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消失模铸造工艺论文资料
北京电子科技职业学院
BeijingElectronicScienceandTechnologyVocationalCollege
先进制造技术(论文)
设计题目消失模铸造工艺
学院机械工程学院
系部机械制造系
专业机械制造及自动化
班级11机械制造2班
姓名韩立阳石丽红王亚丽
指导教师龚老师
2013年10月
消失模铸造工艺
一摘要
“消失模铸造”又称“气化模造型”、“泡沫聚苯乙烯塑料模铸造”“实型铸造”或“无型腔铸造”等。
这种铸造方法的实质是采用泡沫聚苯乙烯塑料代替普通模样,造好型后不取出模样就浇入金属液,在灼热液体金属的热作用下,泡沫塑料模气化、燃烧而消失,金属液取代了原来泡沫塑料模所占据的空间位置,冷却凝固后即可获得所需要的铸件。
本文由浅入深,图文并茂,对消失模铸造工艺进行了全面的讲述,目的是紧跟国内外研究现状及发展趋势,结合我国国内企业的具体情况,不断完善消失模铸造工艺,为模具行业的发展作出自已的贡献。
关键词:
消失模铸造无型腔造型气化取代凝固
二目录
一摘要·····································································2
二目录·····································································3
三研究背景·································································4
四消失模铸造工艺···························································6
4.1消失模的制造··························································6
4.1.1可发性聚苯乙烯珠粒的制取···········································7
4.1.2预发泡·····························································7
4.1.3熟化······························································7
4.1.4成型······························································7
4.2模型组合成簇························································8
4.3模型涂层······························································8
4.3.1涂层的作用·························································8
4.3.2对涂料的要求························································8
4.3.3消失模铸造的涂料····················································8
4.4造型··································································9
4.4.1砂床制备····························································9
4.4.2放置EPS模型并填沙··················································9
4.4.4密封定型····························································9
4.5浇注置换·····························································10
4.6冷却清理·····························································10
五消失模铸造特点···························································10
六常见消失模铸造工艺缺陷分析···············································11
6.1铸型损坏·····························································11
6.2浇注不足·····························································11
6.3 粘砂································································11
6.4 铸钢件表面增碳······················································12
6.5 气孔································································12
6.6 发泡模变形而致铸件变形··············································12
6.7浇道喷溅金属液·······················································12
七消失模铸造工艺的应用·····················································12
八消失模铸造工艺发展趋势···················································13
8.1国外消失模铸造现状及发展趋势·········································13
8.1.1热点之一:
减轻或消除消失模铝合金铸造缺陷···························13
8.1.2热点之二:
发泡模具及白区制模技术··································14
8.1.3热点之三:
消失模铸造CAE和快速成型技术·····························14
8.1.4北美和欧洲消失模铸造企业的基本情况·································14
8.2国内消失模研究及应用现状············································16
8.2.1国内消失模企业介绍·················································16
8.2.2消失模铸造的研究开发情况···········································18
8.2.3目前存在的主要问题·················································18
8.3国内消失模铸造水平与国外的比较········································19
九致谢·····································································19
十参考文献·································································19
三研究背景
3.1传统造型:
砂型铸造(手工造型)
传统造型工艺流程:
制模、配砂、造型、造芯、合型、熔炼、浇注、落砂、
清理和检验。
下图
(1)、
(2)、(3)分别为砂型造型的示意图。
(1)
(2)(3)
3.2消失模造型
消失模铸造工艺与普通铸造的根本差异在于没有型腔和分型面。
如图(4)
消失模铸造工艺目前应用较为普遍的是无粘结剂的干石英砂造型法。
如图(5)
(a)
(4)
(6)
图(5)为消失模铸造示意图
3.3实型铸造与砂型铸造相比所具有的优势
a.简化铸件生产工序,缩短生产周期
b.降低了铸件废品率,提高了铸件质量
c.实型铸造能避免普通砂型铸造因起模、组芯及合箱等所引起的铸件尺寸误差和缺陷,使铸件尺寸精度提高。
d.增大了铸件设计的自由度,由于模样没有分型面,因而很多普通砂型铸造难以实现的问题在实型铸造时却容易解决。
产品设计者可根据总体需要设计铸件结构。
e.提高了材料利用率
与传统的铸造技术相比,消失模铸造技术具有与无伦比的优势,因此被国内外铸造界誉为“二十一世纪的铸造技术”和“铸造工业的绿色革命”。
1956年美国人H.F.SHOYER开始了将聚苯乙烯泡沫塑料用于铸造的试验,并获得成功,1958年以专利形式公布于众,称之为“无型腔铸造”。
开始只是用来制造金属雕像等艺术品铸件,1962年西德从美国引进专利,消失模铸造法才开始了工业应用。
1964年美国的T.R.SMITH发表了使用无粘结剂干砂造型生产消失模铸件专利。
到了1967年,采用普通粘土砂和自硬砂的消失模铸造法获得了成功,并在许多国家得到了应用,生产了成千上万吨铸件,但无粘结剂干砂实型铸造却没得到发展,仍处于探索阶段。
在六十、七十年代,消失模铸造法仅限于单件小批生产,典型产品是汽车模具、机器底座、艺术品等。
1968年,德国人E.KRYZMOWSKI在砂箱内抽成负压进行浇注,取得了专利,即现在的消失模铸造。
八十年代以前,由于工艺、型砂和涂料等问题以及模型质量不高所导致的实型铸件外观及内在质量不够好,使得消失模铸造法发展缓慢。
1981年以后,由于发泡聚苯乙烯原料珠粒有了很大进步、模型组合粘结剂质量改善、高质量涂料被研制成功等工艺技术的进步,消失模铸造法得以迅速发展,并很快在生产上得到应用。
1982年美国首先公开了世界上第一条生产复杂铝铸件的消失模铸造生产线。
至此,消失模铸造作为一种全新的铸造工艺方法被应用于生产。
1979年,由我国著名消失模铸造专家、中国科学院长春光学精密机械研究所研究员黄述哲教授领导的课题组,在中国最早开始了消失模铸造的原理性试验。
同年,黄述哲教授在全国铸造工艺学会上发表了“消失模铸造基本特性的研究”论文报告,在国内首次系统阐述了这一方法的特点和规律性。
消失模铸造技术自九十年代开始在我国进入工业化应用,经过十几年的发展,具有了一定规模。
消失模铸造技术也被国家重点推广而成为改造传统铸造业应用最广泛的高新技术。
四消失模铸造工艺
消失模工艺流程:
泡沫塑料珠粒预发泡模样成形发泡模样组合(粘接)涂刷涂料造型(填砂)浇注落砂
消失模铸造工艺过程如图(7)、(8)
(7)(8)
4.1消失模的制造
消失模铸造用的气化模为蜂窝状闭孔结构,约10000个/cm3个封闭的泡孔,其孔径为∮50um,壁厚约0.1——0.3um,净体积仅为致密的聚苯乙烯塑料的2%左右。
实型用泡沫塑料的特点及其要求:
a.比重小,气化速度快,发气量和残留物少。
b.气化温度低,气化时所需热量少
c.材料的表面强度及表面较好,模样在制造、
搬运、保管和造型的过程中不易损坏和变形。
d.材料组织尽量细密、均匀,加工性能好,
制造出来的模样表面光洁、平整。
e.泡沫塑料模样表面易于涂料,烘干后涂
料层能牢固地粘附在模样表面上。
f.来源丰富、价格便宜(9)
泡沫塑料的种类很多,有聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛和聚氨酯泡沫塑料等。
试验表明,泡沫聚苯乙烯塑料是实型铸造较理想的模制材料。
其密度为0.015——0.035g/cm3,加热至1000℃时,其发气量为105cm3/g,气化后残留物仅占总重量的0.015%左右。
而泡沫酚醛塑料在同样的温度下的发气量为600cm3/g,残留物为44%。
泡沫聚氨酯塑料的发气量达到730cm3/g,残留物14%。
因此,在实际生产中广泛采用泡沫聚苯乙烯塑料制造气化模。
聚苯乙烯珠粒的制取、预发泡、熟化、成型是关键步骤。
图(9)为气化模的工艺图
4.1.1可发性聚苯乙烯珠粒的制取
在聚苯乙烯珠粒(透明固体、密度约为1.05cm3/g)中
加入低沸点的碳氢化合物,如石油醚、丙烷、丁烷、戊烷和
异丙烷等作为发泡剂,在加温加压的条件下,发泡剂将渗透
到聚苯乙烯分子链之间,使聚苯乙烯颗粒膨胀,冷却后均匀
分散在珠粒内,成为细小又繁多的发泡核心。
渗透有发泡剂
的珠粒,当加热至80—100℃时,聚苯乙烯开始软化,发泡剂
气化并产生膨胀力,软化后的聚苯乙烯珠粒膨胀胀成为具有无
数的微小细孔的泡沫塑料,成为可发性聚苯乙烯珠粒。
图(11)
为可发性的聚苯乙烯珠粒。
(11)
4.1.2预发泡
将可发性聚苯乙烯珠粒加热到80—100℃时,达到其玻璃化温度,
珠粒开始软化并具有良好的塑性。
由于珠粒中的发泡剂受热气化产生压
力,使珠粒膨胀,形成互不连通的蜂窝状结构。
泡孔一形成,蒸汽就向
泡孔内渗透,发泡剂同时也向外逸。
由于蒸汽的渗透速度大于发泡剂的
外逸速度,使泡孔内的压力逐渐增大,泡孔的尺寸进一步涨大,直至泡
孔内外壁所受的压力相等。
为了保证聚苯乙烯塑料泡孔的完整性,发泡
剂所产生的压力和蒸汽压力不宜过大,通蒸汽的时间也不宜过长。
根据
加热介质的不同,预发泡的方法有红外线、高频、热水、蒸汽和真空预
发泡等五种。
前三种方法预发泡的倍数小,发泡速度慢,成本高,一般
用于制造密度较大的气化模。
常采用的是热水和蒸汽预发泡方法。
图(12)
(12)为聚苯乙烯珠粒发泡后的状态
4.1.3熟化
将预发泡的聚苯乙烯珠粒在空气中放置16——24小时,让空气渗透到珠粒的泡孔内,使泡孔内外的压力平衡,珠粒变成干燥并有弹性,变形后能恢复原来的形状,这个过程叫熟化。
用未经熟化的珠粒发泡很难成型为气化模。
4.1.4成型
把经预发泡并熟化处理的泡沫聚苯乙烯珠粒用压缩空气吹入金属压
型里,加热使其软化膨胀,充满整个压型,然后降低蒸汽压力,冷却后
可获得所需的气化模。
图(13)、(14)为成形后的消失模
加热的方法有热水成型法、蒸缸成型法、压机气室成型法和高频加
热成型法等四种。
(13)(14)
4.2模型组合成簇
将自行加工好(或外购)的泡塑模型与浇冒口模型组合粘结在一起,形成模型簇,这种组合有时在涂料前进行,有时在涂层制备后埋箱造型时进行。
这是消失模(实型)铸造不可缺少的一道工序。
目前使用的粘结材料:
橡胶乳液、树脂溶剂和热熔胶及胶带纸。
4.3模型涂层
消失模铸造泡塑模型表面必需涂一层一定厚度的涂料,形成铸型内壳。
4.3.1涂层的作用
涂料在消失模铸造工艺中具有十分重要的控制作用:
a.涂层将金属液与干砂隔离,可防止冲砂、粘砂等缺陷;
b.浇注充型时,涂层将模样的热解产物气体快速导出,可防止浇不足、气孔、夹渣、增碳等缺陷产生;
c.涂层可提高模样的强度和刚度,使模样能经受住填砂、紧实、抽真空等过程中力的作用,避免模样变形。
4.3.2对涂料的要求
为了获得高质量的消失模铸件,消失模铸造涂料应具有如下性能:
a.良好的透气性(模样受热汽化生成的气体容易通过涂层,经型砂之间的间隙由真空泵强行抽走);
b.较好的涂挂性(涂料涂挂后能在模样表面获得一层厚度均匀的涂层);
c.足够的强度(常温下能经受住搬运、紧实时的作用力使涂层不会剥落,高温下能抵抗金属液的冲刷作用力);
d.发气量小(涂料层经烘干后,在浇注过程中与金属液作用时产生的气体量小);
低温干燥速度快(低温烘干时,干燥速度快,不会产生龟裂、结壳等现象)。
4.3.3消失模铸造的涂料
根据分散介质(溶剂)的不同,消失模铸造涂料又可分为水基涂料和有机溶剂快干涂料两大类。
图(15)消失模铸造铸造涂料
(15)
表1为几种典型的消失模铸造水基涂料配方(配方中耐火材料为100%)
4.4造型
其工序包括如下工序:
砂床制备——放置EPS模型——填砂——密封定型
4.4.1砂床制备
将带有抽气室的砂箱放在振动台上,并卡紧。
底部放入一定厚度的底砂(一般砂床厚度在50~100mm以上),振动紧实。
型砂为无粘结剂、无填加物、不含水的干石英砂。
黑色金属温度高,可选用较粗的砂,铝合金采用较细砂子。
型砂经处理后要反复使用。
砂箱为单面开口、设有抽气室或抽气管、起吊或行走机构的砂箱。
4.4.2放置EPS模型并填沙
在模样放入砂箱内紧实之前,砂箱的底部要填入一定厚度的型砂作为放置模样的砂床(砂床的厚度一般约为100mm)。
然后放入模样,再边加砂、边振动紧实,直至填满砂箱、紧实完毕。
为了避免加砂过程中因砂粒的冲击使模样变形,由砂斗向砂箱内加砂常采用柔性管加砂、雨淋式加砂两种方法。
前者是用柔性管与砂斗相接,人工移动柔性管陆续向砂箱内各部分加砂,可人为地控制砂粒的落高,避免损坏模样涂层;后者是砂粒通过砂箱上方的筛网或多管孔雨淋式加入。
雨淋式加砂均匀、对模样的冲击较小,是生产中常用的加砂方法。
注意消失模铸造通常采用五粘结剂的石英散砂来填充、紧实模样,砂粒的平均粒度一般为AFS25~45。
粒度过细,有碍于浇注时塑胶残留物的逸出;粗砂粒则会造成金属液渗入,使得铸件表面粗糙。
砂子粒度分布集中较好(最好都在一个筛号上),以便保证型砂的高透气性。
4.4.4密封定型
消失模铸造中干砂的加入、填充和紧实是得到优质铸件的重要工序。
砂子的加入速度必须与砂子紧实过程相匹配,如果在紧实开始前将全部砂子都加入,肯定会造成变形。
砂子填充速度太快会引起变形;但砂子填充太慢会造成紧实过程时间过长,生产速度降低,并可能促使变形。
消失模铸造中型砂的紧实一般采用振动紧实的方式,紧实不足会导致浇注时铸型壁塌陷、胀大、粘砂和金属液渗入,而过度振动会使模样变形。
振动紧实应在加砂过程中进行,以便使砂子充入模型束内部空腔,并保证砂子足够紧实而又不发生变形。
4.5浇注置换
EPS模型一般80℃左右软化,420~480℃时分解。
分解产物有气体、液体及固体三部分。
热分解温度不同,三者含量不同。
型铸造浇注时,在液体金属的热作用下,EPS模型发生热解气化,产生大量气体,不断通过涂层型砂,向外排放,在铸型、模型及金属间隙内形成一定气压,液体金属不断地占据EPS模型位置,向前推进,发生液体金属与EPS模型的置换过程。
置换的最终结果是形成铸件。
浇注操作过程采用慢——快——慢。
并保持连续浇注,防止浇注过程断流。
浇后铸型真空维持3~5分钟后停泵。
浇注温度比砂型铸造的温度高30~50℃。
4.6冷却清理
消失模铸件落砂后的型砂温度很高,由于是干砂,其冷却速度相对也较慢,对于规模较大的流水生产的消失模铸造车间,型砂的冷却是消失模铸造正常的关键,型砂的冷却设备是消失模铸造车间砂处理系统的主要设备。
用于消失模铸造型砂的冷却设备主要有振动沸腾冷却设备、振动提升冷却设备、砂温调节器等。
常把振动沸腾冷却或振动提升冷却作为初级振动沸腾冷却设备、振动提升冷却设备、砂温调节器,而把砂温调节器作为最终砂温的调节设备,以确保待使用的型砂的温度不高于40~50℃。
冷却后,实型铸造落砂最为简单,将砂箱倾斜吊出铸件或直接从砂箱中吊出铸件均可,铸件与干砂自然分离。
分离出的干砂处理后重复使用。
五消失模铸造特点
5.1设计灵活
为铸件结构设计提供了充分的自由度。
可以通过泡沫塑料模片组合铸造出高度复杂的铸件。
5.2降低投资和生产成本
减轻铸件.毛坯的重量,机械加工余量小。
(1)铸件的批量
(2)铸件材质(3)铸件大小(4)铸件结构
5.3无传统铸造中的砂芯
因此不会出现传统砂型铸造中因砂芯尺寸不准或下芯位置不准确造成铸件壁厚不均。
5.4铸件精度高
消失模铸造是一种近无余量、精确成型的新工艺,该工艺无需取模、无分型面、无砂芯,因而铸件没有飞边、毛刺和拔模斜度,并减少了由于型芯组合而造成的尺寸误差。
铸件表面粗糙度可达Ra3.2至12.5μm;铸件尺寸精度可达CT7至9;加工余量最多为1.5至2mm,可大大减少机械加工的费用,和传统砂型铸造方法相比,可以减少40%至50%的机械加工间。
5.5清洁生产
型砂中无化学粘结剂,低温下泡沫塑料对环境无害,旧砂回收率95%以上。
六常见消失模铸造工艺缺陷分析
消失模铸造工艺与传统的铸造工艺不同,因而,铸件上产生的一些铸造缺陷也是其他造型工艺所未见过的。
对待铸造缺陷,应根据消失模铸造工艺的特点作具体分析,从而采取正确的对策。
6.1铸型损坏
铸型损坏是用无粘结剂型砂时颇为常见的缺陷,大致有以下几种:
(1)铸型上部崩塌。
铸型上部砂层太薄时,可能因金属液的浮力而损坏,也可能因其正下方在浇注时出现空洞而塌下。
因此,铸型上部应有足够的吃砂量。
(2)型腔内局部产生空洞而致铸型损坏。
浇注过程中,如果金属液置换消失模的过程不顺畅,金属液流的前端短暂地停顿不流,在发泡模和金属液流之间形成空洞,空洞处的铸型因受金属液的热作用而损坏。
在此情况下,应改进浇注方案,使液流前端持续、不停顿地流动。
此外,在发泡模分解产生的气体压力高、排气不良时,也会造成空洞。
(3)浇注系统设置不当而致的铸型损坏。
制造较大的铸件时,如内浇道太短,铸件与横浇道之间的砂层太薄,会导致这一薄砂层损坏。
6.2 浇注不足
浇注温度低的合金(如铝合金),金属液流动性之低是按其他铸造工艺的经验难以想象的。
因而,浇不足或冷隔等是常见的缺陷。
生产薄壁铸件时,也易产生浇不足缺陷。
适当提高浇注温度,是首先应该考虑的措施。
如这类缺陷比较多发,应考虑增加砂箱中的减压程度。
减压是缩短浇注时间的有效措施。
浇注时间缩短,对防止浇不足和冷隔是十分有效的。
如果发泡模的密度太高,则降低发泡模的密度也是有效的措施。
6.3 粘砂
采用消失模铸造工艺时,粘砂是常见的铸造缺陷之一。
以下几点都可能是铸件产生粘砂的原因。
(1)浇注温度过高。
浇注温度是消失模铸造工艺中的重要因素之一。
由于发泡模气化、分解所需的热量,只能在浇注过程中从金属液获得,这当然会使金属液流前端的温度降低。
实践表明,适当提高浇注温度有利于改善铸件表面质量。
例如,浇注小型铸铁件时,将浇注温度提到1380~1400℃,铸件不再产生浇不足,表面上的皱皮也有改善。
但是浇注温度超过1400℃后,就会出现粘砂。
一般说来,与传统铸造工艺相比,采用消失模铸造工艺时铸铁的浇注温度宜高20~40℃。
铸钢的浇注温度宜高10~30℃。
但浇注温度不应过高,以免出现粘砂缺陷。
(2)型砂充填紧实度不够。
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