造型机和造芯机的工艺基础

造型机和造芯机的工艺基础课程简介课程简介：本课程是材料成型与控制工程专业的一门专业课。主要介绍铸造车间造型制芯设备，砂处理设备，落砂清理设备，冲天炉熔化工部配料及加料设备，机械化运输设备，铸造车间给料及定量设备，常用除尘设备的原理、结构以及选用。教学基本要求：掌握各种设备的工作原理，了解设备的基本结构。考核形式：闭卷笔试+作业、考勤+随堂测试教材及主要参考书：《铸造机械化》、《铸造设备选用手册》、《铸造设备》第2页,共65页，2024年2月25日，星期天序机械：人们在改造自然的过程中总结和创造出来的，用于代替或帮助人们完成某项工作的设备的总称分类：专用机械、通过机械铸造机械：为铸造生产工艺服务的机械设备的总称实现铸造机械化的意义：提高铸件质量；减轻工人劳动强度；提高劳动生产率铸造机械和其它机械的关系：1.各种机械所基于的传动原理、控制原理等各方面具有共性2.为了满足铸造生产的需要，铸造机械在其工艺适应性上有其特殊性，共性和特殊性的结合就构成了各种设备。第3页,共65页，2024年2月25日，星期天第一讲粘土砂造型机和制芯机工艺基础第4页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础第5页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础第6页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础第7页,共65页，2024年2月25日，星期天本讲所要解决的主要问题1.对铸型的工艺要求是什么？2.如何获得满足铸造工艺要求的铸型？3.铸型紧实与否如何衡量？4.紧实铸型的方法有几种？其实砂原理是什么？5.不同实砂方法所获得的紧实度分布规律及影响紧实度大小及分布的因素。第8页,共65页，2024年2月25日，星期天第一节型砂的紧实度及实砂要求一、铸造工艺方法及工艺过程

铸造工艺方法主要分为两类：砂型铸造：用砂型及砂芯形成铸型的型腔特种铸造：除砂型铸造之外的铸造方法的总称二、铸造对砂型的工艺要求①成型：形成具有一定的强度、尺寸精度和表面精度的型腔；②工艺性能：透气性、耐火度、溃散性使铸型成型的方法：紧实型砂粘土砂造型机和制芯机工艺基础第9页,共65页，2024年2月25日，星期天三、紧实度紧实度：砂粒间排列及堆积的紧密程度

紧实度的表达方式：

1.容重法：δ=m/v(g/cm3)用容重法表征的造型材料的紧实度：松散型砂：1.2~1.3g/cm3；一般紧实型砂：1.55~1.7g/cm3高紧实度型砂：1.6~1.8g/cm3

非常紧实型砂：1.8~1.9g/cm3粘土砂造型机和制芯机工艺基础第10页,共65页，2024年2月25日，星期天2.硬度法：用砂型的表面硬度表征型砂的紧实度硬度的测量：采用硬度计硬度计分类：A、B型：压头为球形，用于测量一般砂型的表面硬度C型：压头呈锥形，用于测试硬度高的砂型用硬度法表征的砂型紧实度：一般为60~80；高压造型可达到90常用实砂方法：压实、震实、气流紧实等

粘土砂造型机和制芯机工艺基础第11页,共65页，2024年2月25日，星期天第二节压实实砂一、压实实砂的原理：直接加压使型砂紧实粘土砂造型机和制芯机工艺基础压实实砂根据压实速度不同分为慢速压实(加压速度＜0.01m/s，一般压实((压实速度0.5~1m/s)、高速压实(压实速度7m/s)，一般压实造型机上均为一般压实，因此，在此仅讨论一般压实实砂的情况。第12页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础一般压实的紧实过程：工作台自下向上运动，压头从上向下压入铸型⑴工作台从静止开始上升⑵砂型碰到压头，上层砂子受撞击而紧实，并将紧实力向下传递。上层砂子受到的冲击力及压力大，紧实度高第13页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础⑶在砂型紧实的未尾，铸型、砂箱、模板具有较大的速度，最终和铸型发生撞击。二、压实所得紧实度平均分布

靠近压板处最高，中间有所降低，而靠近模板处又有所提高。

1.砂型中心紧实度分布2.砂型角上紧实度分布3.砂型边上中间紧实度分布第14页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础三、影响压实法实砂紧实度大小及分布的因素1.压实比压的影响压实比压：型砂单位面积上受到的压实力压实比压高，紧实度高，紧实度的均匀性提高第15页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础第16页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础2.砂箱高度的影响在砂箱的高宽比(砂箱高度/窄边宽度)小于1时，砂箱中心部位紧实度上下均匀。当砂箱高宽比大于1时，只有在接近1的范围内砂箱中心部位上、下坚实度均均，远离压板处紧实度降低。

右图：断面为100×100mm，不同高度砂箱中心部位紧实度在高度方向的分布。第17页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础3.模型的影响1)具有模型时砂型的紧实过程2)具有模型时铸型的紧实度分布第18页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础3)影响因素●压缩比的影响

A、压缩比的产生

B、压缩比的概念

(H+h)δ0=Hδ1

(H+h-m)δ0=(H-m)δ2

δ1=δ0+(h/H)δ0δ2=δ0+〔h/(H-m)〕δ0

h/H及h/(H-m)称为压缩比第19页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础●模型顶上砂柱的高宽比B

砂柱高宽比的概念：当B≥1~1.25时，压缩比的影响小，反之则大第20页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础●深凹比A的影响深凹比的概念：

当A小于0.8时深凹处易紧实第21页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础四、提高压实法实砂紧实度的措施

1.提高压实比压：压实比压高，紧实度高并且分布均匀。

2.减小压缩比的差别：紧实度均匀

措施：●应用成型压头

●应用多触头压头

●压膜造型

第22页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础应用成型压头(目的是使各处的压缩比相同)第23页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础第24页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础多触头压头(万能式成型压头)第25页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础压膜造型(万能式成型压头)第26页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础3.模板加压与对压法●压板加压法：压板压入砂箱

紧实度分布：靠近压板处高，远离压板处低●模板加压法：压实时压板不动，模板压入砂箱

紧实度分布：靠近模板处高，远离模板处低第27页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础●对压法：压板和模板从两个方向同时加压

紧实度分布：较均匀第28页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础4.控制型砂的紧实率：在满足要求的情况下选择较低的紧实率的型砂，一般机器造型型砂的坚实率为45-55%，高压造型35-45%5.提高压前型砂的紧实度：进行压前预紧实，如：射砂加砂、负压加砂、压前震击预实砂等第29页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础第三节震击及微振实砂一、震击实砂1.震击实砂原理惯性紧实第30页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础2.震击实砂的紧实度分布：

紧实度下高，上低3.影响震击实砂紧实度的因素●震击次数：一般为20~50次，随震击次数的增加，紧实度提高。●震击高度：一般为20~50mm，最大不超过80mm，震击高度大，紧实度高。第31页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础●模型上尖角的影响：在水平的尖角处紧实度明显降低4.使震击实砂紧实度均匀化的措施●震击＋压实●动力补充紧实●人工辅助紧实5.震击法实砂的应用●单纯用震击实砂时，应和辅助人工紧实相结合●大多数情况下是做为对型砂进行预紧实的手端第32页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础二、微震实砂

微震实砂是相对普通震击实砂而言的，普通震击实砂时，其震幅一般为20～50mm，频率为200～500次/分，而微震实砂时其震幅一般在5～25mm，频率在500～1000次/分。1.微震实砂紧实度分布：类似于普通震击实砂，靠近模板处高，远离模板处低2.影响紧实度大小的因素：同普通需击实砂第33页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础3.改善微震法实砂紧实度分布的措施微震和压实相结合●微震+压实：微震起到预实砂的作用●微震+压震：预紧实+压实第34页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础●压震压实的同时进行震击的实砂方法称为压震进行实震，强化了压实实砂的效果原因：由于动压实力的存在使实际压实力大大增加第35页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础第36页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础第四节射砂法实砂一、射砂法实砂的工作原理1.射砂的过程及原理

射前期：压缩空气快速进入射砂筒，射砂筒内压力升高，但砂子还没有射出，射前期约需0.008～0.011s

第37页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础自由射砂阶段：砂粒由气流推动形成气固两相流射入芯盒，时间约为0.3～0.5s，近80～90%的砂子在这一阶段射入芯盒压砂团紧实：将稀疏的气砂流变为密集流，最后被推入芯盒，称为“压砂团”第38页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础气流流过砂层而形成渗透压，当渗透压大于砂粒之间的阻滞力时，砂子以气固两相流的方式被气流射出。第39页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础形成气压梯度（顶上进气、和均匀进气形成的气压梯度不同）第40页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础2.射砂实砂的紧实原理气砂流受滞止时形成的高气压的作用(动压+静压)

气压砂团的紧实作用

第41页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础☆芯盒的排气方式上排气：排气孔设在射砂头上，射砂气体由芯盒的上方排出

下排气：将排气孔设在芯盒的下部，射砂气体由芯盒的下方排出

综合排气：即有上排气，也有下排气第42页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础3.射砂所得紧实度分布在芯盒高度方向上：靠近射孔及远离射孔处高，中间低在芯盒的横断面上：中心高，周边低δC：中心处的紧实度δP：靠近芯盒壁处紧实度

第43页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础4.影响射砂法实砂紧实度的因素

1)射砂筒内的气压梯度及射砂气压气压梯度及气压高则紧实度高控制气压梯度的方法：快速进气、射砂筒的结构、射砂气压2）芯盒上排气孔的位置和大小一般排气孔的总面积为芯盒截面的0.3～0.35倍。3）射孔的面积一般射孔面积为射筒面积的0.2～0.5倍；射孔面积与排气孔面积之比约为1：3三、射砂法实砂的应用特点：填砂和紧实一次完成，紧实度低1、在化学硬化砂中用于填砂和紧实2、在粘土砂中用于填砂和预紧实第44页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础第五节气流渗透压实砂法1.气流渗透压实砂的原理

将型砂加入砂箱之中，将吹气头压到砂箱之上，迅速通入压缩气体，使气体的升压速度达到5-7MPa/s，气流迅速作用于砂子的表面，并产生从砂层表面到模板(模型)之间的渗透，砂层中形成渗透压，最终气体从模板上的排气孔排出。在渗透压的作用下，使型砂获得紧实。第45页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础2.气流渗透实砂的紧实度分布：靠近排气塞处紧实度高，上部的紧实度低

3.影响气流渗透实砂紧实度的因素工作气压：工作气压高，紧实度高；升压速度：升压速度高，紧实度高，一般升压速度为5～7MPa/s

排气孔的面积及位置：排气孔面积大紧实度高，但排气孔面积占模板面积的2.5~3.5%之后，面积再增加，强度增加较少。砂箱高度：砂箱高度大，紧实度高。第46页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础

4.气流渗透实砂的应用型砂的紧实度低，主要用于型砂的预紧实，通常气渗紧实后再加压实方能达到铸造工艺要求，这种先气渗紧实再加压实的实砂方法称为“静压造型”5.气流渗透压实砂和射砂实砂的异同点：相同点：均利用有压气体进行实砂不同点：实砂机理不同。射砂实砂时形成气砂两相流，靠气砂流受滞止时的动压+静压以及最后的气压砂团原理紧实；气流渗透压实砂是靠渗透压实现实砂工作过程不同：射砂实砂将填砂和实砂溶为一体，渗透压实砂时应先填砂，然后再进行渗透压紧实。第47页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础第六节气流冲击实砂

1.气流冲击实砂的工作过程将砂箱加满型砂并压到气冲头上，开启快速进气阀，压缩气体以80~100MPa/s的升压速度作用于型砂的表面，由于升压速度高，气体来不及向砂层内渗透，在砂层表面形成冲击波，使上层砂子首先受到冲击预紧实，预紧实层逐渐向下扩展，直到模板。经预紧实的型砂和模板冲击，将冲击能转变为压力能而获得终紧实，终紧实层从下向上逐层紧实直至砂层的顶面，实砂过程结束。第48页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础

2.气冲法实砂的工作原理气冲实砂的过程就是初实层的形成、扩大及冲击的过程

第49页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础3.气冲紧实所得紧实度分布在高度方向上：靠近模板处紧实度高，远离模板处紧实度低，最上层的砂子紧实度最低。在铸型的横断面上：紧实度相对均匀第50页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础4.影响紧实度大小的因素☆砂层表面的升压速度：升压速度高，初实层簿，更有利于气冲紧实，型砂的紧实度高。一般气冲紧实时砂层表面的升压速度为80~100MPa/s第51页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础☆工作气压：工作气压高，在相同的工作设备上可得到较高的升压速度。升压速度高，预实层簿，型砂的紧实度高第52页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础☆其它因素：●砂箱高度的影响：砂箱高紧实度高●模型的影响：当深凹比大于3时，易出现漏斗堆塞现象，使紧实度分布不均匀第53页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础第54页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础☆流态气冲法:由辅助框上的夹层将气流先引到易出现漏斗堵塞的部位。当气冲实砂时，有一股气体先到了易形成漏斗堵塞的部位，使那里的砂层流态化，破坏了漏斗堵塞的形成，同时使深凹处的型砂获得预紧实，以提高深凹处型砂的紧实度。第55页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础☆差动气冲法：在压缩比大的型砂上面设置阻流板，当进行冲击实砂时，无阻流板处，气流直接作用于型砂表面，有阻流板处气流需经阻流板后方能作用于型砂的表面，使无阻流板处和有阻流板处的型砂按先后顺序获得紧实从而解决了漏斗堵塞的问题第56页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础☆二次气冲法：在深凹处的底板上开有排气孔，而非深凹处则没有。第一次气冲时开小的气冲阀，砂型表面的升压速度低，对于深凹处的型砂相当进行了一次气渗预紧实，而第二次气冲时开启大的气冲阀实现真正的气冲紧实，由于预紧实提高了第二次紧实前型砂的紧实度，破坏了形成漏斗堵塞的条件。第57页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础5.真空在型砂紧实中的应用1)真空射砂填砂工作时将砂箱或芯盒紧压于填砂斗和模板之间，模板上开有排气孔。填砂时将真空引至模板上排气孔的下方，使模板处气压降低，在填砂斗与模板间形成气压差，这一气压差推动型砂向砂箱内运动，实现填砂和紧实。紧实度一般较低，主要用于对型砂的预紧实。第58页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础2)真空气渗实砂工作时将芯盒填满芯砂，将芯盒底板上的排气孔接真空，芯盒两端因气压差而出现气流的渗透而产生渗透压，在渗透压的作用下使芯砂获得紧实。所得型砂的紧实度低，主要用于粘土型砂的预紧实或化学粘结型砂的紧实。第59页,共65页，2024年2月25日，星期天粘土砂造型机和制芯机工艺基础第七节填砂及起模一、填砂1.造型工艺对填砂的要求1)均