消失模铸造生产系统的优化控制数控机械

消失模铸造生产系统的优化控制

消失模铸造生产系统的优化控制 2011年12月04日 来源： 摘 要 讨论了消失模铸造生产系统中各关键技术点的优化控制问题，如各种原材料的控制、模型及涂料制备工艺的控制、干砂造型的控制以及各工艺条件的控制等。通过控制各关键技术点，将工艺条件的稳定作为稳定生产的基本要素。特别是随着消失模铸造技术的普及，许多中小企业相继投产，并且暂时还不完全具备消失模铸造生产的标准条件，在这样形势下，加强其他条件和利用相应的补偿措施，也可以生产出合格的铸件。关键词：消失模铸造、生产系统、优化控制消失模铸造技术的优势体现的越来越明显，许多中小企业相继投产。特别是近几年来消失模铸造企业如雨后春笋，从消失模铸造设备厂家的订货需求可以明显体会到这一点。但是，也有不少消失模铸造企业投产后不久纷纷下马。其中缘由在于许多企业对消失模铸造工艺了解不深入，一开始看起来消失模铸造工艺很简单，没有充分估计到它的规律性和复杂性，仓促上马，结果在实际生产中遇到意想不到的问题，又没有心理准备，对出现的问题束手无策，又匆匆下马。结果既浪费时间、资金和精力，又要丢掉市场，得不偿失。实际上，消失模铸造是一个系统工程，理论上可以用于生产各种铸件，并且在实验室取得了广泛的成功。但是，由于我国消失模铸造模型材料普遍采用包装用的 泡沫聚苯乙烯(EPS)，并且专用涂料技术还没有形成技术优势，加之干砂振动技术和消失模铸造工艺也不成熟，从而导致许多初上企业，特别是中小企业对于这些认识还不深入，所以才会出现一哄而上又一哄而下的被动局面。那么消失模铸造技术在我国真的没有发展前景吗？答案是否定的。通过十多年的生产实践，我国采用消失模技术进行铸造生产的企业，已由开始阶段不到十家发展到目前的数百家就是一个有力的证明。消失模铸造生产在我国有许多成功的实例，没有达到预期效果而下马的企业也有相当多的数量。分析成功的经验和失败的教训，对于消失模铸造在我国的发展前景，关键在于对这种工艺的认知程度，在于对该工艺生产系统的优化控制，包括对原材料、涂料技术、干砂紧实技术以及消失模铸造工艺技术的优化控制等[1]。一、原材料的优化控制消失模铸造生产需要的原材料大致分为模型原材料、干砂原材料、涂料原材料、合金熔炼原材料等几个方面。由于消失模铸造工艺是一项系统工程，原材料的选择尤为重要。所以控制各种原材料的质量和参数就成了消失模铸造成败的基础。模型材料通常称之为珠粒，铸造上采用的珠粒一般分为两种类型，即聚苯乙烯(PS-Polystyrene)珠粒和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA-Polymethyl Methacrylate)珠粒，二者都属于高分子材料。另外还有一种PS+PMMA的聚合物。对于低碳钢铸件，模型材料中的碳易使铸件表面产生增碳现象，从而导致各种碳缺陷。其中PS(含碳92％)、PS＋PMMA共聚物、PMMA(含碳60％)对铸件的增碳影响程度依次减小[2]。此外，模型的密度是其发气量的重要控制参数，上述三种材料的发气量从小到大依次为PS、PS＋PMMA共聚物、PMMA。同时，珠粒的尺寸应根据所生产铸件的壁厚进行选择，一般情况下，厚大铸件选用较粗粒径的珠粒，反之薄壁铸件选用较细粒径的珠粒，使铸件最薄部位保持三个珠粒以上为宜。另外，模型材料的预发和成形控制也是技术成功的一个关键。一般情况下，预发珠粒其密度控制在约0.024～0.03g/cm3，其体积约为原珠粒体积的30倍。成形模型的密度控制在约0.02～0.025g/cm3。干砂是消失模铸造的造型材料，由于该工艺的特点，选择干砂应与生产的铸件材质有关，高温合金采用耐火度较高、颗粒较粗的干砂。目前干砂主要使用天然石英砂，应去除砂中的铁渣、粉尘和水分，并保持使用温度不高于50℃。涂料是消失模铸造中必不可少的原料，现在许多铸造厂采用自制涂料。涂料的主要作用是提高模型的强度和刚度、防止破坏或变形；隔离金属液和铸型；排除模型气化产物；保证铸件表面质量等。消失模涂料中耐火骨料主要有锆英粉、铝矾土、棕刚玉粉、石英粉、滑石粉、莫来石粉、云母粉等。其粒径级配应兼顾防止粘砂和高温透气性，粒形有利于提高透气性，通常选择一定数量的球状颗粒，有利于模型气化后气体的逸出或模型不完全分解的液化产物的排除。 二、涂料制配的控制消失模铸造涂料的载体多采用水基，以利于环境保护。其粘接剂主要包括粘土、水玻璃、糖浆、纸浆废液、白乳胶、硅溶胶等。在选择粘接剂考虑以下几个方面因素：高温发气性；涂挂性；涂层强度和刚度；浸蚀模型性等。悬浮剂用于防止涂料发生沉积、分层、结块，使涂料具有触变性。一般可采用膨润土、凹凸棒石粘土、有机高分子化合物及其复合体等。另外消失模涂料中还需添加表面活性剂，以增加涂料的涂挂性，提高涂料与模型表面的亲和性和结合强度。此外还常常加入其他添加剂，如消泡剂、减水剂、防腐剂、颜料等[3]。为此，要求涂层具有良好的强度、透气性、耐火度、绝热性、耐急冷急热性、吸湿性、清理性、涂挂性、悬浮性等。综合起来主要包括工作性能和工艺性能。涂料的工作性能包括强度、透气性、耐火度、绝热性、耐急冷急热性等，主要是在浇注和冷却过程中应具有的性能，其中最重要的是强度和透气性。而涂料的工艺性能包括涂挂性、悬浮性等，主要是在涂挂操作中所要求的性能。一般消失模铸造多采用水基涂料，涂料与模型一般不润湿，从而要求改进水基涂料的涂挂性。涂挂性是指模型涂挂涂料后一般需要悬挂干燥，希望涂料在涂挂后尽快不滴不淌，确保涂料层的均匀性，减少环境污染。悬浮性是指涂料在使用过程中，涂料保持密度的均匀性，不发生沉积现象。涂料的制配工艺控制是涂料技术的关键环节。国产涂料多采用碾混、辊混或搅拌工艺。根据生产实践，碾混和辊混其质量优于搅拌。建议有条件的企业可采用碾混或辊混方法制配涂料。由于不同的合金对涂料的作用情况不同，建议根据合金种类的不同研制相应的涂料，如铸铁涂料、铸钢涂料、有色合金涂料等。在涂料配置和混制过程中，应尽量使用合理的骨料级配，使骨料和粘接剂及其它添加剂混合均匀。除了涂料性能达到要求外，涂敷和烘干工艺对生产也具有一定影响。生产上多采用浸涂，最好是一次完成。也可以分两次涂敷，但应每次涂敷后要进行烘干，烘干时注意烘干温度的均匀性和烘干时间，保证涂层干燥彻底并不开裂。三、干砂造型工艺的控制干砂造型是将模型埋入到砂箱中，在振动台上进行振动紧实，保证模型周围干砂充填到位并获得一定的紧实度，使型砂具有足够的强度抵抗金属液的冲击和压力。干砂造型第一步是向砂箱中加入干砂，加砂时为保证干砂的充填到位，首先在砂箱中加入一定厚度的底砂并振动紧实，然后放入模型簇，再加入一定厚度的干砂，将模型簇埋入到三分之一到二分之一，再进行适当振动，以促使干砂向模型内腔充填。最后填满砂箱进行振动，振动时间不宜过长，以保证模型不出现损坏和变形，同时保证涂料层不发生脱落和裂纹。振动参数应根据铸件结构和模型簇形式进行选择，对于多数铸件，一般应采用垂直单向振动，对于结构比较复杂的铸件，可考虑采用单向水平振动或二维和三维振动。振动强度的大小对干砂造型影响很大，用振动加速度表示振动强度。对于一般复杂程度的铸件和模型簇，振动加速度在10～20m/s2之间。而振幅是影响模型保持一定刚度的重要振动参数，消失模铸造振幅一般在0.5～1mm[4]。振动时间的选择比较微妙，应结合铸件和模型簇结构进行选择。但总体上振动时间约控制在1～5min为宜。同时底砂、模型簇埋入一半时的振动时间尽量要短，可选择1～2min，模型簇全部埋入后的振动时间一般控制在2～3min即可。四、铸造工艺的控制消失模铸造工艺包括浇冒口系统设计、浇注温度控制、浇注操作控制、负压控制等。浇注系统在消失模铸造工艺中具有十分重要的地位，是铸件生产成败的一个关键。在浇注系统设计时，应考虑到这种工艺的特殊性，由于模型簇的存在，使得金属液浇入后的行为与砂型铸造有很大的不同。因此浇注系统设计必定与砂型铸造有一定的区别。在设计浇注系统各部分截面尺寸时，应考虑到消失模铸造金属液浇注时由于模型存在而产生的阻力，最小阻流面积应略大于砂型铸造。由于铸件品种繁多、形状各异，每个铸件的具体生产工艺都有各自的特点，并且千差万别。这些因素都直接影响到浇注系统设计结果的准确性。为此，可将铸件以某种方式进行分类。针对中小铸件，可按铸件生产工艺特点进行分类，如表1所示[2]。模型簇组合方式可基本反映铸件的特点，以及铸件的补缩形式。浇注系统各部分截面尺寸与铸件大小、模型簇组合方式以及每箱件数都有关系。为此，在设计新铸件的工艺时，应根据铸件特征，参照同类铸件浇注系统特点有针对性地进行计算。

表1 铸件分类模型模型簇组合方式应用范围补缩方式一箱一件较大的铸件冒口补缩组合在直浇道上（无横浇道）小型铸件直浇道（或冒口）补缩组合在横浇道上小型铸件横浇道（或冒口）补缩组合在冒口上小型铸件冒口补缩

因为模型的存在，在浇注过程中模型气化需要吸收热量，所以消失模铸造的浇注温度应略高于砂型铸造。对于不同的合金材料，与砂型铸造相比，消失模铸造浇注温度一般控制在高于砂型铸造30～50℃。这高出30～50℃的金属液的热量可满足模型气化需要的热量。浇注温度过低铸件容易产生浇不足、冷隔、皱皮等缺陷。浇注温度过高铸件容易产生粘砂等缺陷。消失模铸造浇注操作最忌讳的是断续浇注，这样容易造成铸件产生冷隔缺陷，即先浇入的金属液温度降低，导致与后浇注的金属液之间产生冷隔。另外，消失模铸造浇注系统多采用封闭式浇注系统，以保持浇注的平稳性。对此，浇口杯的形式与浇注操作是否平稳关系密切。浇注时应保持浇口杯内液面保持稳定，使浇注动压头平稳。负压是黑色合金消失模铸造的必要措施。负压的作用是增加砂型强度和刚度的重要保证措施，同时也是将模型气化产物排除的主要措施。负压的大小及保持时间与铸件材质和模型簇结构以及涂料有关。对于透气性较好、涂层厚度小于1mm的涂料，对铸铁件负压大小一般在0.04～0.06MPa，对于铸钢件取其上限。对于铸铝件负压大小一般控制在0.02～0.03MPa。负压保持时间依模型簇结构而定，每箱中模型簇数量较大的情况，可适当延长负压保持时间。一般是在铸件表层凝固结壳达到一定厚度即可却去负压。对于涂层较厚及涂料透气性较差的情况，可适当增大负压及保持时间。(end)

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