special casting6

6.消失模铸造定义:消失模铸造技术是将与铸件尺寸形状相似的发泡塑料模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂层并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在一定条件下浇注液体金属，使模型气化并占据模型位置，凝固冷却后形成所需铸件的方法。对于消失模铸造，有多种不同的叫法。国内主要的叫法有“干砂实型铸造”、“负压实型铸造”，简称EPC铸造。国外的叫法主要有：LostFoamProcess(U.S.A)、PolicastProcess(Italy)等。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,引起了人们极大的兴趣，1958年以专利的形式公布于众，当时称之为“无型腔铸造”。起初，该法只是用来制造金属雕像等艺术品铸件，以后经过许多实践和探索，1962年西德从美国引进专利，消失模铸造法才开始被开发，并在工业上得到应用。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的专利。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。在整个六十年代直至七十年代,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，由于专利的制约，生产中使用无粘结剂干砂消失模铸造受到限制；铸造界与其他产业部门协调不够；由于工艺不当、型砂和涂料不合适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，造成了一部分人的等待、观望甚至怀疑的态度，使得消失模铸造法发展缓慢。1981年以后由于相应专利技术失效，再加上经过几年努力，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。1982年，在光机所工厂建成了一条消失模铸造实验生产线。八十年代后期郑州机械所也开始了消失模铸造的试验性应用研究。九十年代开始以来，清华大学、哈尔滨工业大学、华中理工大学、西安交大等也纷纷加入了消失模铸造的研究。6.1消失模铸造工艺最普遍实用的方法是把涂有耐火材料涂层的模型放入砂箱，模型四周用干砂充填紧实，浇注液态金属，取代泡沫塑料模型，这种铸造工艺被称为：消失模铸造（EPC）、气化模铸造及实型铸造等。美国铸造协会消失模铸造委员会采用了“消失模铸造”作为该工艺的名称。消失模铸造是一项创新的铸造工艺方法，可用于生产有色及黑色金属动力系统的零件，包括：汽缸体、汽缸盖、曲轴、变速箱、进气管、排气管及刹车毂等铸件。玻璃铝合金检具汽缸体消失模铸造（又称实型铸造）是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在负压下浇注，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。消失模铸造分为两类：用板材加工成形的气化模铸造和用模具发泡成形的消失模铸造。前者的主要特点是：1）模样不用模具成形，而是采用市售的泡沫板材，用数控加工机床分块制作，然后粘合而成。2）通常采用树脂砂或水玻璃砂作充填砂，也有人采用干砂负压造型。后者的主要特点是，模样在模具中成形和采用负压干砂造型。它主要适用于中、小型铸件的大批生产。通常称这种方法为LostFoamCasting,简称LFC法。泡沫塑料EPC模采用无粘结剂干砂结合抽真空的铸造法,称为消失模铸造法,也叫EPC法干砂负压消失模铸造技术（简称LFC）是一项精确成形的铸造新技术，被铸造界的权威人士称为“代表21世纪的铸造新技术”，“使铸造技术在与其他成形方法和替代材料的竞争中立于不败之地的一张王牌”。LFC法与传统的粘土砂铸造的主要工艺流程比较如下图：1、预发泡模型生产是消失模铸造工艺的第一道工序，复杂铸件如汽缸盖，需要数块泡沫模型分别制作，然后再胶合成一个整体模型。每个分块模型都需要一套模具进行生产，另外在胶合操作中还可能需要一套胎具，用于保持各分块的准确定位，模型的成型工艺分为两步，第一步是将聚苯乙烯珠粒预发到适当密度，一般通过蒸汽快速加热来进行，此阶段称为预发泡。2、模型成型经过预发泡的珠粒要先进行稳定化处理，然后再送到成型机的料斗中，通过加料孔进行加料，模具型腔充满预发的珠粒后，开始通入蒸汽，使珠粒软化、膨胀，挤满所有空隙并且粘合成一体，这样就完成了泡沫模型的制造过程，此阶段称为蒸压成型。成型后，在模具的水冷腔内通过大流量水流对模型进行冷却，然后打开模具取出模型，此时模型温度提高且强度较低，所以在脱模和储存期间必须谨慎操作，防止变形及损坏。美国齿轮箱体铸件、泡沫合肥叉车集团叉车变矩器壳体铸件3、模型簇组合模型在使用之前，必须存放适当时间使其熟化稳定，典型的模型存放周期多达30天，而对于用设计独特的模具所成型的模型仅需存放2个小时，模型熟化稳定后，可对分块模型进行胶粘结合。分块模型胶合使用热熔胶在自动胶合机上进行。胶合面接缝处应密封牢固，以减少产生铸造缺陷的可能性。4、模型簇浸涂为了每箱浇注可生产更多的铸件，有时将许多模型胶接成簇，把模型簇浸入耐火涂料中，然后在大约30～60C（86-140F）的空气循环烘炉中干燥2～3个小时，干燥之后，将模型簇放入砂箱，填入干砂振动紧实，必须使所有模型簇内部孔腔和外围的干砂都得到紧实和支撑。5、浇注模型簇在砂箱内通过干砂振动充填坚实后，铸型就可浇注，熔融金属浇入铸型后（浇注温度铸铝约在760C/1400F，铸铁约在1425C/2600F），模型气化被金属所取代形成铸件。下图是消失模工艺的砂箱和浇注示意图。在消失模铸造工艺中，浇注速度比传统空型铸造更为关键。如果浇注过程中断，砂型就可能塌陷造成废品。因此为减少每次浇注的差别，最好使用自动浇注机。6、落砂清理浇注之后，铸件在砂箱中凝固和冷却，然后落砂。铸件落砂相当简单，倾翻砂箱铸件就从松散的干砂中掉出。随后将铸件进行自动分离、清理、检查并放到铸件箱中运走。干砂冷却后可重新使用，很少使用其他附加工序，金属废料可在生产中重熔使用。LFC法的主要特点：1）LFC是一种近无余量、精确成形的工艺；2）容易实现清洁生产；3）为铸件结构设计提供了充分的自由度；4）金属液的流动前沿是热解的消失模产物（气体和液体），它会与金属液发生反映并影响到金属液的充填，如果金属充型过程中热解产物不能顺利排除，就容易引起气孔、皱皮、增碳等缺陷。这就要求工艺师掌握消失模铸造成形原理，正确设计浇注系统，制定合理的工艺方案。5）模具的铸造成本较高，要求有一定的生产批量，否则很难获得好的经济效益。美国GMPowertrain公司生产2.2L-14缸体，重25kg。采用消失模铸造后，其功率和扭矩提升，噪声和振动下降，重量比砂型铸件减轻6.7kg综上所述，消失模铸造符合当今铸造技术发展的总趋势有着广阔的前景，与传统铸造技术相比，消失模铸造技术具有与无伦比的优势，被国内外铸造界誉为“二十一世纪的铸造技术”、“铸造工业的绿色革命”。1技术方面1）模型设计的自由度增大新工艺有可能进行造型设计，并完全可以从第一阶段就能在模型上增加一些附加功能。例如：柴油预热器有一个特殊功能部件，它可采用消失模铸造工艺进行制造，而不能采用传统铸造方法生产。2）免除了铸件生产中使用的砂芯3）很多铸件可以不要冒口补缩4）提高铸件精度可获得形状结构复杂，可100重复生产高精度铸件，可使铸件壁厚偏差控制在-0.15~+0.15mm之间。5）在模型接合面不产生飞边6）具有减轻铸件重量约1/3的优势7）减少加工余量可以减小机加工余量，对某些零件甚至可以不加工。这就大大减少了机加工和机床投资（例如，对于不同情况可以减少一半投资）。8）与传统空腔铸造相比，模具投资下降。9）完全消除了传统的落砂和出芯工序目前，国内外在柴油机和汽油机发动机缸体的泡沫模型的结构工艺设计上有较大差异，从分片方案到模片的工艺处理均不尽相同。欧美国家在分片方案上多采用自缸盖结合面至油底壳面水平切分(包括“V”形和直列式缸体)的方式，如图1所示。这种分型方案的优点是有利于实现自动化大批量生产，且胶合线互不干涉，胶合质量有保证；不足之处是胶合线较多且大部分分布在非加工面上，外观的整体美感不及普通砂型铸造件。与之配套的模片工艺处理较大的地方是将曲轴箱沿起模方向进行局部封实和镂空处理，如图2所示。2经济方面1）可整体生产复杂铸件采用新工艺设计，分块模型可胶合组成整体模型，铸成复杂整体部件，对比原先多个铸件组合装配部件（如柴油预热器）而言，可获益1到10倍。2）减少车间人员建立消失模铸造工厂，所雇员工数量少于传统铸造工厂，因此应当考虑这一因素。3）铸造工艺灵活铸造工艺的灵活性非常重要，因为新工艺有可能同时生产在砂箱中变化放置大量类似的或不同的铸件，浇注系统也因此十分灵活。总之，我们可以说，每种优势都与经济利益相一致，同时还改善了工作条件。3环境保护聚苯乙烯和PMMA在燃烧时产生一氧化碳、二氧化碳、水及其他碳氢化合物气体，其含量均低于欧洲允许的标准。干砂可使用天然硅砂，100%反复循环使用，不含有粘结剂。模型使用的涂料是在水中添加粘结剂等辅料组成，不产生污染。大量生产条件下传统粘土砂型铸造与消失模铸造工艺特点的比较项目传统砂型铸造消失模铸造模型工艺1．开边必须分型开边，便于造型无须开边2．拔模斜度必须有一定的拔模斜度基本没有或很小的拔模斜度3．组成有外型芯合组成单一模型4．应用次数一个模型多次使用一型一次5．材质金属或木材泡沫塑料造型工艺1．型砂有粘结剂、水、附加物经过混制的型芯砂无粘结剂、任何附加物和水的干砂2．填砂方式机械力填砂自重微振填砂3．紧实方式机械力紧实物理（自重、微振、真空）作用紧实4．砂箱特点根据每个零件特点制备专用砂箱简单的通用砂箱5．铸型型腔由型芯装配组成空腔实型6．涂料层大部分无需涂层必须有涂层浇注工艺1．充型特点只是填充空腔金属与模型发生物理化学作用2．影响充型速度的主要因素浇注系统与浇注温度主要受型内气体压力状态，浇注系统，浇注温度的影响落砂清理1．落砂需强力振动打击翻箱或吊出铸件，铸件与砂自动分离2．清理需打磨飞边毛刺及内浇口只需打磨内浇口，无飞边毛刺6.2消失模铸造辅料消失模铸造用涂料的基本组成包括耐火填料、载体、悬浮剂、粘结剂和添加剂等5种基本组分，其有别于普通砂型铸造涂料的几个主要性能有强度、透气性、吸着性、涂刷性和不流淌性等。消失模铸造涂料的作用主要有：1)降低铸件表面粗糙度值；2)防止或减少铸件粘砂、砂眼等缺陷；3)提高铸件落砂、清理效率；4)使金属液流动前沿气隙中模样热解的气体和液体产物顺利地通过，排到铸型中去，但又要防止金属液的渗入，这是防止铸件产生气孔、金属渗透和碳缺陷十分重要的条件；5)提高泡沫模样的强度和刚度，防止模样在运输、填砂振动时产生变形和破坏；6)对于铝合金铸件，尤其是薄壁铝合金铸件，有良好的保温绝热作用，以防止由于模样热解吸热使金属流动前沿温度下降过快，避免冷隔和交不到缺陷。1、涂料消失模铸造用模片粘合剂可分为4大类：热溶胶、水溶胶、溶剂挥发胶和双组分胶。它们都必须满足以下要求：对泡沫模样午腐蚀作用；软化点适中，快干性能好；粘合强度较好，并有一定的柔软性；分解气化温度低，残留物少。2、粘合剂类别主要成分粘合过程性能快干性能粘合强度气化性能热溶胶石蜡、乙烯－聚醋酸乙烯乳液加热熔融冷却固化好好好水溶乳胶聚醋酸乙烯乳液水分挥发加热固化差较差好溶剂挥发胶橡胶乳液溶剂挥发获得强度较好较好较好双组分胶A组分为呋喃树脂B组分为酸固化剂化