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消失模铸造生产系统的优化控制 |
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作者：李增民 李立新 谭建波 |
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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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(2/22/2005) |
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