材料成形装备及自动化 第3版 课件 第二章 3 造型设备及自动化生产线

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，5次）

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2.4造型设备及自动化生产线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。

以下主要介绍：气流紧实（又有：气流渗透紧实、气流冲击紧实），及静压造型机、气冲造型机。

4EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

5(4)静压造型机

利用压缩空气气流渗透预紧实并辅以加压压实型砂的一种造型机。

气流渗透紧实方法，是用快开阀将贮气罐中的压缩空气引至砂箱的砂粒上面，使气流在较短的时间内透过型砂，经模板上的排气孔排出。气流渗透实砂法的工作原理

6a.静压造型机的工作原理

静压造型法的优点是：具有机器结构简单、实砂时间短、噪音和振动小等优点。为克服气流实砂的缺点（紧实度不均），获得紧实度高而均匀的砂型，型砂经过气流紧实后再实施加压紧实。静压造型机的工作原理

7b.静压紧实的铸型强度分布静压紧实的铸型强度分布

8c.静压造型机静压造型机照片

9(5)气冲造型机

气流冲击紧实是先将型砂填入砂箱内，然后压缩空气在很短的时间内（10~20ms）以很高的升压速度（dp/dt=4.5~22.5MPa/s）作用于砂型顶部，高速气流冲击将型砂紧实，其工作原理如图所示。气流冲击紧实过程示意图气冲紧实的工作原理

10a.气冲紧实的工作原理气冲紧实的砂型强度分布砂型顶部的砂层必须刮去。气冲紧实时最底层的砂所受的冲击力最大，因而紧实度最高；砂层越高，所受冲击力越小，紧实度越低。优缺点：靠近型面处紧实度高且均匀，较符合铸造工艺要求；生产率高，噪音较低；机器结构简单；但也存在冲击力大，模板磨损快及模型反弹降低铸型尺寸精度，对地基影响大等缺点。

11b.气冲装置（关键部件）BMD液控栅格式气冲装置结构图BMD液控栅格式气冲装置结构图1-贮气室2-气动锁紧凸轮3-控制阀盘启闭的液压缸4-活塞5-控制阀盘启闭的气缸6-活塞杆7-动阀板8-定阀板9-预填框10-砂箱11-模板

12栅格式气冲造型机的结构1-底座 2-液压举升缸3-机座4-支柱5-辅助框辊道及驱动电机6-气冲阀7-气动安全锁紧缸8-胶胆阀9-阻流板10-辅助框11-砂箱12-模样及模板框13-工作台14-模板辊道

13静压造型机及生产线—最新的现代造型方法与设备气流渗透紧实（静压造型）、气流冲击实紧（气冲造型）的主要区别是：气流速度，差~10倍。气流冲击造型，目前已淘汰了！

142.4.2

树脂砂（水玻璃砂）振动紧实台与粘土砂相比，树脂砂和水玻璃砂的流动性好，易于紧实；加之它们硬化后的强度更高，不需要非常高的紧实度。因此，水玻璃砂的紧实方法较为简单，普通的振动紧实(或人工紧实)加手工刮平即可满足水玻璃砂造型紧实的要求。

除气动震动台可用于树脂砂和水玻璃砂的造型紧实外，常用水玻璃砂振动紧实台。

15振动紧实台1－振实台面

2－振动电机

3－隔振弹簧

4－底座充气时台面升起承接砂箱进行振实工作。造好型后，空气弹簧排气，栅床台面下降，辊道突出并承托砂箱。结构简单、操作方便、动力消耗小。并能调节充气压力，以改变空气弹簧的刚度。2.4.2

树脂砂（水玻璃砂）振动紧实台

162.4.3造型生产线

造型生产线是根据生产铸件的工艺要求，将造型机和辅助机械（如翻箱机、合型机、压铁机、捅箱机、落砂机等）按照工艺流程用运输机械（铸型输送机、辊道等）连接起来，并采用一定的控制方法组成的机械化或自动化造型生产体系。(1)造型生产线的辅机

在造型生产线上，为完成整个工艺过程须设置必要的辅助机械，如翻箱机、合型机、扎气孔机、捅箱机等。

17典型铸造自动生产线示意图(2)铸型输送机

铸型输送机是造型生产线各工序之间的主要运输连接设备，常见的铸型输送机有水平连续式、脉动式和间歇式铸型输送机。

18

19连续式铸型输送机图2-61SZ-60型连续式铸型输送机1—输送小车2—传动装置3—张紧装置4—轨道系统5—链轮6—驱动链条7—推块8—导轮9—牵引链条10—车面11—车体12—走动轮

20铸型输送机

21自动化生产线实例图2-62造型生产线平面布置实例1—造型机2—合箱输送3—浇注4—下芯及砂型检查

22树脂砂造型生产线

232.5

制芯设备及自动控制系统制芯设备的结构型式与芯砂粘结剂及制芯工艺密切相关；常用的制芯设备有：热芯盒射芯机、冷芯盒射芯机、壳芯机三大类。发动机缸体砂芯

24(1)热芯盒射芯机

2.5.1

热芯盒射芯机热芯盒法制芯，是采用液态热固性树脂和催化剂配制芯砂（又称覆膜砂或壳型砂），通过射砂紧实方式填入加热到一定温度的芯盒内，贴近芯盒表面现象的砂芯受热，其黏结剂在很短时间即可缩聚而硬化（其固化时间只需几分钟）。它为快速生产尺寸精度高的中小砂芯（砂芯最大壁厚一般为了50-75mm）提供了一种非常有效的方法，特别适用于汽车、拖拉机或类似行业大量流水生产中小型砂芯。

251-振动电机 2-闸板3-射砂筒 4-射砂头5-排气塞 6-气动托板7-工作台及其升降气缸8-底座 9-立柱10-闸板气缸 11-闸板密封圈12-砂斗 13-减震器14-排气阀 15-加热板16-夹紧器 17-夹紧气缸18-工作台 19-开关控制器20-取芯杆 21-砂芯22-薄膜阀 23-芯盒(1)热芯盒射芯机

ZZ8612热芯盒射芯机2.5.1

热芯盒射芯机

26(1)热芯盒射芯机

ZZ8612热芯盒射芯机①

加砂：振动电动机1工作，砂斗振动向射环筒3加砂。②

芯盒夹紧：夹紧气缸17推动夹紧器16完成芯盒的合闭，长降气缸7驱动工作台上升完成芯盒夹紧。③

射砂：落膜22上部排气，压缩空气由b密进入助射腔a，再通过射砂筒3的缝进入射砂筒，完成射芯。快速排气阀14打开排除射砂筒内余气。

④

加热硬化：加热板15通电加热，砂芯是受热硬化。⑤

开盒取芯：加热延时后，升降气缸7下降，夹紧缸17打开，取芯。2.5.1

热芯盒射芯机

27ZZ8625型射芯机（射芯工位）气动系统原理图图2-59ZZ8625型射芯机（射芯工位）气动系统原理图

28(1)热芯盒射芯机

热芯盒射芯机，与普通射芯机（烘干硬化）比较有以下优点：

1）生产效高：填砂与紧实同时完成，并立即在热的芯盒中硬化，一个循环周期仅需十几秒至几十秒，便可生产出供浇铸用的砂芯。

2）砂芯质量好：能射制任何复杂砂芯，而且尺寸精确、表面光洁，从而可以减少铸件加工余量。

3）可以省去很多制芯用辅助设备及工具，烘干器、芯骨等。

4）减轻劳动强度、操作灵活轻便、容易掌握，采用电加热，温度可自动控制，工作地易保持清洁，易于机械化、自动化。

5）如选配气体发生系统，可满足冷芯盒制芯的要求。2.5.1

热芯盒射芯机

29铁型覆砂自动化生产线（录像）2.5.1

热芯盒射芯机

302.5.2冷芯盒射芯机

冷芯盒制芯是指采用气体硬化砂芯，即射砂后通以气体（三乙胺、SO2或CO2等）使砂芯硬化。冷芯盒射芯机的结构与热芯盒射芯机的结构类似，只需增设一个吹气装置取代原有的加热装置。

31吹气冷芯盒射芯机1—底座

2—控制板

3—工作台

4—抽风管

5—射砂机构

6—横梁

7—加砂斗

8—振动电动机

9—加砂筒10—吹气机构

11—抽气罩

12—立柱

13—供气柜

14—旋转手轮

15—压力表

16—转盘冷芯盒射芯机有射芯机、气体发生器、净化装置以及液压、电气控制系统等组成。射芯机将芯砂吹入芯盒，然后由气体发生器将液态硬化剂蒸发成气态吹入芯盒，通过气态硬化剂与芯砂树脂膜之间的化学反应，使芯盒中的芯砂迅速硬化成所需形状和尺寸精度的砂芯，残留在砂芯中的有害气体则被干燥的压缩空气吹出。2.5.2冷芯盒射芯机

32冷芯盒射芯机用冷芯盒制芯机制备侧架铸钢件整体砂芯照片2.5.2冷芯盒射芯机

33冷芯盒制芯装备系统组成，通常包括：一台高速混砂机，一台全封闭射芯机，一台胺气发生装置、吹气控制系统及相应工装模具。冷芯盒射芯机具有如下优点：

（1）砂芯精度高，表面粗糙度低。砂芯常温下芯盒内实现硬化，模具尺寸稳定、砂芯精度高、变形小，铸件精度高。（2）硬化时间短、硬透性好，生产率高。砂芯硬化速度以秒计算，远远快于热芯盒、壳芯制芯工艺（3）不需加热，节省能耗；常温下工作，改善了劳动条件。（4）出芯后不到一小时即可浇注，减少贮存面积。（5）没有过硬化问题，容易制作壁厚差异大的砂芯。（6）对芯盒的材料要求较低，可用多种材料的模具；浇筑后易溃散，落砂性能好。2.5.2冷芯盒射芯机

342.5.3壳芯机

壳芯机基本上是利用吹砂原理制成的。其过程如图所示，依此经过芯盒合拢、翻转吹砂、加热结壳、回转倒出余砂、芯盒分开取芯等工序。壳芯机工作原理示意图a)起始位置b)芯盒合拢吹砂斗上升c)翻转吹砂加热结壳d)转回摇摆倒出余砂e)芯盒分开顶芯取芯

35壳芯照片壳芯是相对于实体芯而言的中空壳体芯。它以强度较高的酚醛树脂为粘结剂的覆膜砂、经加热硬化而制成。砂粒细，铸件表面光洁，尺寸精度高，芯砂用量少；加之砂芯中空，增加了型芯透气性和溃散性。在大型芯上广泛应用。2.5.3壳芯机

36K87型壳芯机为广泛使用的壳芯机，它由加砂装置、吹砂装置、芯盒开闭机构、翻转机构、顶芯机构和机架等组成。2.5.3壳芯机

37自动翻转式壳芯机普通水平脱模壳芯机3D打印型芯录像！2.5.3壳芯机

382.6铸件落砂与清理装备及自动化2.6.1铸件落砂

落砂就是待铸件冷却到一定温度后，将铸型破碎，使铸件从砂型中分离出来。落砂工序通常由落砂机完成。目前工业化国家比较广泛使用：普通式落砂滚筒；振动式落砂滚筒；机械手等。振动落砂法是由周期振动的落砂栅床将铸型抛起，然后铸型又自由下落与栅床碰撞，经过反复撞击，砂型破坏，最终铸件和型砂分离。EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

392.6.1铸件落砂单轴惯性振动落砂机结构简图

双轴惯性振动落砂机结构简图1-弹簧2-栅床3-主轴4-偏心块5-铸型1-偏心块2-栅床3-弹簧EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

40(1)双侧激振输送落砂机1—栅床2—振动电动机3—弹簧振动落砂机的结构简单、成本低等优点，但是噪音大，灰尘多，工作环境差。

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41振动电机振动筛EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院(1)双侧激振输送落砂机

42振动落砂振动紧实双振动电机驱动设备EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院(1)双侧激振输送落砂机

43双振动电机驱动设备双电机驱动时产生的水平方向上的合力为零，垂直方向上的合力叠加。即：Fx=Fx1-Fx2=0Fy=Fy1+Fy2=2Fy1EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院(1)双侧激振输送落砂机

44(2)振动式落砂滚筒的工作原理振动式落砂滚筒的工作原理1-工作部分2－增幅机构3－激振源4－振动电机滚筒+振动EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

45(3)落砂机械手机械手的动作示意图机械手的主从操纵方式示意图1，3—速度/位移传感器2—伺服电机EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

462.6.2铸件清理

铸件清理包括表面清理和除去多余的金属两部分。前者是除去铸件表面的砂子和氧化皮；后者主要包括去除浇冒口、飞边毛刺等。铸件表面清理的常用方法有：抛丸清理、喷丸清理等。抛丸清理：利用高速旋转的叶轮将弹丸抛向铸件，靠弹丸的冲击打掉铸件表面粘砂和氧化皮。该清理方法效果好，生产率高，劳动强度低，自动化程度高，在生产中应用广泛。其缺点是抛射方向不能任意改变，灵活性差。喷丸清理：利用压缩空气将弹丸喷射到铸件表面来实现的。喷枪的操作灵活，可清理复杂内腔和深孔的铸件；但生产效率低，工作环境恶劣，不易实现自动化，一般用于清理复杂铸件或作为抛丸清理的补充手段。EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

47抛丸清理示意图1-氧化皮绣斑体2-塑性变形区3-弹性变形区高速丸流的形成抛丸清理的工作原理:撞击会使零件表面产生压痕，其内层为塑性变形区，更深处为弹性变形区。在弹性力作用下，塑性变形区受到压缩应力，弹丸被反弹回去。附着层、塑性变形层与弹性变形层厚薄决定了所需的弹丸数量与速度。EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院（1）抛丸清理

48抛丸清理的分类:按照设备结构形式可分为：抛丸清理滚筒、抛丸清理振动槽、履带式抛丸清理机、抛丸清理转台、抛丸清理转盘、台车式抛丸清理室、吊钩式抛丸清理室、悬链式抛丸清理室、鼠笼式抛丸清理室、辊道通过式抛丸清理室、橡胶输送带式抛丸清理室、悬挂翻转器抛丸清理室、组合式抛丸清理室、专用抛丸清理室等。按作业方式可分为：间隙式抛丸清理设备和连续式抛丸清理设备。按工艺要求可分类为：表面抛丸清理、抛丸除锈、抛丸强化与抛丸落砂等。EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院（1）抛丸清理

49常用清理装备的型式及其特点EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

50常用清理装备的型式及其特点EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院

51抛丸生产线及抛丸设备(钢铁铸件)EAMP金属液态成形装备及自动化华中科技大学材料学院（1）抛丸清理

52抛丸落砂:抛丸落砂是一种以抛丸方法清除铸件内外表面型砂的清砂工艺。这种工艺与一般清砂工艺不同，可以同时完成落砂、表面清理、砂再生、除尘除灰砂子回用等四道工序。抛丸落砂与表面抛丸清理的区别在于：抛丸落砂采用强力抛丸器与高效丸砂分离器，抛丸速度70-75m/s，单台抛丸器的抛丸量不低于200kg/min，甚至高达500-1200kg/min，丸砂分离率达99.5%以上。而