消失模鑄造與成本分析

1、消失模鑄造(Expendable casting proces簡稱EPC)是泡沫塑料模采用無黏結(jié) 劑十砂結(jié)合，抽真空技術(shù)的實型鑄造(簡稱FM)由于這種鑄造方法投資少，成本 少，鑄造尺寸精度高和表面光潔，大大降低勞動強(qiáng)度和改進(jìn)作業(yè)環(huán)境實現(xiàn)鑄造車 間活潔生產(chǎn)，近年來發(fā)展很快成為今日鑄造的熱點。從總體上看，目前我國消失模技術(shù)還處在較低的水平上在鑄造復(fù)雜程度上以 及質(zhì)量水平方面。在技術(shù)程度性，商品化以及機(jī)械自動化程度等方面與先進(jìn)工業(yè) 國還有較大差距。先進(jìn)工業(yè)化國家已經(jīng)成功的大批量生產(chǎn)了汽車的四缸體，缸蓋等復(fù)雜鑄件，生產(chǎn)率達(dá)180型/小時。而我國目前穩(wěn)定投入生產(chǎn)的僅僅是一些排 氣管，殼體類等比較簡單的鑄

2、件，生產(chǎn)率僅30型/小時以下。所生產(chǎn)鑄件的精度 和表面粗糙度也有相當(dāng)大的差距，但是消失模鑄造這項新技術(shù)在我國的發(fā)展前景 是非常樂觀的。1.1消失模鑄造工藝分類1.用板材加工成形的氣化消失模鑄造用板材加工成形的氣化模鑄造的主要特點是：(1)模樣不用模具成形，而是采用市售的泡沫板材，用數(shù)控加工機(jī)床分塊制 作，然后粘合而成。(2)通常采用樹脂砂或水玻璃砂作填砂，也有人采用十砂負(fù)壓造型。這種方法主要適用于中、大型鑄件的單件、小批生產(chǎn)，如汽車覆蓋件模具、機(jī)床床身的生產(chǎn)等。通常稱這種方法為Full Mould Casting，簡稱FMC法。2.用模具發(fā)泡成形的消失模鑄造用模具發(fā)泡成形的消失模鑄造的主要特點

3、是，模樣在模具中成形和采用負(fù)壓 十砂造型。它主要使用于中、小型鑄件的大批生產(chǎn)，如汽車和拖拉機(jī)鑄件，管接 頭，耐磨件的生產(chǎn)。通常稱這種方法為Lost Foam Casting簡稱LFC法。1. 2消失模鑄造的工藝流程1.2.1預(yù)發(fā)泡模型生產(chǎn)是消失模鑄造工藝的第一道工序， 復(fù)雜鑄件如汽缸蓋，需要數(shù)塊泡 沫模型分別制作， 然后再膠合成一個整體模型。 每個分塊模型都需要一套模具進(jìn) 行生產(chǎn)，另外在膠合操作中還可能需要一套胎具，用于保持各分塊的準(zhǔn)確定位， 模型的成型工藝分為兩步，第一步是將聚苯乙烯珠粒預(yù)發(fā)到適當(dāng)密度， 一般通過 蒸汽快速加熱來進(jìn)行，此階段稱為預(yù)發(fā)泡。1.2.2模型成型經(jīng)過預(yù)發(fā)泡的珠粒要先進(jìn)

4、行穩(wěn)定化處理，然后再送到成型機(jī)的料斗中，通過 加料孔進(jìn)行加料，模具型腔充滿預(yù)發(fā)的珠粒后，開始通入蒸汽，使珠粒軟化、膨脹，擠滿所有空隙并且粘合成一體，這樣就完成了泡沫模型的制造過程， 此階段 稱為蒸壓成型。成型后，在模具的水冷腔內(nèi)通過大流量水流對模型進(jìn)行冷卻，然后打開模具取出模型，此時模型溫度提高且強(qiáng)度較低，所以在脫模和儲存期間必 須謹(jǐn)慎操作，防止變形及損壞。1.2.3模型簇組合模型在使用之前，必須存放適當(dāng)時間使其熟化穩(wěn)定，典型的模型存放周期多 達(dá)30天，而對丁用設(shè)計獨特的模具所成型的模型僅需存放2個小時，模型熟化穩(wěn)定后， 可對分塊模型進(jìn)行膠粘結(jié)合。 分塊模型膠合使用熱熔膠在自動膠合機(jī)上 進(jìn)行。

5、膠合面接縫處應(yīng)密封牢固，以減少產(chǎn)生鑄造缺陷的可能性。1.2.4模型簇浸涂為了每箱澆注可生產(chǎn)更多的鑄件，有時將許多模型膠接成簇，把模型簇浸入 耐火涂料中，然后在大約3060C的空氣循環(huán)烘爐中干燥23個小時，干燥之 后，將模型簇放入砂箱，填入干砂振動緊實，必須使所有模型簇內(nèi)部孔腔和外圍 的干砂都得到緊實和支撐。1.2.5澆注模型簇在砂箱內(nèi)通過干砂振動充填堅實后，鑄型就可澆注，熔融金屆澆入鑄型后（澆注溫度鑄鋁約在760r,鑄鐵約在1425C,模型氣化被金屆所取代形成鑄 件。圖1.1所示是消失模工藝的砂箱和澆注示意圖。在消失模鑄造工藝中，澆注 速度比傳統(tǒng)空型鑄造更為關(guān)鍵。如果澆注過程中斷，砂型就可能塌

6、陷造成廢品。 因此為減少每次澆注的差別，最好使用自動澆注機(jī)。1.2.6落砂清理澆注之后，鑄件在砂箱中凝固和冷卻，然后落砂。鑄件落砂相當(dāng)簡單，傾翻 砂箱鑄件就從松散的十砂中掉出。 隨后將鑄件進(jìn)行自動分離、活理、檢查并放到 鑄件箱中運(yùn)走。十砂冷卻后可重新使用，很少使用其他附加工序，金屆廢料可在 生產(chǎn)中重熔使用。1.3消失模鑄造的主要特點1. EPC是一種進(jìn)無余量精確成形的工藝。其特點是采用遇金屆即消失的泡沫 塑料做模樣，既無分型乂無分型芯。模樣無起模斜度，鑄件無飛邊毛刺，還減小 了由于型芯塊組合而造成的尺寸誤差。鑄件尺寸精度和表面粗糙度可分別達(dá)到IT5-IT7 , Ra=6.312.5插近熔模精密

7、鑄造水平。由于采用十砂，根除了由于 水分，粘結(jié)劑和附加物帶來的缺陷，鑄造廢品率顯著下降，鑄件質(zhì)量顯著提高。 該工藝對工人的操作水平要求不高，對鑄造行業(yè)很有吸引力。2.容易實現(xiàn)活潔生產(chǎn)。低溫下聚苯乙烯（EPS）對環(huán)境完全無害，澆注時排出的有機(jī)物也少；EPS有機(jī)物排放量僅占澆注鐵液質(zhì)量的0.3%。而自硬砂為0.5%。 同時生產(chǎn)有機(jī)排放物的時間短， 地點集中，易于收集，可以采用負(fù)壓抽吸式燃燒 凈化處理， 燃燒產(chǎn)物凈化后對環(huán)境無公海， 舊砂回用率在95%以上。 與傳統(tǒng)鑄造 方法相比。EPC法的噪聲，一氧化碳?xì)怏w和硅石粉塵危害明顯減小，工人勞動強(qiáng)度大大降低，勞動環(huán)境顯著改善，容易實現(xiàn)機(jī)械化，自動化的活潔

8、生產(chǎn)。3.為主見結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了充分的自由度。原先要由多個零件加工組裝的構(gòu) 件，采用EPC工藝后可以通過分片制模然后粘合的辦法整體鑄出，而且型芯可以省去，孑L、洞可以直接鑄出，這就大大節(jié)約了加工裝配的費(fèi)用， 同時也可以減 少加工裝備的投資。一般說來，與傳統(tǒng)鑄造工藝相比，EPC技術(shù)設(shè)備投資可減少30%50%，鑄件成本可下降10%30%。4.金屆液的流動前沿是熱解的消失模產(chǎn)物（氣體和液體），它會與金屆液發(fā)生反 應(yīng)并影響到金屆液的充填。如果金屆充型過程中熱解產(chǎn)物不能順利排除，就容易 引起氣孔、皺皮、增碳等缺陷。這就要求工藝師掌握消失模鑄造成形原理， 正確 設(shè)計澆注系統(tǒng)，制定合理的工藝方案。5.模具的制

9、造成本較高， 要求有一定的生產(chǎn)批量， 否則很難獲得好的經(jīng)濟(jì)效 益。綜上所述，消失模鑄造符合當(dāng)今鑄造技術(shù)發(fā)展的總趨勢，有著廣闊的發(fā)展前 景。圖 1.11.1 消失模工藝的砂箱和澆注示意圖干煤砂發(fā)包聚苯乙臨其優(yōu)越性不容質(zhì)疑，但是它不是萬能的它有特定的應(yīng)用范圍。具體的產(chǎn)品對象采用什么鑄造工藝最合適，必須經(jīng)過技術(shù)上的可行性以及經(jīng)濟(jì)上的合理性的 充分論證，切不可盲目從事。1.4消失模鑄造的應(yīng)用范圍1.合金種類幾乎所有的鑄鐵、鑄鋼和非鐵合金（即有色合金，如鋁合金、鎂合金、銅合 金等）都可以采用EPC法生產(chǎn)。在我國2001年生產(chǎn)的68,000t消失模鑄件中，絕 大部分是鑄鐵和鑄鋼件，鋁合金鑄件微乎其微，而美

10、、德、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國家鋁 合金鑄件卻占主導(dǎo)地位。由于消失模樣熱解產(chǎn)物會造成增碳、 黑渣等缺陷，在鑄造低碳鋼鑄件以及要 求致密度極高的汽車球鐵保安件時，廢品率還比較高，選用時應(yīng)該特別慎重。2.鑄件大小和壁厚EPC法一般都在流水線上組織批量生產(chǎn)，鑄件的最大尺寸收模具和砂箱大小 的限制，最適合的鑄件質(zhì)量通常從幾公斤至幾白公斤，如果采用專用砂箱，也可以鑄造成噸的大件。如果單件、小批生產(chǎn)，則可以生產(chǎn)質(zhì)量為幾噸甚至幾十噸的 大件。鑄件的壁厚受泡沫塑料粒度大小的限制， 一般要求最小壁厚的截面上至少有3顆粒度，因此鑄件的最小壁厚應(yīng)大于3mm。3.生產(chǎn)批量由于模具的設(shè)計、制造周期長，成本高，因此要求鑄件有一定得

11、生產(chǎn)批量，不然分?jǐn)偟矫總€鑄件上的費(fèi)用將使鑄件價格變得昂貴，難為用戶所接受。通常要求EPC法的生產(chǎn)批量為數(shù)千件或者更多。批量較小或單個試制件的模樣可以通 過板材數(shù)控加工的辦法分塊制造粘合而成。4.結(jié)構(gòu)形狀EPC法對對鑄件結(jié)構(gòu)形狀的適應(yīng)性比其他方法都強(qiáng)， 而且越是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原 來用砂型鑄造時需要使用的砂芯越多、 機(jī)加工量越大的鑄件，采用消失模鑄造技 術(shù)的優(yōu)越性就越突出，經(jīng)濟(jì)效益也越顯著。譬如，美國Mercury Marie公司曾生產(chǎn)一種新型的三缸兩沖程缸體鑄件，包 含缸蓋和排氣循環(huán)系統(tǒng)，原先是由13個零件組裝而成，還用了12個密封墊和42個緊固螺釘。重新設(shè)計后，變成一個消失模鑄件，有6個模片粘合而

12、成，整體鑄出，大大減少了加工工時和裝配工作量。EPC法可以大大擴(kuò)展鑄件形狀結(jié)構(gòu)范圍，給設(shè)計師更大的自由度。對于一些結(jié)構(gòu)上有窄槽、夾層通道的鑄件處理措施，不然容易產(chǎn)生夾砂等缺 陷。1.5中國EPC技術(shù)的發(fā)展與特點現(xiàn)階段中國消失模鑄造技術(shù)的發(fā)展有以下特點：1.中國的EPC技術(shù)首先是由鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)、中小型鑄造配件廠帶頭開發(fā)的。但到 前為止，我國還沒有一家企業(yè)可以與北美、 歐洲的消失模鑄造十大企業(yè)媲美。 總 體上看。我國的消失模鑄造廠規(guī)模小。產(chǎn)量低，經(jīng)濟(jì)效益尚未充分顯現(xiàn)出來。 主 機(jī)制造廠（特別是汽車制造）采用這一新技術(shù)的廠家還太少。2.目前我國生產(chǎn)的EPC產(chǎn)品僅停留在中等難度以下的鑄件， 如磨球， 爐墓

13、條，熱處理框架等耐熱、耐磨件，球鐵管件，灰鑄鐵箱體件等，難度大的復(fù)雜鑄件（如 汽車缸體、缸蓋）還不能批量生產(chǎn)出來。鑄鋼件、球鐵件受碳缺陷和黑渣、氣孔 的困擾，廢品率還比較高。EPC技術(shù)上還不夠成熟，有許多技術(shù)難關(guān)有待攻克。3.在每年68,000t消失模鑄件總產(chǎn)量中，鋁合金鑄件產(chǎn)量不到2%（美國的鋁合金鑄件產(chǎn)量將近50%）,與鑄件輕量化”的發(fā)展趨勢有較大差距。4.某些規(guī)模較大的生產(chǎn)線，由于前期工藝論證不夠，技術(shù)難關(guān)還沒有攻破而 遲遲不能投產(chǎn),使巨額投資得不到即時回報；一些規(guī)模小的生產(chǎn)線,由于市場波 動，產(chǎn)品對象不穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益時好時壞。從總體（總產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)、效益）上看，我國消失模鑄造技術(shù)還處于初

14、級發(fā)展階 段（相當(dāng)與AFS分析的 技術(shù)革命期”，）與美國的水平有1015年的差距，要達(dá)到 世界先進(jìn)水平，還要艱苦努力。1.6我國消失模技術(shù)的發(fā)展方向1.產(chǎn)品必須對路，項目的前期工藝論證必不可少。2.腳踏實地地攻克消失模鑄造技術(shù)的每一道難關(guān)。3.圍繞白區(qū)”薄弱環(huán)節(jié)，加大研究開發(fā)力度。（白區(qū)”是一個多科學(xué)交義領(lǐng)域，涉及模具的CAD/CAM，高分子發(fā)泡材料和成形發(fā)泡工藝以及相關(guān)的預(yù)發(fā)、成形、粘合設(shè)備等多個方面）。4.實現(xiàn)鑄件的輕量化”、精確化。大力發(fā)展鋁合金消失模鑄造。5.實現(xiàn)消失模鑄造的活潔發(fā)展。6.協(xié)同作戰(zhàn)，發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的總體優(yōu)勢。從新技術(shù)成長的規(guī)律看，我過的消失模鑄造技術(shù)還處于技術(shù)革新期，

15、還需要有一 個艱苦的技術(shù)積累過程，需要付出艱辛的勞動，針對一個一個具體產(chǎn)品對象攻克 難關(guān)，不可能坐享其成或操之過急。消失模鑄造成本分析消失模鑄造特別適用于普通鑄造難以完成的多分型、多芯子、幾何形狀復(fù)雜和復(fù)雜型腔的鑄件。因此，成本對比應(yīng)有一個高度，不能以簡單的鑄鐵件采用一臺沖天爐，一堆粘土砂的成本來與消失模鑄造做比較。成本分析很簡單，可包括兩個方面，即成本增加因素和成本減少因素，這兩個因素的差價，即是采用消失模鑄造工藝以后，成本增加還是減少的數(shù)額。原成本減去 EPCEPC 成本減少因素+EPC+EPC 成本增加因素等于 EPCEPC 成本1 1、消失模鑄造的成本增加因素消失模鑄造的成本增加主要來

16、自兩個方面：泡沫模型和涂料消耗。 每噸鑄件消耗泡沫型30003000 克（包括澆冒口），如果自己生產(chǎn)泡沫模型，每克成本價為0.020.02 元。即每噸泡沫型消耗 6060 元人民幣；如果外購泡沫模型最多也是每克0.03-0.050.03-0.05 元。即每噸鑄件消耗 90-15090-150元。涂料均為自制，骨料價格在500-1000500-1000 元間，其余成份用量較少，以每噸干粉涂料10001000元計算，即使是薄壁件，每噸也只能消耗50-6050-60 千克，即不超過 100100 元。因此，消失模鑄造成本增加，可定為：1自制泡沫模型：約 160160 元；(隨市場變化)2購泡沫模型：

17、約 200200250250 元(隨市場變化)2 2、消失模鑄造成本減少因素(1)(1) 、干砂重復(fù)使用，不需下芯，消耗量很小，可以不做計算，與鑄鋼比較，每噸鑄件可節(jié)約型砂 1.21.2 噸以上。比鑄鐵可節(jié)約附加材料費(fèi)用，型殼焙燒費(fèi)用，制芯費(fèi)用，芯鐵費(fèi)用。(2)(2)、造型效率明顯提高，不再需要造型工人，可節(jié)約用工40%-60%A40%-60%A 上。(3)(3) 、清理工時可節(jié)約 90%90%鑄鋼件可節(jié)約切割飛邊毛刺的氣體消耗。(4)(4) 、鐵水收得率提高 10-30%,10-30%,特別是球鐵件可實現(xiàn)無冒口澆注。(5)(5) 、不銹鋼、高鎰鋼、球鐵可利用余熱固溶處理，大大節(jié)約能源消耗。(6)(6) 、單件產(chǎn)品不須制作