1．高紧实率无箱造型概述
先进无箱造型机靠射砂或真空吸砂同时完成填砂和预紧实；靠挤压进行终紧实。一般上、下或左、右铸型同时生产，生产率高（已达320型／h）；省人力，占地面积小，装备简单，便于自动化和管理；铸型厚度可调，对铸件尺寸、品种等有一定适应性；装备投资较低。由于这些优点，故普遍用于生产简单或中等复杂的中、小件。德国1965～1994年新装造型线中无箱线占38％（见表1）。1992、1993年世界新造型线中垂直分型射-压无箱线数量占34％，能力（m3/h）占 42％（表2） DISA MATIC无箱垂直分型线自1964年起已售1000余条，至今仍竞争力强劲。水平分型无箱造型线品种较多，美国、德国、日本等国都有类似产品。然而，无箱与有箱造型相比，受吃砂量、铸件尺寸、重量、每型件数、采用复杂砂芯下芯和型运输等困难的局限性较大。 表1 1965年以来德国新装备粘土砂造型线情况
 表2 1992年、1993年全世界新提供的造型线情况
 2．几种造型紧实方法比较
1. 气冲造型（Air Impulse Molding）
如图1a、b所示，通过快开大面积阀门使压缩空气（≥ 0.5MPa）在瞬时（＜0.05s）形成冲击波，增压速率可达90MPa／s。一次冲击型砂可使铸型达到高紧实率，满足大部分铸件要求。  
（l）优点 ①结构及工艺过程简单；②造价较低；③阀位置及结构改进可使布气及型砂平面硬度分布较均匀（砂箱四角除外）。
（2）缺点及存在问题 ①对型砂粒形、水分、成分、性能要求严苛（见表1）；②圆形阀与矩形砂箱形成冲击死角，即使二次（“增益”）冲击也难克服砂箱周围尤其四角型砂紧实率低的先天弱点；③垂直方向型砂紧实率差别很大，砂箱填砂面方向型砂紧实率低，砂箱上松砂要刮掉，浪费型砂并增大砂处理系统设备安装容量和能耗达 1／5～1／4；为防浇注抬箱，要配置庞大的压铁机系统；由于远离模板的型砂紧实率低、砂箱壁与模样间“隙缝”效应和“搭棚”现象，造成铸型紧实率低及铸件表面质量差甚至出废品，为此只好加大吃砂量、降低砂箱平面及立面利用率；④能量浪费较大；⑤气冲击应力波（波速可达550m／s）强烈，噪声大并对地基破坏严重；⑥对多品种、变批量等生产变化适应性差。表1 各种造型方法对型砂要求
注：型砂各成分含量皆指质量分数 2．气冲造型的改良
（1）多功能冲击造型系统（Air Impulse Molding Multi-System）见图1c，该机在大面积气冲阀基础上增设硅胶平板压头，根据需要，可在一冲、二冲、冲-压、二冲-压和压实等五种造型方案中任选。
1）优点：可克服气冲前述的②、③和⑥缺点，适应多品种生产。
2）缺点：使气冲造型机变得复杂、造价高，能耗高、噪声大和破坏基础的缺点依然存在。
（2）气动力冲击造型（Air Dynamic Shock Molding） 紧实单元由气动-液压缸操纵的驱动装置和紧实冲击头组成。冲击头下端冲击板被分成独立活动的若干区域（与砂箱内口尺寸相应），每块冲击板冲程、气缸压力和紧实速度（0.5～5m／s）等参数均可调；冲击头内若干气缸驱动的活塞杆连接直径50～60mm圆柱形舂砂杆，舂砂杆可穿过冲击板紧实深部位型砂。每个气缸由一单独控制阀与压缩气源相连。可根据需要通过预加载荷调整着砂杆冲程和舂砂压力。通过计算机可编程序控制器进行更换模板，调整工艺参数以及生产过程等控制。总之，该法属于用气冲方法实现机械紧实。
1）优点：基本克服气冲前述②、③缺点；舂砂杆紧实后，在铸型填砂面留下很多凹陷，提高铸型透气性。
2）缺点：①结构更复杂，对每个铸件都需模拟试验确定工艺参数；②对型砂要求更严苛（见表1）；③气压能转机械能，驱动阻力大，能量转换损失大，效率低，能耗高；④铸型紧实工艺质量不及气流-技压造型。
3.气流（预紧实）-挤压造型（Air flow-Squeeze Molding）
（l）压气流（预紧实）-液压多触头挤压造型见图2a，重力填砂后从型砂上方通压缩空气，带动型砂流向模板，空气通过设置在模板上（砂箱内口及模型沿周）和模型上必要部位的排气筛(Exhaust Screen)，如图3所示，排入大气。吹气压力0.4～0.7MPa，压力梯度0.5～3MPa，可延时0.4～1.5s(均由可编程序控制)。 
图3 排气筛及其效果
a) 轮毂砂型 b) 轮毂模上排气筛 c) 排气筛对铸型硬度影响
d) 用模板上带排气筛铸造的内齿圈铸件 e) 内齿圈模板上排气筛
1）优点：①对型砂适应性强（见表1）；②振动小，噪声小，对基础无破坏；③型砂吹气预紧实过程将微细颗粒（煤粉等）带到模样表面，铸件表面光洁；④气流吹通型砂粒间空隙，形成通道，增加铸型透气性（气流预紧实砂型多孔性32.9％，传统紧实砂型29.2％）；⑤对模样要求低，可用任何模样材料，表面磨损少；⑥气流达到模样表面后沿表面流动，减轻型砂对模样表面粘附力且型高度方向紧实率均匀，可减小拔模斜度（0º～0.1º），从而可以减轻铸件重量2％以上；⑦排气筛使挤压紧实时砂粒间空气继续由排气筛排出，杜绝了传统压实的气压反弹阻力，可在减少液压缸直径、节能情况下提高型紧实率。同时，设置排气筛在铸型起模时减少型砂负压阻力，模样复制性极好，棱角清晰，铸件工艺出品率高，见图3c、d、e；⑧分室调压多触头浮动液压缸可灵活调整油压，使砂紧实率均匀，且浇注时可不用压铁；⑨吃砂量可小到30mm；⑩铸型综合工艺性能好，适应范围广。
2）缺点：比真空吸式增加填砂延时，能耗高和噪声较大。
3）发展方向：为进一步增加对铸件生产适应性，适当扩大预紧实可调参数范围，如压缩空气压力0.4～0.7MPa，压力梯度3～MPa(不宜＞10MPa)和气流延时0.4～2s。使气流-挤压造型更趋完善、灵活、成熟，促使气冲造型退出市场完全向气流-挤压靠拢。
（2）真空（预紧实）-技压造型真空填砂、预紧实一多触头挤压造型，见图2c。
1）优点：①节省单独填砂工序、时间；②可比气流预紧实减低填砂框高度；③噪声小，能耗低（20％～30％）。
2）缺点或存在问题：①填砂机构要求气密性好并填砂均匀、快速；②填砂框、砂箱和模板之间都要求密封；③该机抽真空点在模板以上，抽真空方向与填砂方向相反，从动力学讲没有压气流带排气筛预紧实的优点之③、④、⑥和⑦
（3）真空-气流-挤压多功能造型 德国KW公司在压气流-挤压造型基础上加一套抽真空装置。
1）优点：①功能多，并可在气流-挤压、真空-挤压、真空-气流-挤压或只压实等四种方案中任选或轮换，增加了对多种产品的适应性；②可缩短境砂工序时间。
2）缺点：结构较复杂，造价增加。
（4）真空吸气流填砂并预紧实-挤压造型见图2d。
1）原理：①抽真空点设置在模板框下面、压实台上；②模板上安足够数量排气筛；③填砂前抽真空；④填砂同时继续抽真空形成吸气流，延时0.5～1.58，达一定预紧实和提高透气率；⑤液压挤压；⑥回程取模。
2）优点：①具有压气流预紧实全部优点；②较压气流重力填砂省时，增加投砂速度和初紧实率；③从砂箱填砂面进气，面积大、阻力小、吸气流均匀，放较压气流紧实均匀；④能耗低；⑤噪声小；⑥结构简单；⑦造价低；⑧较压气流预紧实模板框（Bolster）高度可降低200～300mm，简化结构、减轻质量60％以上，从而降低设备总标高、减轻挤压液压缸负荷和便于快换模板；⑨可全线用真空系统代替压缩空气进行清扫等作业，无粉尘飞扬、噪声小。
3）缺点：同（2）真空-挤压缺点中的①、②。
4. 模板反压造型技术
（1）重力填砂预紧实模板反挤压造型图4a为意大利FORMIMPRESS成形挤压造型机。定量砂斗下口距模板≥1.5m，靠重力加速度预紧实；补砂框在模板与砂箱间，模样自下方挤入砂箱内型砂，多触头从填砂面终紧实。定量斗中砂量由计算机软件根据铸件调整控制。
图4 模板反压造型
a) 意大利 Euroimpianti公司FORMIMPRESS b) 德国KW公司Counter Squeeze Procedure
1）优点：①模样表面型砂紧实率高且均匀，模样复制性好，可生产拔模斜度小的薄壁铸件；填砂面型砂紧实度可调，透气性较好；②只靠液压驱动，能耗比气冲省60％，比气流-挤压省30％；③噪声最小，＜85dB；④结构简单，造价低，维护易；⑤操作简便，生产率高；⑥可用面背砂。
2）缺点：①模样磨损较大；②模板与箱口位置(即挤压行程)误差难控制；③模板侧面与补砂框内侧摩擦面密封问题不易解决；④为控制铸型紧实率及强度，更换模板后要调整砂量。
3）改进：①模板设置排气筛，消除气压反弹，提高紧实率及紧实均匀性；②用动态液冲压(Hydro-Dynamic shock Squeeze)提高紧实效率及均匀性。
（2）气流预紧实-模板反压-多触头正压造型(KW公司，Counter Squeeze Procedure,图4b)有上、下补砂框。紧实机构由带气流孔的多触头和液压缸组成。工作步骤为：①先气流预紧实，②多触头初压，③模板反压到砂箱分型面，④多触头终压。
1）优点：①同（1）之①；②铸件品种适应性大。
2）缺点：同（1）之①、②、③、④；⑤结构复杂，造价高。
3．高紧实率潮型用砂质量及其控制
型砂铸型质量的基础。高紧实率潮型及其铸件质量处型砂质量影响尤大。
1. 提高并稳定型砂质量的措施
提高型砂质量，稳定其温度、湿度、成分和性能等工艺参数，须抓好以下诸点：
1）原材料(尤其纳基膨润、α淀粉、煤粉等)和包括旧砂在内质量定量精确性；
2）旧砂处理(湿度、湿度的检测、控制及去除铁等杂质)装备的成套性，如图1为一例。
3）高效混砂机及型砂湿度、温度、紧实率和湿强度等计算机辅助在线检测，闭环控制系统；
4）多品种生产计算机辅助动态平衡随机控制系统，可按铸件不同及时调整、控制型砂成分及性能；
5）智能化型砂质量控制。应用专家系统和神经元网络于型砂管理。
2. 型砂处理系统的闭环控制
型砂处理系统采用闭环生产流程。包括封闭运输、处理、检测控制、强制抽风排尘、粘土等收集复用和潮型旧砂再生，接近零排放。以提高质量、降低成本，并达到清洁生产目的。
图 1 典型先进砂处理系统二例
a) 旧砂处理及检测系统 b) 型砂混制及检测系统
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