： v ，= c t = 10 0 14 7 = 6 8r a i n s c 铸件在铸型中的总高度，取1 0 c m v ，应在5 1 5m r t l s 之间，符合要求。 平均静压力头高度： h 口= ho o 2 = 4 0 1 0 2 = 3 5 c m h 。浇口杯水平面至内浇口的距离，取4 0c m 流量系数= 0 4 2 内浇道截面积： 嘞2 丽g 2 面面1 瓣1 0 _ 9 7 c m 2 则f i l l ：e f m ：e f f l = 1 1 6 c m 2 ：1 2 6 c m 2 ：9 7 c m 2 。 3 3 铸件质量的缺陷类型 表面缺陷是铸件表面上产生的各种缺陷的总称。常见的铸件表面的缺陷：粘砂、 砂眼、夹砂结疤。表面缺陷给切削加工增加了难度。这些缺陷有些可直接看到，有的 在切削加工后才能发现。对于浅表层缺陷通过切削加工可以消除，不会使铸件报废。 加工后仍存在于铸件加工表面并影响使用的，会使铸件报废。 第三章铸件工艺控制及主要缺陷封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制 3 3 1 常见铸件缺陷及其预防措施1 1 6 l 常见铸件缺陷及其预防措施( 3 5 ) 序缺陷称缺陷特征预防措施 在铸件内部、表面或近于表面处，有大小 不等的光滑孔眼，形状有圆的、长的及不 降低熔炼时流言蜚语金属的吸气量。减少 l气孔规则的，有单个的，也有聚集成片的。颜 砂型在浇注过程中的发气量，改进铸件结 色有白色的或带一层暗色，有时覆有一层 构，提高砂型和型芯的透气性，使型内气 氧化皮。 体能顺利排出。 在铸件厚断面内部、两交界面的内部及厚壁厚小且均匀的铸件要采用同时凝固，壁 2缩孔断面和薄断面交接处的内部或表面，形状厚大且不均匀的铸件采用由薄向厚的顺序 不规则，孔内粗糙不平，晶粒粗大。 凝固，合理放置冒口的冷铁。 在铸件内部微小而不连贯的缩孔，聚集在 3 缩松一处或多处，晶粒粗大，各晶粒间存在很 壁间连接处尽量减小热节，尽量降低浇注 小的孔眼，水压试验时渗水。 温度和浇注速度。 在铸件内部或表面形状不规则的孔眼。孔提高铁液温度。降低熔渣粘性。提高浇注 4渣气孔 眼不光滑，里面全部或部分充塞着熔渣。系统的挡渣能力。增大铸件内圆角。 严格控制型砂性能和造型操作，合型前注 5砂眼在铸件内部或表面有充塞着型砂的孔眼。 意打扫型腔。 在铸件上有穿透或不穿透的裂纹( 注要是严格控制铁液中的s 、p 含量。铸件壁厚 6热裂 弯曲形的) ，开裂处金属表皮氧化。 尽量均匀。提高型砂和型芯的退让性。浇 在铸件上有穿透或不穿透的裂纹( 主要是冒口不应阻碍铸件收缩。避免壁厚的突然 7冷裂 直的) ，开裂处金属表皮氧化。 改变。开型不能过早。不能激冷铸件。 在铸件表面上，全部或部分覆盖着一层金 属( 或金属氧化物) 与砂( 或涂料) 的混减少砂粒间隙。适当降低金属的浇注温度。 8粘砂 ( 化) 合物或一层烧结构的型砂，致使铸提高型砂、芯砂的耐火度。 件表面粗糙。 在铸件表面上，有一层金属瘤状物或片状 严格控制型砂、芯砂性能。改善浇注系统， 9夹砂使金属液流动平稳。大平面铸件要倾斜浇 物，在金属瘤片和铸件之间夹有一层型砂。 注。 在铸件上有一种未完全融合的缝隙或洼提高浇注温度和浇注速度。改善浇注系统。 1 0冷隔 坑，其交界边缘是圆滑的。浇注时不断流。 由于金属液末完全充满型腔而产生的铸什提高浇注温度和浇注速度。不要断流和防 1 l浇不虱 缺肉。止跑火。 3 4 封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制 第三章铸件工艺控制及主要缺陷 铸件的缺陷种类很多，在国家标准铸造术语 中，将铸件缺陷分为8 类1 0 2 种，在此，简单介绍常见的缺陷及其预防措施，如表3 5 所示。 缺陷是指在铸件内部、表面或近于表面处，有大小不等的光滑孔眼，形状有圆的、 长的及不规则的，有单个的，也有聚集成片的。颜色有白色的或带一层暗色，有时覆 有一层氧化皮。气孔缺陷是导致报废数量最多的缺陷，经长时间的跟踪、统计，其报 废比例占总废品数的5 0 左右。 ( 1 ) 型、芯砂的发气量较大，外型为湿砂，为了便于脱模，配砂时水的加入比例 偏大，砂芯烘干温度略有偏低和烘干时保温时问不足。 ( 2 ) 型腔、砂芯的排气不畅。 ( 3 ) 烘干的砂芯未冷却便开始下芯，使湿型砂受热，其水分迁移至型腔的内表面， 浇注时产生大量的气体。 ( 4 ) 浇注温度偏低、浇注时浇口杯中铁液未充满，浇注时间过长。 ( 5 ) 合箱后等待浇注的时间过长，浇注时溢流不足。 ( 6 ) 直浇道位置不当，造成远离直浇道的两件铸件产生气孔的几率大于靠近直浇 道位置的铸件。 如何预防气孔缺陷，可以通过降低熔炼时流言蜚语金属的吸气量。减少砂型在浇注 过程中的发气量，改进铸件结构，提高砂型和型芯的透气性，使型内气体能顺利排出。 3 3 2 封装设备底座的主要缺陷及补救措施 ( 1 ) 主要缺陷 ( a ) 图3 - 6 缺陷图 娜 ( b ) ( a ) 缩松；( b ) 缩孔 3 5 然而，对于在加工后仍然存在于铸件加工表面的影响使用，不得不报废。尤其是 次封装设备底座有若干个螺丝孔，重要加工面。对承载力有着严格的要求。并且给公 司的运营成本带来严重影响。基于此原因，公司成立了专门的小组来研究分析此缺陷。 缩孔按分布特征分为集中缩孔( 简称缩孔) 和分散缩孔( 即缩松) 两类。 缩孔和缩松的特征、产生原因、防止方法见下表( 3 7 ) ： 3 6 封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制第三章铸件工艺控制及主要缺f 表3 7 缩孔和缩松的特征、产生原因及防止方法【1 8 l 缺陷名称 缩孔 缩松 特征铸件在凝固过程中因补缩不良而在热缩松是细小的分散缩孔。缩松的宏观断 节或最后凝固部位形成的宏观孔洞。口形貌呈海绵状，有时借助放大镜才能 缩孔的形状不规则，孔壁粗糙，常伴发现。有缩松的铸件密封性较差，经行 有粗大的树枝晶、夹杂物、气孔、裂液压或空压试验时易渗漏。缩松严重的 纹、偏析等缺陷。缩孔的上方或附近铸件在凝同冷却或热处理过程中容易 的铸件表面有时会出现凹陷( 缩陷)产生裂纹 产生原因 铸件在冷凝过程中，得不到充分补缩，会产生缩孔和缩松，主要原因有： 1 ) 铸件结构不合理，如壁厚变化突然，孤立的热节得不到补缩；受高温 金属液烘烤的小砂芯附近滞后凝固，得不到补缩；转角尺寸不合理形 成的大热节的不到补缩 2 ) 工艺设计不当，如加工余量偏大使轴线缩松或缩孔位置向加工面方向 偏移，加工后缩松或缩孔外露；铸件需补缩位置没有补贴或补贴太小； 内浇道位置和数量设置不利于定向凝固；冒口位置、数量、大小及补 缩区域不当；冷铁位置、厚度、数量不合适 3 ) 型( 芯) 紧实度不均匀引起浇注时得不到补缩 4 ) 金属液含气量高，流动性差，补注冒口不及时引起缩孔；浇注时抬型 炮火引起缩孔；浇注温度过高易产生缩孔，过低容易产生缩松。 防治方法1 ) 优化铸件结构。设计壁厚均匀，铸肋或壁应交叉分布减少热节，较少 小孔加工量，加大砂芯尺寸，或减小凸台外径，或在凸台上设置冒口； 避免结构锐角，设置均匀过度的圆角，以消除热节 2 ) 改进铸件凝同的工艺控制。如适当减小加工量；大平面在铸型中处于 垂直位置；设置补贴；采用阶梯浇注或顶注方式；分段设置冒口，增 加数量，加大尺寸；适当设置冷铁数量和厚度等。 3 ) 提高砂型质量。如选用耐火较高的粗粒原砂和粘结剂，以提高砂型高 温强度；紧实度要均匀；沙箱刚度要好，箱带和芯骨与型壁距离不可 太大；浇注前紧固好铸型以免浇注时抬箱炮火 4 ) 提高金属液质量和浇注水平。如正确的熔炼操作，控制好熔炼温度、 化学成分、降低含气量，合适的出炉温度和浇注温度；及时做好点浇 注杯、冒口操作。 3 7 第三章铸件工艺控制及主要缺陷封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制 针对以上分析及预防措施，本小组成员一一对应进行了排查，无论是浇注工艺还 是人员的操作水平及工艺控制，整个小组人员做了系统的分析和改进。在下一掌中将 做详细介绍。 3 4 本章小结 本章详细介绍了封装设备底座的工艺控制及在过程中产生的主要问题，通过分析 铸件缺陷的形貌和特征，研究缺陷形成的原因和过程，防止、减少和消除铸件缺陷。 在下一章中将详细介绍针对缩孔和缩松所做的实验分析及过程改进和控制。 封装设各底座的砂铸工艺改进和质量控制第四章封装设备底座的质量统计及分析 4 1 引言 第四章封装设备底座的质量统计及分析 上一章对铸件的工艺和缺陷种类及预防经行了简单介绍。在实际生产过程中，当 产品质量低，达不到目标时，需要我们统计分析并找到主要缺陷是什么，造成主要缺 陷的原因又是什么，从而解决问题。本章将对产品质量的统计及分析做进一步介绍。 4 2 质量的统计过程介绍及解决方法1 1 9 j 其中统计过程控制方法具有不受加工工艺条件限制，无产品类型约束的优势特 性，且从实际生产数据入手，通过对样本数据分类和统计，对比样本和整体相关性， 进而分析出缺陷根本原因和解决方法，在解决实际工程问题中被广泛采用。 统计过程控制简称s p c ( s t a t i s t i cp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 。s p c 起源于1 9 1 0 年，是罗纳 德费舍所发展的统计理论。1 9 2 4 年，美国贝尔实验室的舍瓦特教授发明了管制图； 1 9 4 0 年，英、美两国的制造业开始应用s p c 类管理生产。s p c 是指经由制程中去收 集资料，并将所收集的资料加以统计分析，从分析中发现制程的异常，再经由问题的 分析来发现异常的原因，并针对异常的原因采取适当有效的对策，使制程恢复正常状 态，并不断的提高制程能力。 s p c 有广义与狭义之分：狭义用管制图来检查品质，并将不良品的形成原因分 为随机原因( r a n d o m ) 或非随机原因( a s s i g n a b l e ) 。广义通过对制程的调查与分析 来降低品质的变异，从而达到提高产品的品质和制程能力的目的。 统计过程控制方法是建立在统计学理论基础上的，所涉及基本概念和基本内容 为： ( 1 ) 群体( p o p u l a t i o n ) 统计、调查对象的全部。 ( 2 ) 样本( s a m p l e ) 刀：为研究群体的情形或有某种目的的从群体中抽取的代表 者。 ( 3 ) 变异( v a r i a t i o n ) ：同一条件下执行同一动作多次，所存在的变动性。分为 3 9 第四章封装设备底座的质量统计及分析封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制 随机变异( r a d o m ) ，由于偶然因素造成；非随机变异( a s s i g n a b l e ) ，由于机械，方 法，材料，人等因素造成。 又：翌：墨垄2 墨：墨 ( 4 1 ) ( 4 ) 算术平均数( a v e r a g e ) 。 ( 5 ) 中位数( m e d i a n ) ：将数据依大小排列，位居中央的数。 ( 6 ) 群体众数( m o d e ) ：次数分配中出现次数( 频率) 最多的数。 s = ( 置一又) 2 ( 4 2 ) ( 7 ) 极差( r a n g e ) r - 数据中最大值与最小值的差。 ( 8 ) 群体偏差平方和。 ( 9 ) 群体标准差( s t a n d a r dd e v i a t i o n ) 仃。 ( 1 0 ) 计数值数据( a t t r i b u t e ) ：以个数计算的数据或数据是间断的、不连续的， 如不良数。 ( 1 1 ) 群体计量值数据( v a r i a b l e ) ：可以连续测量的数据或数据呈连续性的，如： 温度、压力等。 a ， b为缪 c兹缪 兹；j d为垆 匕 溢毒 ( e )( f ) n - 5 - 一u 厂1a 1 ：! v j 图4 1 过程控制统计工具图 ( a ) 检查表：( b ) 直方图；( c ) 柏拉图；( d ) 鱼骨图：( e ) 层别图；( d 散步图；( g ) 管控图 封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制第四章封装设备底座的质量统计及分析 统计过程控制就是利用下列统计方法进行统计过程控制：分析过程的输出并指出 其特性；使过程在统计控制情况下成功的进行和维持；有系统地减少该过程主要输出 特性的变异。具体的统计过程控制工具，如图4 1 所示。 那么实施其解决方法步骤有以下五个阶段：1 统计实验界定问题；2 量测实验数 据；3 统计过程分析；4 根本缺陷改进；5 改进结果控制。 统计过程实验首先定义实验设计条件和产品分类，然后通过整体取样来界定出工 艺问题所在。 c p ( 或印d 是英文p r o c e s sc a p a b i l i t yi n d e x 缩写，表示工艺或制程能力指数。具 体方法是从过程中收集随机测量数据，通过正态分布解析过程远离目标的程度。通常 6 0 是表示工艺能力的参数，盯是处于稳定状态下的工艺的标准偏差。但是这个参数 不能完全满足产品的技术要求，因此还需要另一个参数来反映工艺能力满足产品技术 要求( 公差、规格等质量标准) 的程度。这个参数就是工艺能力指数，它是技术要求 和工艺能力的比值。 c p 反映样本位置状态；c p k 反映样本波动状态。c p k 的计算公式： c p k = m i n 譬h 挚 3 ， c p k 1 6 7 或c p k 1 3 3 是一级的工艺制程能力，1 3 3 c p k l 是二级，制程能力尚 可，而当1 0 _ c p k o 6 7 或c p k _ 9 0 0 9 8 - 1 1 0 封装设备底座 9 2 0 9 4 01 0 3 1 0 8 球铁样棒 9 1 0 9 3 09 5 - 1 0 0 从力学性能方面，折弯强度和硬度都在技术要求的控制下，保证了设备底座的p 度，排除了刚度的影响。 4 4 2 孕育剂的试验 面对如此高的缩孔缺陷，我们又决定采用对缩孔和缩松缺陷有效的孕育剂，并j ： 时安排这方面的试验。 本厂的熔炼方式是：冲天炉一电炉熔炼，所以孕育剂的试验只能放在瞬时孕育上 瞬时孕育剂的用量为0 0 8 - - 0 1 2 。 第一次是同一炉次进行了三种试验： ( 1 ) 瞬时孕育剂全部是7 5 s i f e 铁； ( 2 ) 瞬时孕育剂是1 3 的s i b a 孕育剂+ 2 3 的7 5 s i f e 孕育剂； ( 3 ) 瞬时孕育剂是l 2 的钙钡孕育剂+ 1 2 的7 5 s i f e 孕育剂； 通过压水检测状况分析第一和第二种试验，不合格率均在2 2 ，第三种好一点， 大约1 8 。 第二次是稀土钙钡孕育剂：试验两个炉次，第一次的总渗漏率为1 6 ，第二次 的总渗漏率则又为1 8 。 第三次试验的是锶硅铁孕育剂：试验一个炉次，结果也不理想，总渗漏率为2 3 。 后面几次试验的瞬时孕育剂是5 0 的钙钡孕育剂+ 5 0 的7 5 硅铁孕育剂，渗漏 率明显好转，平均渗透率为1 0 ，最好的时候为5 。 封装设备底座的砂铸工艺改进和质量控制第四章封装设备底座的质量统计及分析 经过几种试验比较( 见表4 6 ) ，最后决定瞬时孕育剂，就采用5 0 的钙钡孕育 剂+ 5 0 的7 5 硅铁孕育剂，该复合孕育剂能促进石墨化并控制石墨形态，对压紧孔里 的缩松缺陷会有一定的帮助，但这种效果并不稳定，于是我们又开始了碳当量的试验。 表4 - 6 瞬时孕育剂实验结果 瞬时 7 5 s i f e ( 1 3 ) s i b a +( 1 2 ) 钙钡+ 稀土钙钡锶硅铁 ( 1 2 ) 钙钡+ 孕育剂 铁 ( 2 3 ) 7 5 s i f e( 1 2 ) 7 5 s i f e( 1 2 ) 7 5 s i f e 不合 2 2 2 2 1 8 1 7 2 3 1 0 格率 4 4 3 碳当量的试验 在经历了上述试验以后，考虑到只有控制好铁液本身的化学成分，才能减少缸盖 的缩松缺陷。 第一次试验时，提高碳当量使w ( c ) 3 4 6 ，w ( s i ) 2 3 9 ，但从压水检测情况，两 者都不理想，总渗漏率分别为5 8 和7 0 ，通过金相组织发现石墨粗大，粗片状很 多，缩松缺陷严重，这时也有人认为是加工时石墨斑点脱落，引起的显微孔渗漏。于 是对前6 个月的炉前记录进行分析，并结合跟踪的压水检测情况对照比较： w ( c ) 量均在3 3 3 5 之间，而w ( s i ) 量在2 2 以上，有的达到2 4 5 时， 封装设备底座的渗漏率相当高，而当w ( s i ) 量在2 1 以下时，设备底座的渗漏率就 会低一点。决定碳当量暂时调整为：( c ) 3 2 - - 3 3 ，( s i ) 1 9 - - 2 1 ，同 时，瞬时孕育剂仍采用5 0 的7 5 s i f e 和5 0 的s i b a 复合孕育剂。经过几个月的生 产，渗漏情况有一定的好转，再没有出现2 0 、3 0 的渗漏率，但有时也出现1 0 左右的渗漏率。 为了验证碳当量对压紧孔里缩松的影响，我们还反复进行生产试验，结果是：设 备底座的渗漏率大约在1 6 左右。通过炉前记录分析，发现除了碳当量对缩松缺陷 至关重要以外，磷元素也有影响。炉前记录也发现加p 在0 0 5 左右，( c ) 3 2 - - 3 3 ， ( s i ) 1 9 一2 1 ，渗漏率是较低的，由缩松引起的小漏水率在2 3 。 虽然碳当量都在4 0 ，但p 的质量分数大于0 0 6 ，在0 0 7 0 0 8 时， 4 5 第四章封装设备底