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高紧实率潮型生产工艺与装备
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铸造机械/压铸设备展厅
造型机, 压铸机, 消失模铸造设备, 混砂机, 烘砂机, ...
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

(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (11/29/2004)
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