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1、垂直分型无箱射压造型线应用中的几个工艺问题一、前言最近30年来，从通过机械化、自动化以求提高劳动生产率，到着重于降低生产本钱和提高铸件的尺寸精度，粘土湿砂造型技术有了重大的开展。目前，又进一步以实现铸造产品的近净形化和改善作业环境为目标，并取得了可喜的进展。现代粘土湿砂造型工艺和设备是多种多样的，并各有所长，但其共同的特点则是制造高紧实度的铸型、提高生产率和降低造型作业时产生的噪音。垂直分型无箱挤压造型机是有代表性的现代造型设备中的一种，尤适用于生产小型和中等偏小的铸件，已为世界各国广泛采用。到目前为止，我用此类造型设备的铸造厂估计在100家以上。为使造型设备充分发挥其能力并保证生产高质量的铸
2、件，一切工艺措施和控制都应从设备的特点出发。以下就型砂、模具和浇注系统等三方面，对假设干要点加以评述，供有关铸造厂的人员参考。二、型砂型砂是影响铸件质量的重要因素之一，型砂控制是铸造厂生产过程控制中的重要环节。1、对原材料的要求1原砂垂直分型无箱造型工艺和类似的射压造型工艺，对原砂的粒度并无特别严格的要求。但是，为使铸件外表粗糙度较细，一般不宜采用太粗的原砂。铸型的尺寸愈大，则浇注时铸型中的静压头愈高，为减轻粘砂倾向，反而应采用稍细一些的原砂。我国铸造工人往往持一种似是而非的观点，以为铸件大些就应该用较粗的砂，实际上是不适宜的。对于较小的机型，建议采用平均粒度为0.140.20mm的原砂。按我
3、国标准GB9442-88，约相当于15组的原砂，按2488-78，则相当于约75/150，且偏粗的原砂。对于较大的机型，建议采用平均粒度为0.140.18的原砂，按我国标准GB9442-88，约相当于15组偏细的原砂，按2488-78，则相当于约75/150，且偏细的原砂原砂的粒度分布，以集中于34筛者为好。对原砂的颗粒形状，一般不作限定，但是，对于有深砂台、脱模困难的铸型，则应采用圆形的原砂。用圆形砂配制的型砂，其脱模性能比用多角形原砂都好得多。用于制造铸铁件的原砂，烧结温度应不低于1400。与此相应，其SiO2含量一般应在90%以上，个别情况下，可允许降到85%。生产铸钢件时，原砂的SiO
4、2含量一般应不低于96%。原砂的含泥量应在0.5%以下，这对控制型砂的总含泥量是有益的。2膨润土钠膨润土有很多优异的性能，如膨润值高用以配成的型砂有较好的抗夹砂能力，热稳定性好铸型浇注后，型砂中的膨润土因受热而成为死粘土的份额较少，即膨润土的耐用性好等，都是钙膨润土所不及的。但是与钠膨润土相比，钙膨润土也有不少长处，如：用钙膨润土配砂时所需的混砂时间较短，型砂的湿抗压强度较高，型砂的流动性较好，铸型浇注后落砂性能较好等。因此，不能笼统地说钠膨润土比钙膨润土好，要视具体情况和特定要求有分析地选用。即使在钠膨润土资源丰富的美国，采用粘土湿砂工艺的铸造厂，一般也不全用钠膨润土，通常多同时采用两种膨润
5、土，适当地配用，以各取其所长。对于制造高紧实度的铸型，型砂的流动性和浇注后的落砂性能是十分重要的，选用钙膨润土作粘结材料显然是适宜的。特别是垂直分型无箱造型设备，每一造型循环终了，都要经过刚制成的铸型推动线上的一组铸型前进，故要求型砂的湿抗压强度高。新型设备两侧装有夹紧板，将一组铸型夹紧后推进，不由铸型推动铸型，采用这种方式，也对铸型强度有很高的要求。在此种条件下，采用钙膨润土就更有其独到之处。在我国目前尚缺乏钠膨润土的条件下，建议选用质量优良、性能稳定的钙膨润土作型砂粘结剂。具体要： 蒙脱石含量不应低于75%；水分不高于12%；95%重量以上能通过0.075mm的标准筛；膨润质或胶值价和试样
6、的强度性能稳定；吸蓝量数值稳定。3煤粉型砂中的煤粉应符合以下要求：灰分 10%；水分 3%；挥发分 3040%；含硫量 1%；关于煤粉的粒度要求，我国机械行业标准/T9222-1999中规定：应有95%以上的颗粒通过0.106mm的筛孔。实际上，采用这种细粉的负面作用很多，最好采用粒度在0.425mm筛和0.075mm之间的粒状煤粉，以不同的粒度级配适应不同的生产条件。2、对型砂性能的要求此种造型设备所用的型砂，对其性能的要由此种工艺的特点所决定的。在许多方面都不同于一般使用的粘土湿型砂。确保型砂性能符合要求，是保证铸件质量并使设备在良好的状态下运行所必需的。为确保型砂的质量稳定、一致，还需严
7、格规定各项性能的检测频次。1型砂的性能各种型号的造型设备对型砂性能的要求根本上是一样的，但是，制造的铸型尺寸不同，性能要求也随之小有差异，见表1。表1 造型设备对型砂性能的要求型砂性能不同型号设备要求的指标铸型尺寸较小的设备铸型尺寸较大的设备湿抗压强度kPa167206216245湿抗拉强度kPa19.624.0湿抗劈强度kPa29.437.3透气性5050可紧实性%405405水分不具体限定，以保证可紧实性符合要求为原则含泥量%11131114活性膨润土含量%78挥发分%1.53.01.53.0925的灼烧减量%3.57.53.57.52各项性能的检测频次根据型砂性能检测的常规和应用此种造型
8、设备的经历，作如下规定。每小时检测一次的工程：可紧实性；湿抗压强度；水分。每一工作日检测一次的工程：活性膨润土含量；湿抗拉强度可抗劈强度；透气性。每周检测一次的工程：含泥量；灼烧减量；挥发分；基砂粒度积累数据，供分析研究用。3、对一些主要性能的说明1可紧实性粘土湿型砂的可紧实性直接反映型砂的混制程度，其测定方法简便，可得到量化的数据以代替手感，是广泛采用的控制型砂性能的重要指标之一。测定方法参见图1。使型砂通过3mm的筛网松散地填入50mm，高100mm的试样筒，将试样筒上端的余砂用刮板刮去，然后用压头给型砂施以1MPa的压力或用标准重锤打击3次，测定试样筒型砂经紧实后高度下降的毫米数。由于试
9、样筒高100mm，这一读数也就是其高度下降的百分数，即可坚实性数值。在不同的造型条件下，对型砂可紧实性的要不同的。用射压造型机造型时，填砂空间的容积是固定的，压实时压头的行程根本上也是一定的。如果型砂的可紧实性太高，则会出现压头加压行程已经到位而铸型仍未到达预期紧实度的情况，这就会导致铸件上产生冲砂或粘砂等缺陷。用垂直分型造型机造型时，虽然射砂后压实的行程并不固定，而是以一定的压强压实铸型，但是，即使在此种情况下，型砂的可紧实性太高，除导致铸型厚度减小外，也会使铸型的紧实度降低，在砂台部位及射砂的盲区尤为显著。按照实际生产经历，型砂可紧实性的指标最好是402%。在实际生产条件下，将可紧实性控制
10、在如此窄的围是有困难的，但无论如何都应控制在405%的围。如果回收旧砂的温度、水分变化较大，混砂条件又不尽一样，则型砂自混砂机放出后，在输送及存贮过程中，其可紧实性会有颇大的改变。通常，在铸造厂的生产条件下，型砂自混砂机放出后，在用皮带输送器送到造型机的过程中，可紧实性的数值会因输送距离不同而降低36个单位，如旧砂温度太高，还可能降低 610个单位。如果型砂的水分太高，也有在型砂输送过程中可紧实性增高的情况。如果铸造厂在混砂机放出口取砂样检测型砂的可紧实性，并控制其值在40%左右，实际上进入造型机的型砂的可紧实性，却可能与规定值有颇大的差异。这样，从记录上看，型砂的可紧实性符合要求，而实际上造
11、型所用的型砂却是不合格的。不少铸造厂对此种情况未予注意，这往往是铸件产生冲砂或粘砂等缺陷的原因。因此，铸造厂应规定在造型机上方取样测定型砂的可紧实性，并控制其值符合表1的规定。如果受条件的限制，只能在混砂机放出口取样，则控制值的具体数据应由屡次试验求得，务使进入造型机的型砂的可紧实性符合表1的要求，且应经常校核。2湿抗压强度采用此种造型设备时，型砂的湿抗压强度应比一般的粘土湿型砂高很多。这里，决定的因素不是铸型脱模所需的强度，不是铸型耐受搬运所需的强度，也不是浇注时耐受液态金属作用所需的强度，而是型块传送过程的需求。在造型线上，全部铸型包括浇注带上和冷却带上的铸型组的运行，是通过制成的型块推动
12、的，型块所受的压力甚高，故型砂必须有相当高的湿抗压强度。可以根据浇注带的长度、型块的尺寸，在浇注带上推动时的磨擦系数、冷却带的长度、推动冷却输送器所需的力、型块实际可承受压力的面积型块截面积减去其中空腔的投影面积核算型砂应具有的湿抗压强度。由两侧夹紧板夹紧后推动，铸型也要承受夹紧板的压力。3水分粘土湿型砂中，实际上起粘结作用的是粘土和水经调制而成的膏状物质，水分是使粘土具有粘结能力和可塑性的要素。参加不同量粘土的湿型砂，得到峰值的水分是不同的，见图2。图2 型砂的水分对其湿抗压强度的影响1-加膨润土7.45% 2-加膨润土10%如果将型砂中的水分换算为粘土膏的水分，则无论型砂中粘土含量如何，强
13、度峰值所对应的粘土膏的水分根本上是一样的。图2中数据换算后的情况见图3.图3 型砂粘土膏的水分对型砂湿抗压强度的影响1-加膨润土7.45% 2-加膨润土10%当水分很少，缺乏以充分浸润膨润土时，水分增加有利于粘土膏的形成，型砂的强度也随之提高。水分增加到刚能完全浸润膨润土时，全部膨润土和水成为粘稠的粘土膏，涂布于砂粒外表，型砂的强度到达峰值。超过这一点后，继续增加水分，则粘土膏变稀了，粘度下降，抗剪强度下降，型砂的强度也随之急剧下降。试验证明，用膨润土配制湿型砂时，在常规参加围，不管膨润土参加量如何，型砂湿抗压强度峰值大致都出现在粘土膏的水分为25%时参见图3，即含水量和有效粘土含量之比大体上
14、是1：3。采用此种造型设备时，根本上应使型砂的湿抗压强度在峰值附近，所以，水分大致上应是型砂中有效膨润土含量的三分之一。型砂中含有死粘土，还要增加一点为死粘土所吸收的水分。水分为上述值时，型砂比较松散，流动性良好，也容易控制可紧实性在规定的围。死粘土所吸收的水分见下节。4活性膨润土含量活性膨润土是相对于受热后失效的死粘土而言的。铸型浇注后，靠近铸件的型砂受热，其中局部膨润土因脱除了结晶水而失去粘结能力，成为惰性的粉状物质，通常称之为死粘土。死粘土是多孔性物质，因有毛细管作用，吸水能力很强，其所需的水量大约是其量的20%。规定型砂中的活性膨润土含量，是为了保证型砂有必要的强度和较好的抗夹砂能力。
15、如只从满足强度要求来考虑，型砂中的活性膨润土含量，是可以低于规定值的。规定活性膨润土的最低含量，更重要的是为了确保型砂有足够高的抗夹砂能力，以免铸件上出现膨胀缺陷夹砂或鼠尾纹。所以，不可以用型砂的强度够高作为容允活性膨润土含量缺乏的借口。死粘土没有吸附能力，故可以用吸附亚甲基蓝的方法测定型砂中的活性膨润土含量。5湿抗拉强度和抗劈强度评定型砂的粘结状况，最直接的方法是测定其抗拉强度。抗拉强度值只决定于型砂粘结的强弱，可以综合地反映紧实状况粘结桥的数量。粘结剂的分布和粘结剂对砂粒的附着等因素，根本上不受砂粒形状的影响。但是粘土湿型砂的抗粒强度值很低，不及其抗压强度1/10，测定时对操作者的要求甚高
16、，稍一不慎，就会导致很大的误差。而且，一般的型砂强度试验机不能用来测定抗拉强度，需配备专用的装置。实际上，生产现场很少测定湿抗拉强度，多用于研究工作。粘土湿型砂的湿抗劈强度值与湿抗拉强度值有很好的相关性，且其试验筒简便易行，可用生产条件下的型砂强度试验机测定，因而，可以用湿抗劈强度试验机代替湿抗拉强度试验。测定湿抗劈强度的情形见图4.用5050标准圆柱体试样，横置于测定湿抗压强度的压头之间，在其直径方向加压。起始时，试样与压头之间为线接触，其接触面积甚小，稍稍施压，就会使接触处的型砂受很大的压实力，结果，该条接触带上的型砂被压平，试样两侧各形成紧实度很高的三角形压实区。继续施压，这两个三角形砂
17、条就起尖劈的作用，将试样沿直径方向劈开，试样是受拉应力而被劈开的。试验时，应使试验的直径与两端压头的中心线对准，为此，可用一定位支承楔块托住 试样，然后加一很小的预负荷，待试验机上压应力读数到3kPa时，即可取下支承楔块，并继续加负荷，直到试样破裂。最后，将试样破裂时所受的总负荷除以破裂处的截面积即试样直径试样高度，求得型砂的湿抗劈强度。1963年，F. Hofmann开场测定型砂抗劈强度，随后，H.W. Dietert和A.L. Graham等研究了粘土湿型砂抗劈强度与抗拉强度的相关性。D. Boenisch由试验求得湿抗拉强度=0.65湿抗劈强度。三、浇注系统对于垂直分型的铸型，有多种浇注
18、系统可供选用。有的企业根据多年的实际生产经历，设计了一套专供垂直分型无箱铸型用的封闭浇注系统，现已成为此种造型工艺的重要组成局部。采用此种浇注系统，有以下优点：能制造致密的铸件；工艺出品率高；浇注时间可满足生产节拍的要求；铸件的显微组织均匀；清磨浇口的工作量小；铸件的尺寸精度高；适用于各种铸造合金。建议铸造厂认真地理解并正确地采用各种浇注系统。1、浇注系统的根本特点认真地理解此种浇注系统的根本特点，才能在实际生产中正确的加以利用，从而取得应有的效果。1严格的封闭式浇注系统封闭式浇注系统大家都是知道的，塞流组元必定是浇口。在封闭式浇注系统中，浇口的截面面积最小，由浇口逆推到浇口杯，浇注系元各组元
19、的截面积依次增大。我们在这里说严格的封闭式浇注系统，意思是：必须确保浇注时整个浇注系统很快充满。为此，除设计浇注系统时满足上述条件外，还应该把浇包的流嘴视为浇注系统的一局部，在流嘴构造上和浇注操作方面，都应保证浇注时很快使整个浇注系统充满金属液。如果浇注时液流不够大，则塞流组元是浇包的流嘴而不是浇口。在此情况下，不管如何精心设计浇注系统，都不能实现封闭，封闭式浇注系统的各种优点荡然无存。图5a的情形是正常的，浇包供给的金属液保证了系统的封闭，从而也保证了铸件的质量。图5b的情形是：浇包流嘴供给的金属液缺乏，浇注系统实际上是开放的，脏物和气泡会进入铸件。图5 浇包流嘴的作用因此，采用此种工艺时，
20、除正确设计浇注系统各组元外，要特别注意浇包流嘴的修筑，并严格要求浇注作业符合要求。2一个铸型中的多个型腔同时充满采用此种造型系统的铸造厂中，相当多的工厂都是用以生产小型铸件的，为充分利用设备的能力，往往在一个铸型中制多个铸件。在此种情况下，浇注系统应保证浇注时各个型腔都同时充满，这对于缩短浇注时间和保证铸件质量的一致都是重要的。现以图6为例，说明如下：图6 一型铸造12个铸件的铸型在同一铸型中，安排了12个一样的铸件。在浇注系统充满而且封闭的情况下，要使各个型腔同时注满，就必须使通过各浇口进入各型腔的金属液的体积流率一样。金属液的体积流率=vF式中v金属液的流速mm/s F浇口的截面积mm2铸
21、型中处于不同高度的浇口，由于金属液的压头不同，通过的金属的流速各不一样，大体上可用下式表述：式中h为金属液的平均压头mm。要使进入各浇口的金属液的体积流率一样，就应满足v1F1=v2F2=v3F3即：运算得到 ： 由此可知，要使各型腔同时充满，在铸造一样的铸件时，应使各处浇口的截面积与该处金属液的平均压头成反比。如一个铸型中安排不同的铸件，则应根据各铸件的重量和浇口的位置进展计算，此处不再举例。2、确定浇注系统各组元的截面积为便于生产现场确定浇注系统的尺寸，已有人根据前节所选的原理，制成了查定浇口截面积的列线图，规定了根据浇口截面积推算浇注系统中其他组元的方法。1由列线图查定浇口的截面积图7是
22、确定浇口面积的列线图。确定浇口的截面积，需用以下的数据：a.每一个铸件的重量Gkg，由计算或称样件求得；b.充满每型腔所需的时间T，因为各型腔同时充满，T也是整个铸型的浇注时间，一般应比生产每一铸型的节拍短4秒左右；c.因金属液与铸型间的摩擦而致的流速损失，简称摩擦系数的，一般可取值0.5；d.浇口处的金属液平均压头hmm。图7 确定浇口截面积的列线图现仍以图6所示的铸型为例，说明如何用图7确定浇口的截面积。由图6得知：G=2kgT=6sm 取0.5；h1=100mm；h2=250mm；h3=350mm首先，在左边的座标上找到G=2kg的一点。从这一点顺斜线向右下方移动，到与T=6s的垂直线交
23、于一点。由此交点水平向右移动，到与m =0.5的垂直线交于一点。再由此交点顺斜线向右下方移动，到与h1=100，h2=250和h3=350等垂直线相交，由各交点分别水平向右移动，即得到处于不同位置的浇口的截面积：F1=70mm2；F2=45mm2；F3=38mm2实际上浇注时，有向下引流的作用，如按这些理论值定浇口截面积，则下层型腔的充填会稍快一些，而上层则稍慢。为弥补这种差异，下层型腔的浇口可取稍小的值，而上层浇口的截面则取稍大的值。图6所示的铸型，实际上宜选取的F值如下的浇口截面积：F1=80mm2；F2=45mm2；F3=30mm22直浇道图6所示铸型，共设2个直浇道，每一直线道供给6个
24、浇口。这6个浇口的总截面积F=2F1+2F2+2F3=280+245+230=310mm2每一直浇道的截面积比浇口总面积增加20%。F直=1.2310=370 mm23横浇道一般情况下，横浇道的截面积比其供给的直浇道的总截面积大30%。如横浇道距铸型顶部的距离小于75mm，固其中金属液的压头小，截面积应比直浇道大100%。4浇口的形状为使铸件致密，对于铸铁件，应充分利用石墨化膨胀而产生的自补缩作用。因此，浇口应在铸件发生石墨化膨胀前凝固，以免石墨化膨胀时将铁水从浇口挤出。建议采用薄浇口，其厚度视铸件壁厚而定，参见表2.表2 按铸件壁厚选定浇口厚度铸件壁厚(mm)浇口厚度(mm)3101.510
25、152.015202.520253.0采用薄浇口，也利于铸件与浇注系统别离，并可减轻打磨浇口的工作量。3、浇注系统的构造和标准化组件根据实际生产的经历，设计了典型的浇注系统，对于采用垂直分型无箱造型设备的铸造厂，是方便而实用的。在此根底上还设计了浇注系统各组元的标准。浇注系统的构造见图8。图8 浇注系统的构造两种浇口杯， 横浇道， 横浇道， T形接头， 直浇道， 直浇道1浇口杯浇口杯有两种形式：一种供自动浇注用，见图9；另一种供人工浇注用，见图10。每种浇口杯各有4种规格，供选用，以保证金属液的流率与铸件相适应。图9和图10中的浇注流率都是铸铁的质量流率，其他铸造合金可参照，并按一样的体积流率
26、核算。图9 自动浇注用浇口杯本图只表示一半浇口杯编号浇注流率kg/s浇口杯重量kg尺寸mmABC1334030152354453515357650402247119604522件号数量名称材料12浇口杯体铸铁22易损片铸铁34M618螺钉钢42520定位销钢56M640螺钉钢图10 人工浇注用浇口杯本图只表示一半浇口杯编号浇注流率kg/s浇口杯重量kg尺寸mmABCD122.550301530222.83.06040153032.83.84.07050224043.855.580552245件号数量名称材料12浇口杯体铸铁22易损片铸铁34M618螺钉钢42520定位销钢56M630螺钉钢2浇
27、口由图7确定浇口面积后，请参照图11选定其具体构造。对于灰铸铁件，应力求不用冒口，以提高工艺出品率，并减少铸件修整的工作量。为此，最好采用顶注方案，在采用顶注方案有困难时，建议采用侧注方案。图11 浇口3直浇道直浇道的截面积算出后，可根据铸型中安排铸件的情况，选用图12或图13中的直浇道。图12 和浇口杯相连的直浇道图13 和T形接头相连的直浇道4T形接头直浇道选定以后，可按直浇道一样的序号自图14中选取以下T形接头。图14 T形接头5横浇道横浇道的构造和尺寸见图15。直浇道选定后，按直浇道的序号选横浇道。图15 横浇道四、模具1、模板造型系统所用的模板，一般用灰铸铁铸造，也可以用钢制或铝合金
28、制的模板。为减轻重量，厚模板宜用铝合金制造，其外框镶钢。厚模板也可以用焊接构造件制成，一定条件下还可采用框架构造，中间用石膏或环氧树脂填充。模板工作面和底面的不平行度一般应不大于0.05mm。2、模样1模样材料模样可用多种材料制造，常用的材料及模样的使用寿命如下: 模样材料使用寿命射砂次数硬木5001000环氧树脂、石膏500050000铜合金2000050000铝合金 2000060000锌、铝、铜合金4000060000灰铸铁200000300000低合金钢300000500000如采用环氧树脂模样，则型砂的温度应严加控制，不得超过40。2取模斜度建议采用的取模斜度见表3.为不致对铸件尺寸
29、有太大的影响，建议的取模斜度以尺寸为根底，较高的模样取模斜度的角度较小。要求取模斜度特别小时，模样最好用铜合金制造，且应注意使外表光滑。3模样上深模腔的处理模样上有深模腔时，可能产生两个问题：一是射砂时有气垫作用，型砂在其中的分布不匀；二是脱模困难，砂台容易破断。为使型砂能均匀填入模腔，可在其中装设通气塞，如图16所示。图16 深模腔装通气塞的情况深模腔砂台取模很困难时，可在模腔底部装一橡胶半球。压实时，橡胶半球受压变形见图17a，取模时，橡胶半球推动砂台，使其方便地脱出模腔，如图17b所示。图17 采用橡胶半球辅助取模的情况橡胶半球可用不同的方式固定在模板上，图18表示了常用的两种，a是用预
30、埋于半球的螺钉固定，b是用过盈配合的尾部塞入模样上的孔中。图18 橡胶半球的固定方式3、模样的装设1铸型边缘的吃砂量吃砂量应根据模样高度和铸件的壁厚确定，表4中的数据可供参考。表4 铸型边缘的吃砂量模样的总高度mm建议对不同壁厚的铸件选用的吃砂量mm铸件壁厚25mm上边侧边底边上边侧边底边上边侧边底边上边侧边底边上边侧边底边507030307050407060507070607080705010070404070605070706070807070908010015070505070706070807070908070100901502007060607080707090807010090701101002002507070707090807010090701101007012011025030070808070100907011010070120110701301202模样与模板的装配通常直接用螺钉将模样固定在模板上，如图19所示。图19 模样直接固定于模板上这种方法虽然简便，但模样与模板之间的形成夹角，且两者的缝隙间可能保存液体如脱模剂。这种会导致角部有型砂粘附，从而使铸件上产出外表缺陷。欲防止引种缺陷，可采用模样在模板上下沉的构造，如图20。图20 模样下沉的构造也可以在模样与模板的结合处抹胶，使其形成r=0.5mm左右的圆角，如图21所示。图21 抹胶形成圆角的情形
