材料成形装备及自动化 第3版 课件 第二章 2 砂处理装备及自动检测系统

华中科技大学材料学院材料成形及控制工程专业核心课程华中科技大学精品课及责任教授课程材料成形装备及自动化

EquipmentandAutomationofMaterialsProcess2024-2025学年第二学期

2目录第一章

绪

论（2学时）

第二章金属液态成形装备及自动化（10学时）

第三章

金属塑性成形装备及自动化（10学时）

第四章

金属连接成形装备及自动化（10学时）

第五章

高分子材料成形设备及自动化（2学时）

第六章

快速成形装备及控制（6学时）第七章

其它材料成形装备（4学时）第八章热处理工业炉及其控制（2学时）第九章材料加工中的环境保护装备（2学时）EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

3第二章

金属液态成形装备及自动化2.1概述2.2金属熔化及浇注装备2.3砂处理装备及自动检测系统2.4造型设备及自动化生产线2.5制芯设备及自动控制系统2.6铸件落砂与清理装备及自动化2.7特种铸造装备及自动化2.8消失模精密铸造装备及生产线2.9半固态铸造成形装备及生产线2.10典型铸造工业机器人及无人工厂EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

4砂型铸造车间流程图EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

52.3砂处理装备及自动检测系统除熔化浇注工部外（准备金属液，将金属液浇入铸型中），主要有如下工部：

砂处理工部：旧砂处理回用、型砂的准备；

造型工部：制造铸型（砂型）；

制芯工部：制造砂芯；

落砂清理工部：将铸件与砂型（砂芯）分开，铸件清理等。本讲主要内容：砂处理装备、造型装备。砂型铸造的主要工部：

62.3.1砂处理装备概述

砂处理装备，一般包括旧砂的回用（或再生）处理装备、混砂装备、搬运及辅助装备等。

旧砂回用装备：去除旧砂中的金属屑、杂质灰尘、降温冷却及贮藏等。

再生装备：化学粘结剂砂（树脂砂和水玻璃砂等），其作用是去除包覆在砂粒表面的残留粘结剂膜。

混砂装备：完成砂、粘结剂及附加物等的称量和混制，获得满足造型要求的高质量型砂。根据粘结剂的不同，分为粘土砂、水玻璃砂、树脂砂三类。EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

7(1)型砂制备工艺流程图原材料运入烘干破碎磨粉吸送烘干破碎磨粉吸送破碎烘干过筛吸送煤粉斗粘土斗新砂斗旧砂斗松砂混砂机造型浇注落砂破碎冷却增湿过筛磁选造芯旧砂再生（干法或湿法）废砂斗废砂运出原材料处理工段型砂制备工段旧砂处理工段旧砂再生工段带式输送带式输送

8(2)一个典型的粘土旧砂处理系统

9旧砂回用系统的自动化重点是:

旧砂冷却,即旧砂温度的检测与控制为提高旧砂的冷却效率，普遍的方法是采用增湿冷却方法；其原理是将水加入到热的旧砂中，水吸热汽化带走砂的热量使砂温降低；因此，在自动化的旧砂回用系统中须设置型砂温度传感器、水分传感器、加水装置、搅拌装置、除尘装置等。而型砂混制系统的自动化重点则是型砂性能的控制，其主要控制对象是以型砂紧实率为中心的型砂性能在线检测装置、水分检测装置、加水装置等。(3)砂处理装备概述EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

102.3.2

旧砂处理装备

粘土旧砂处理装备常有：夹杂物分离设备、冷却设备等。对于化学粘结剂砂还包括旧砂的再生设备。

11(1)夹杂物分离设备

对于混杂在旧砂中的断裂浇冒口、飞边、铁豆等铁磁性物质可用磁分离的方法去除。对于没有磁性的金属、砂芯芯头等则可用筛分的方法去除。常用的磁分离设备有：磁分离滚筒、磁分离带轮和带式磁分离机三种；常用的筛分装置有：滚筒筛砂机、摆动筛砂机、振动筛砂机等。磁分离示意图：(1)夹杂物分离设备

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13常用的磁分离设备：(1)夹杂物分离设备

14(2)旧砂冷却装备

自动化造型生产线的型砂使用频率很高，浇注后型砂温度升高，必须对旧砂进行冷却。常用的冷却装备中有加水和吹冷空气冷却方法。采用吹冷空气方法的设备有冷却提升机、振动沸腾冷却床等。回转冷却滚筒

15振动提升冷却设备集冷却与垂直提升于一体。(2)旧砂冷却装备占地少粉尘少噪声小维修量小磨损小生产率高

16振动沸腾冷却：(2)旧砂冷却装备

17(3)旧砂再生装备

对于化学粘结剂砂（树脂砂、水玻璃砂等）而言，如像粘土旧砂一样，对旧砂进行简单的处理（破碎、去磁、除尘等）较难达到回用之目的，必须对旧砂进行再生。随着环保要求的日益严格和资源的减少，旧砂再生已成为现代化的铸造企业必须考虑的重要课题之一。旧砂再生的方法很多，不同的旧砂由于其性质的明显不同，适合不同的再生方法。根据其再生原理可分为：干法再生、湿法再生、热法再生等。

各种旧砂再生装备系统将在第9章中介绍。

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182.3.3

混砂装备

混砂装备是自动化砂处理系统中最重要的设备，应根据铸件大小、造型方法、型砂类型、粘结剂等来选择合适的混砂装备。混砂装备种类繁多，结构各异。混砂装备分类:（1）粘土砂混砂机（2）化学粘结剂砂混砂机

19(1)粘土砂混砂机

粘土砂混砂机，按混砂装置可分为：碾轮式、转子式、摆轮式、叶片式、逆流式等。混砂机对混制粘土砂的要求是：将各种成分混合均匀，使水分均匀湿润所有物料；使粘结剂膜均匀地包覆在砂粒表面；将混砂过程中产生的粘土团破碎，使型砂松散。

20(1)粘土砂混砂机

21(1)粘土砂混砂机EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

221)碾轮式混砂机

使用较广泛的混砂装备之一。由碾压装置、传动系统、刮板、出砂门和机体等组成。十字头曲柄加水装置围圈EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

23碾轮的运动分析

在碾轮上的任一点的速度都由三个分速度合成。这三个分速度表示了碾轮的三种运动，从而形成了对型砂的三种作用：垂直方向的碾压作用，水平方向的搓碾作用，碾轮轴向的拖抹作用。Vt’Vt’’VtVeφyz碾压搓碾拖抹2)

转子式混砂机

目前混砂效率最高的混砂装备之一。结构特点：一个或多个偏心安装的混合器，按要求形成顺向、逆向的物流静止的刮板或旋转的刮板为混合物提供连续垂直作用，加强物料混合混合容器：旋转或不旋转性能优势型砂质量好、性能均匀高的生产效率和短的混砂周期操作过程环境友好，无粉尘、粉料的泄漏维护费用低，方便的开门易于耐磨零件的更换EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

242)转子式混砂机转子式混砂机示意图1—刮板混砂器电动机2—机架3—刮板混砂器4—大齿圈5—卸砂门6—混砂转子7—底盘转动电动机8—围圈9—混砂转子电动机S14系列转子混砂机1—转子电动机2—转子减速器3—流砂锥4—加水装置5—围圈6—壁刮板7—长刮板8—底盘9—主电动机10—减速器11—主轴套12—内衬圈13—短刮板14—混砂转子EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

253)摆轮式混砂机EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

26一种美国Simpson公司的间歇式摆轮混砂机照片摆轮式混砂机工作原理图1—围圈2—刮板3—砂流轨迹4—转盘5—主轴6—偏心轴7—摆轮当主轴转动时，转盘带动刮板将型砂从底盘上铲起并抛出，形成一股砂流抛向围圈，与围圈产生磨擦后下落。摆轮在离心惯性力的作用下，绕其垂直的偏心轴摆向围圈，在砂流上压过，辗压砂流，压碎粘土团。

27(2)化学粘结剂砂混砂机

用于化学粘结剂如树脂、水玻璃砂的混砂机有双螺旋连续式混砂机和球形混砂机,只要求充分搅拌。1)球形混砂机1-转轴2-球型外壳3-搅拌叶片4-反射叶片5-卸料门效率高！

282)双螺旋连续式混砂机1－螺旋混砂装置2、4－闸门气缸3－机身5－快速混砂装置录像！

先在水平螺旋混砂装置的前端(按一定的比例)进行原砂与固化剂的混均，再在水平螺旋混砂装置的末端加入一定量的粘结剂，快速混合，出砂直接卸入砂箱或芯盒中造型与制芯。

292)双螺旋连续式混砂机(3)粘土混砂的自动控制及在线检测1)型砂中的水分是影响型砂质量的关键要素，型砂紧实率是反映型砂性能的重要指标。因此，混砂的自动检测及控制多以水分及紧实率的测量及控制为中心进行。2)混砂自动控制装置的控制方法：测量参数

控制方式测定方法受控介质水分、水分+砂温下次混料预测控制电阻法、电容法、红外线法水体积密度、体积密度+水分、体积密度+水分+砂温下次混料预测控制荷重传感器+电容法水紧实率、剪切强度、抗压强度下次混料预测控制专用测定装置水、粘土紧实率本次混料反馈控制专用测定装置水、时间EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

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31型砂性能在线检测仪工作原理图紧实率透气性水分抗压强度

以紧实率为目标的自动混砂系统确定初次加水量确定二次加水量EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

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33砂型铸造车间流程示意图浇注工部熔化工部造型工部落砂工部自动造型生产线冲天炉工频炉EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

342.4

造型设备及自动化生产线

造型是金属液态成形的主要工艺过程，其目的是获得一个紧实高而且分布均匀的砂型。造型过程主要包括：填砂、紧实、起模、下芯、合箱及砂型、砂箱的运输等工序。造型机是整个造型过程的核心装备，它的作用有三个：填砂、紧实和起模。其中紧实是关键的一环。所谓的紧实就是：将包覆有粘结剂的松散砂粒在模型中形成具有一定强度和紧实度的砂块或砂型。

35砂型、砂芯2.4

造型设备及自动化生产线

36紧实后的砂型应具有如下性能(1)有足够的强度。能经受起搬运、翻转过程中的震动或浇注时金属液的冲刷而不破坏。(2)容易起模。起模时不能损坏或脱落，能保持型腔的精确度。(3)有必要的透气性。避免产生气孔等缺陷。上述要求，有时互相矛盾。2.4

造型设备及自动化生产线

372.4.1

粘土砂用造型设备

常用紧实型砂的方法（简称实砂）有震击紧实、压实紧实、射砂紧实、气流紧实等。根据其紧实原理造型机可分为震击/震压造型机、高压造型机、射压造型机、静压造型机、气冲造型机等。

根据是否使用砂箱又可分为有箱造型机和无箱/脱箱造型机。

38(1)震击/震压造型机1)震击紧实工作原理震击紧实时紧实度分布原理：工作台、砂箱连同型砂被举升到一定高度，然后下落与机体发生撞击，型砂的下落速度变成很大的冲击力作用在下面的型砂上，使型砂层层得到紧实。缺点：振动和噪音。

39(1)震击/震压造型机2)震压紧实工作原理震击造型时砂箱顶部的型砂没有得到紧实，采用加压方法即为震压造型。震压造型的工作示意图

40Z145型震压造型机1－机身 2－按压阀3－起模同步架4－震压气缸5－起模导向杆6－起模顶杆7－起模液压缸8－震动器9－转臂动力缸10－转臂中心轴11－垫块12－压板机构13－工作台14－起模架

413)主要部件Z145型震压造型机的震压气缸结构1-压实气缸2-压实活塞及震击气缸3-密封圈4-排气孔5-震击活塞6-导杆7-折叠式防尘罩Z145型震压造型机

42震压造型机录像！

43(2)压实/高压造型机1)平板压实紧实原理

压实紧实不同型砂的压实紧实曲线直接加压的方式紧实，和压实比压有关。砂型单位面积上的压力-压实比压。

442)多触头压实平压板压实后砂型内紧实度分布情况1－砂型中心部分2－靠近箱壁或落箱角处砂箱较高或模样较复杂时，平板压实，紧实度分布不均匀。沿整个砂型的高度上，紧实度大致相同；但靠近箱壁或砂箱角处的摩擦阻力较大，紧实度沿砂箱高度分布严重不均匀。

45为获得紧实度均匀一致的砂型，实际应用中上一般采用成形压板或多触头压头。成形压板：就是压板的形状和模样形状相似，压实时可保证砂型的紧实度基本均匀。但生产中需经常更换模板，因此也要同时更换与模样相对应的压头。增加工艺装备的费用，而且降低机器的生产效率。实际多采用多触头压实2)多触头压实

46多触头压头（a）压实前（b）压实后1-小液压缸2-多触头3-辅助框4-模样5-砂箱将整块的平压板分割成许多小压板，称为多触头压头。每个小压头的后面是一个液压缸，各个液压缸的油路是互相连通的（浮动式多触头）。每个小压头的压力大致相等，使紧实度均匀化。2)多触头压实

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3)典型的多触头高压微震造型机的结构1-压实缸2-压实活塞3-立柱4-模板穿梭机构5-震动器6-工作台7-模板框8-加砂斗9-压头移动缸10-横梁11-导轨12-缓冲器13-多触头压头

14-辅助框15-边辊道16-模板夹紧器17-气动微震缸

18-机座压实比压0.7-1.2MPa为高压造型。

48(3)射压造型机1)射砂紧实方法利用压缩空气将型砂以很高的速度射入型腔进行紧实。1－射砂筒2—射腔3—射砂孔4—排气塞5—砂斗6—加砂闸板7—射砂阀8—贮气包9—射砂头10—射砂板11—芯盒12—工作台加砂、射砂、排气紧实三个工序

49(3)射压造型机1)射砂紧实方法加砂、射砂、排气紧实三个工序射砂能同时完成快速填砂和预紧实的双重作用。具有生产效率高、工作环境好、砂型紧实度比较均匀的优点，广泛用于制芯和造型。但芯盒或模样的磨损比较大，且得到的砂型紧实度不够。如果将射砂和压实紧实结合起来，便成为射压造型机。

502)垂直分型无箱射压造型机a.工作原理特点：（1）型块紧实度高而均匀；（2）型块两侧都有型腔，铸型由型腔组成，分型面垂直；（3）连续造出的型块互相推合，形成很长的型块列；（4）生产率高。

511－射砂筒2－加砂口3－射砂阀4—贮气包5－主液压缸6－导杆7－机座8－正压板9—造型室2)垂直分型无箱射压造型机b.造型机结构

52垂直分型无箱射压造型机造型工序图造型室造型循环的六个工序a)射砂b)压实c)起模Ⅰ

d)推出合型e)起模Ⅱ

f)关闭造型室1—造型室2—排气阀3—射砂筒4—砂闸板5—贮气罐6—增速液压缸7—增速活塞8—辅助活塞9—导杆10—主活塞11—液压缸12—正压板13—反压板14—料位指示器15—射砂阀16—砂型

53垂直分型无箱射压造型机的液压工作原理图

54垂直分型无箱射压造型机录像！

553)水平分型脱箱射