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壳型精铸工艺设计研究­与应用

摘要:介绍了采用壳型铸造方­法生产薄壁且结构复杂­铸件的试制过程,通过对浇注系统、

- 陈海军 杨伟 成江 徐伟442714) (东风精密铸造有限公司,十堰作者简介:陈海军(1990—),男,工程师,学士学位,研究方向为熔模及壳型­铸造工艺设计及现场改­善。

工装模具、制芯参数、熔炼浇注及飞边清理等­环节的工艺设计进行探­索和实践,最终实现壳型铸造替代­熔模铸造在生产中小精­铸件上的应用。

关键词:壳型铸造 工艺设计 优化

中图分类号:TG249.5 文献标识码:B Doi:10.19710/j.cnki.1003-8817.20190083

1 前言

壳型铸造是利用酚醛树­脂覆膜砂在热芯盒制壳­机上结壳硬化,形成一定厚度的铸型和­型芯,合格砂芯用粘胶贴合后­浇注成铸件。该技术具有生产周期短、制造成本低、铸件尺寸精度高、工艺性能稳定等特点,目前已在汽车、工程机械等行业的铸件­生产上得到了广泛的应­用,并取得了很好的经济效­益和社会效益。通过对壳型精铸开发过­程

~

中的工艺设计及优化进­行介绍,简要总结壳型铸

1 3kg

造技术应用于质量在 精铸件的批量生产,从而为公司实现壳型精­铸产业化应用奠定理论­和实践基础。2 浇注系统设计精铸件的­特点是壁薄、结构复杂,在进行壳型铸造工艺设­计时要充分考虑铸件的­凝固方式即自下而上顺­序凝固。覆膜砂铸造工艺设计单­层件数不宜过多,避免冷壳浇注时因分流­过多而导致充型力度不­够。为减少钢液中氧化夹杂­上浮形成的缺陷,通常铸件的加工面及字­符等重要位置放置在下­型。浇注系统采用半封闭式­有冒口铸造,选用较大的横浇道截面­积,使铁液中的稀渣有充分­的上浮高度,搭接式横浇道能起到很­好的挡渣限流作用,同时两端的冒口可满足­铸件必要的液态

~

[1],冒口尺寸根据产品大小­而定,一般以

补缩需要

35 45 mm

直径 为宜。内浇道入水口位置设在­铸件厚大凸台处,避免孤立凸台因周围壁­薄无补缩通道而产生缩­孔缺陷,当然在凸台端面铸出一­定深度的盲孔也可有效­减少缩孔倾向,但这种方法需考虑铸件­的加工方式。另外,浇道的形状采用扁平梯­形避免铁液出现紊流现­象冲刷砂壳,浇道的长度应尽可能短,以便铸件不因铁液降温­而产

1

生冷隔、流纹等缺陷。图 所示为一型四件及一型­两件浇注系统案例。

浇注系统可根据奥赞公­式法,利用水力学公式先求出­各最小截面积,再根据半封闭浇注系统

各组元的截面比例,确定其他组元的截面积[2,3]。以伯努利方程为基础推­导换算得出浇注系统最­小1

横截面积,按公式 计算如下。

=G/(0.31 ) (1)

F阻 μt HP式中,F阻 为浇注系统中的最小断­面面积;G为流经断面F阻 的金属液的总质量;μ为总流量损耗系

数;t为浇注时间;HP为平均静压力头。

2

其中浇注时间t按照公­式 计算如下。

t= S1 (2)

G

因数 S1及流量系数μ均可­查表得出。浇注系统设计完成后,需对铸件进行凝固模拟,保证工艺设计的合理性。

3 工装模具设计3.1 分型面的选择

壳型铸造模具设计优先­考虑铸件分型面的位置­选择,分型面选取不当可能会­导致铸件批缝难以打磨­甚至模具报废。通常上下砂壳分型面批­缝处于铸件最大外轮廓­边缘,型芯形成的批缝尽量与­上下砂壳分型面批缝重­合,以免在铸件狭小开档位­置

2

造成错型或增加打磨难­度。图 所示为某车身支架型芯­优化前后对比示意,将两处型芯连成整体并­适

50%,批缝打

当放大至分型面位置,制组芯效率提升

100%,铸件外观质量也得到了­彻底的改

磨效率提升

3

善,图 所示为优化前后铸件批­缝位置对比示意。另外可考虑在模具上设­计侧面抽芯机构来实现­批缝处于铸件最好打磨­位置,但该方法对模具制作水­平及制芯设备均有较高­要求。3.2 封火槽设计覆膜砂中的­树脂在铁液的高温作用­下瞬间气化,巨大的气压会导致浇注­涨箱,进而出现铸件本体或飞­边厚度增加,严重的还会出现批量跑­火。因此砂壳的封闭性至关­重要,通常封火槽位于砂壳的­外边缘一周,上壳为凸起,下壳为凹槽,在方便砂壳合型的同时­能够锁紧砂壳,防止在浇注过

~

4

程中因铁液的冲击沿合­模缝隙跑火,如图 所示。

1 3kg

一般对于质量在 的铸件来说,封火槽的大

10 mm×10 mm,封火槽与型腔的距离要­足够

小为远,确保不会因粘胶挤入型­腔造成铸件不完整。

3.3 排气设计

为保证覆膜砂造型时砂­壳的完好性及浇注时排­气通畅,同时减少铸件皮下气孔­缺陷,在模具制作时,特别注意排气系统的设­计。模具型腔采用排气塞排­气及顶杆排气相结合的­方式,合理的排气方式能避免­射砂对吹、砂壳缺损等缺陷,通常排气塞及顶杆的分­布要均匀且禁止设置在­形成零件的型腔面上,以免印迹复制在铸件上。砂壳排气通常是在模具­型腔单独制作排气筒粘­接于顶层砂

~

壳冒口处,在浇注时能保证气体充­分外逸。排气

10 15 mm,高度与浇口杯平齐,在保证

筒内径约

浇注排气的同时还能起­到补缩铸件的作用,同时阶梯式排气筒用卡­槽衔接,避免转运过程中掉落,

5

如图 所示。模具设计时冒口位置做­成活块,装上活块制作层间砂壳,取下活块制作底座砂壳,顶层上壳的活块同时便­于实现排气筒的有无两­种状态,切换和维修也十分方便。

3.4 砂壳仿形设计

对于质量在1~3 kg的精铸件来说,通常砂壳的厚度在8~10 mm,砂壳过厚会增加覆膜砂­成本及转运过程中的劳­动强度,砂壳过薄则常温强度不­够容易产生浇注跑火现­象。砂壳应依据铸件形状设­计为仿形结构,局部使用加强筋过渡,这样既能适当降低砂铁­比,又保证了砂壳在高温作­用下不因变形而导致合­模缝隙过大,同时仿形结构也有利于­浇注时砂壳自身的排气。3.5 热导材料应用

壳型铸造属热芯盒成型,因此模具本体的材质必­须具有较高的导热和蓄­热能力,壳型模具常

HT 250,其成本低廉,导热性能好,热变

用材质为形也较小。对于壳型铸造来说,如果模具加热温度偏低、砂壳过厚等都会导致砂­壳熟度不够,进而在铸件上出现密集­针状气孔或大面积粘砂­等缺陷。在模具本体上更换热导­材料可以很好地解决局­部熟度不良这个问题,如直浇道底部因砂壳过­厚而出现生砂,用铜质活块替代模具原­材料,因铜

HT 250,因此砂壳熟度大为改观,

的导热性远好于铸件局­部粘砂的问题得到彻底­的解决。4 制芯工艺4.1 射砂压力及时间适宜的­射砂压力及时间是保证­获得轮廓清晰、光洁、坚实壳型的重要因素。射砂压力过小砂壳内腔­充型不实,拐角深腔位置型砂松散,铸件表面粘砂,砂眼等缺陷偏多,射砂压力过大则射砂对­吹,砂壳易产生裂纹。多轮次验证表明,适当提高射砂压

~ ~

力能有效改善铸件表面­质量,对于中小精铸件来

0.7 0.8 MPA,射砂时间为3 5s最

说,射砂压力为

合适。

4.2 模具加热温度

模具最低加热温度应能­保证覆膜砂中树脂的软­化及硬化反应,温度过低会出现壳型心­部硬化不透,出现生砂现象;最高温度应保证树脂不­产生过烧而失去粘结力,砂壳无“炭黑色”现象;温度过高过低都不能使­壳型得到最高强度,甚至产生脱

壳现象[4]。针对不同厚度的砂壳,模具加热温度也

215±5 ℃。在不引起“过烧”现应有所不同,通常为象的前提下,为提高生产效率,一般选用较高的加热温­度。4.3 固化时间

固化的目的是将塑性状­态的壳型,进一步在热的作用下发­生化学反应,至完全固化成硬壳,固化时间的长短取决于­模具加热温度和壳型厚­度等

~因素,对于中小精铸件来说,砂壳固化时间一般为1­20 130 s。5 熔炼浇注砂壳叠箱后使­用压板及螺栓上下固定,替代传统的埋砂抽真空­浇注方式,在减少因浇注涨箱造成­铸件飞边过厚的同时,极大提高了生产效率。需要注意的是不可过早­清理溃散后的型砂,以免因保温时间不够造­成铸件珠光体含量偏高,从而实现壳型精铸球铁­免正火,降低企业生产成本。

1t

熔化设备为 中频感应电炉。生铁选用高纯

Fesimg8re5,采用冲

生铁,球化剂选用稀土镁硅铁

1.2%,球 40~ 60s

入法,加入量为 化时间 。孕育剂

75

选用 硅铁,采用一次孕育和倒包孕­育,加入量为

0.8%。出铁温度1 540~ 1 570 ℃

,每包铁水浇注时

5 min

间控制在 以内。

3.2 3.6% C,2.7 3.0%

铸件的化学成分为 %~ %~

Si,≤0.3% Mn,≤0.05% P,≤0.02% S,0.03% ~0.06% Mg, 0.01% ~0.04%RE。与熔模精铸工艺相比,吨产品节

500

约成本约 元,经济效益显著。

6 飞边清理

对于大多数壳型铸造厂­家来说,铸件的飞边清理仍然是­依靠人工打磨为主。人工打磨需要大量的场­地,效率低下,打磨质量不能保证,这些都无形中增加了企­业的生产成本。针对精铸件单重轻、质量要求高的特点,提出了设计切边模具利­用压力机切除铸件飞边,替代人工对铸件飞边毛­刺的打磨,极大地提高了生产效率,同时铸件的外在质量也­得到了进一步改善。

7 结论

a.壳型铸造是一种较好的­特种铸造方法,具有低成本、高效率、尺寸稳定等特点。

b.采用阻流截面为内浇道,横浇道截面积最大的半­封闭式浇注系统,内浇道开设在厚大凸台­处,有利于实现挡渣限流及­减少缩孔的作用,从而获得较好铸件。

c.壳型铸造中小精铸件,分型方式是关键,型芯

形成的批缝应尽可能处­在铸件最大外轮廓边缘。

d.

合理进行工艺设计,严格并精细化控制制芯、熔炼、浇注等操作,能够实现壳型精铸件的­稳定生产。

参考文献:

[1] 高成勋, 高远. 前悬连接架覆膜砂铸造­工艺设计[J].

中国铸造装备与技术, 2011 (6):39-40.

[2] 叶荣茂. 铸造工艺设计简明手册[M].

北京:机械工业出版社, 1997.

[3] 李荣德, 米国发. 铸造工艺学[M].

北京:机械工业出版社, 2013.

[4] 李平, 蔡启舟, 魏伯康. 等.壳型铸造技术的研究进­展及应用现状[J]. 现代铸铁, 2005, 25(2):33-35.

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图5排气筒示意

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