第四章 消失模鑄造

中國鑄造行業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的思考綠色制造許多國家現(xiàn)在要求進(jìn)口的產(chǎn)品必須進(jìn)行綠色性認(rèn)定,具有“綠色標(biāo)志”。特別是有些發(fā)達(dá)國家以保護(hù)本國環(huán)境為由,制定了極為苛刻的產(chǎn)品環(huán)境指標(biāo)來限制國際產(chǎn)品特別是發(fā)展中國家產(chǎn)品進(jìn)入本國市場(chǎng),即設(shè)置“綠色貿(mào)易壁壘”。實(shí)施綠色制造已是大勢(shì)所趨。面對(duì)這種狀況,各國紛紛提出了不同的措施加以積極應(yīng)對(duì),如美國在展望2010年的制造業(yè)前景時(shí)提出了“無廢棄物加工”的概念;德國制定了《產(chǎn)品回收法規(guī)》;歐盟也頒布了“汽車材料回收”法規(guī),要求從2005年新生產(chǎn)的汽車材料的85%能再利用。中國香港也成立了“香港綠色制造聯(lián)盟”,以督促生產(chǎn)的產(chǎn)品達(dá)到綠色制造要求,保證本地工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力及市場(chǎng)占有率。中國大陸在1996年和1997年相繼引入了ISO14001和ISO14040等系列標(biāo)準(zhǔn)。至2003年止,逾百家企業(yè)通過了審核認(rèn)證,行業(yè)覆蓋電子、電氣、家電、機(jī)械、化纖等行業(yè)。中國鑄造行業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的思考(1)環(huán)保型鑄造設(shè)備和技術(shù)的引進(jìn)與開發(fā).(2)鑄件原、輔材料.(3)鑄造廢棄物的回收和再生利用.(4)加強(qiáng)環(huán)保意識(shí),形成從上到下的環(huán)保氛圍(5)加強(qiáng)綠色鑄造評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系的研究和建立.5.1概述5.1概述消失模鑄造(LostFoanCasting,LFC又稱氣化模鑄造(EvaporativePattenCasting,EPC)以鑄造件尺寸精度高、表面光潔、少無污染等優(yōu)點(diǎn),被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色鑄造技術(shù)”。5.1.1工藝過程消失模鑄造是將與鑄件尺寸形狀相似的泡沫模樣黏結(jié)組合成模樣簇,刷涂耐火涂料并烘干后,埋在干砂中振動(dòng)造型,在常壓或負(fù)壓下澆注,金屬液使模樣受熱分解氣化，并占據(jù)模樣位置,凝固冷卻后形成鑄件的鑄造方法。圖5.1為消失模鑄造工藝過程示意圖。5.1.2工藝特點(diǎn)消失模鑄造的工藝特點(diǎn)如下。1.鑄件尺寸精度高,表面粗糙度低由于不用取模、分型,無拔模斜度,不需要型芯,并避免了由于型芯組合、合型而造成的尺寸誤差,因而鑄件尺寸精度高。消失模鑄件尺寸精度可達(dá)CT5~CT6級(jí),表面粗糙度可達(dá)Ra=6.3~12.5um。2.工序簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高由于采用干砂造型,無型芯,因此造型和落砂清理工藝都十分簡(jiǎn)單,同時(shí)在砂箱中可將泡沫模樣串聯(lián)起來進(jìn)行澆注,生產(chǎn)效率高。3.設(shè)計(jì)自由度大為鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了充分的自由度。可以通過泡洙塑料模片組合鑄造出高度復(fù)雜的鑄件。4.清潔生產(chǎn)型砂中無化學(xué)黏結(jié)劑,低溫下泡沫塑料對(duì)環(huán)境無害;采用干砂造型,大大減少鑄件落砂、清理工作量,大大降低車間的噪聲和粉塵,有利于工人的身體健康和實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。5.投資少、成本低消失模鑄造生產(chǎn)工序少,落砂處理設(shè)備簡(jiǎn)單,舊砂的回收率高達(dá)95%以上;另外由于沒有化學(xué)黏結(jié)劑等的開銷;模具壽命長;鑄件加工余量小,減輕了鑄件毛坯重量,鑄件綜合生產(chǎn)成本低。5.1.3應(yīng)用概況美國通用汽車公司于1985年建成世界上第一條消失模鑄造生產(chǎn)線,用于生產(chǎn)汽車柴油機(jī)的鋁缸蓋。福特汽車公司和約翰迪爾公司,以及德國的寶馬公司、英國的斯坦頓、北愛爾蘭的Montupet公司、意大利的FrancoTosiCastiSPA公司、法國雪鐵龍的Char-leville公司等先后建成消失模鑄造生產(chǎn)線。消失模鑄造技術(shù)特別適合于生產(chǎn)形狀復(fù)雜、需要砂芯成形的鑄件,如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、進(jìn)氣歧管等,此外還廣泛用于曲軸、凸輪軸、變速箱殼體、離合器殼、閥體、電機(jī)殼體、輪轂、剎車盤、磨球、耐磨襯板以及藝術(shù)品等鑄件的生產(chǎn)。適用材質(zhì)有灰鑄鐵、球墨鑄鐵、鋁合金、銅合金、碳鋼、合金鋼、不銹鋼等。圖5.2~圖5.4所示為采用消失模鑄造的鋁合金四缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、鑄鐵曲軸及藝術(shù)品.圖5.2四缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄件。5.2模樣制作5.2.1對(duì)模樣的要求模樣質(zhì)量是消失模鑄造成敗的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。模樣不僅決定著鑄件的外部質(zhì)量,而且還與金屬液直接接觸并參與傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞和復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng),對(duì)鑄件的內(nèi)在質(zhì)量也有著重要影響。因此,消失模鑄造模樣必須滿足如下要求。(1)氣化溫度和發(fā)氣量低,以減少澆注時(shí)的煙霧。(2)氣化迅速、完全,殘留物少。(3)密度小、強(qiáng)度和表面剛性好,使得模樣在制造、搬運(yùn)和造型過程中不易損傷,確保模樣尺寸和形狀穩(wěn)定。(4)珠粒均勻,結(jié)構(gòu)致密,加工性能好。5.2.2模樣材料目前用于消失模鑄造的模樣材料主要有可發(fā)性聚苯乙烯(簡(jiǎn)稱EPS)、可發(fā)性聚甲基丙烯酸甲酯(EPMMA)、可發(fā)性苯乙烯與甲基丙烯酸甲酯共聚樹脂(簡(jiǎn)稱STMMA)。1可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)聚苯乙烯是一種碳?xì)浠衔?其分子式為(C6H5.C2H3)n。EPS具有密度低、氣化迅速，易加工成形等優(yōu)點(diǎn),是最早用于消失模鑄造的模樣材料。因其價(jià)格低廉來源廣泛,應(yīng)用于鋁合金、銅合金、灰鑄鐵及一般鑄鋼件的生產(chǎn)。采用EPS生產(chǎn)低碳鋼或球墨鑄鐵鑄件容易產(chǎn)生增碳和炭黑缺陷2.可發(fā)性聚甲基丙烯酸甲酯(EPMMA)和共聚樹脂(STMMA)EPMMA的發(fā)氣量和發(fā)氣速度大,澆注時(shí)容易產(chǎn)生反噴。因此，又開發(fā)出了EPS和MMA以一定比例配合的共聚STMMA(ST—苯乙烯,MMA—甲基丙烯酸甲酯),在解決碳缺陷和發(fā)氣量大引起的反噴缺陷兩方面都取得較好的效果,成為目前鑄鋼和球鐵件生產(chǎn)中廣泛采用的新材料。3.泡沫材料的選用首先根據(jù)鑄件材質(zhì)及對(duì)鑄件的質(zhì)量要求來選擇泡沫材料種類；再根據(jù)鑄件的最小壁厚選擇泡沫珠粒尺寸。一般情況下,厚大鑄件選用較粗粒徑的珠粒,薄壁鑄件選用較細(xì)粒徑,使鑄件最薄部位保持三個(gè)珠粒以上為宜。表5-1與表5-2分別為消失模鑄造常用泡沫珠粒規(guī)格和泡沫塑料的性能,供選用時(shí)參考。5.2.3泡沫模樣的制作泡沫塑料模樣制作方法可分為板材加工和模具發(fā)泡成形。板材加工是將泡沫塑料板材通過電熱絲切割,或銑、鋸、車、刨、磨削機(jī)械加工,或手工加工,然后膠合裝配成所需的泡沫塑料模樣。板材加工法主要用于單件、小批量生產(chǎn)時(shí)的大中型模樣。發(fā)泡成形工藝則用于成批、大量生產(chǎn)時(shí)制作泡沫塑料模樣。泡沫模樣制作工藝過程為:原始珠粒--預(yù)發(fā)泡--干燥、熟化--發(fā)泡成形--模樣。1.預(yù)發(fā)泡微小的EPS珠粒經(jīng)過加熱,體積膨脹至預(yù)定大小的過程稱為預(yù)發(fā)泡。預(yù)發(fā)泡工藝是泡沫模樣成形的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。一般而言,泡沫模樣的密度調(diào)整主要是通過調(diào)整預(yù)發(fā)泡的倍數(shù)來實(shí)現(xiàn)。消失模鑄造用珠粒的預(yù)發(fā)泡通常都采用間歇式預(yù)發(fā)泡機(jī)。預(yù)發(fā)方式主要有真空預(yù)發(fā)和蒸汽預(yù)發(fā)兩種。1)真空預(yù)發(fā)圖5.5為真空預(yù)發(fā)泡機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖,筒體帶夾層,中間通蒸汽或油加熱,筒體內(nèi)加入待預(yù)發(fā)的原始珠粒,加熱攪拌后抽真空,然后噴水霧化冷卻定形。由于真空預(yù)發(fā)泡機(jī)的加熱介質(zhì)(蒸汽或油)不直接接觸珠粒,珠粒的發(fā)泡是真空和加熱的雙重作用而使發(fā)泡劑加速氣化逸出的結(jié)果。預(yù)熱溫度預(yù)發(fā)時(shí)間真空度的大小0.06~0.08MPa抽真空的時(shí)間20~30s預(yù)熱時(shí)間和溫度由夾層蒸汽壓來控制。真空預(yù)發(fā)的珠粒含水量低、相對(duì)干燥;有利于獲得超低密度泡沫模樣,如EPS模樣密度達(dá)到16kg·m-3,EPMMA密度達(dá)到20kg·m-3。影響預(yù)發(fā)珠粒質(zhì)量的關(guān)鍵因素2)蒸汽預(yù)發(fā)圖5.6為蒸汽預(yù)發(fā)原理示意圖。珠粒從上部定量加入攪拌筒體,高壓蒸汽從底部進(jìn)入加熱預(yù)發(fā),筒體內(nèi)的攪拌器不停轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)預(yù)發(fā)珠粒的高度達(dá)到光電管的控制高度時(shí),自動(dòng)發(fā)出信號(hào),停止進(jìn)氣并卸料。蒸汽預(yù)發(fā)泡機(jī)不是通過時(shí)間而是通過預(yù)發(fā)泡后的容積定量(即珠粒的預(yù)發(fā)密度定量)來控制預(yù)發(fā)倍率δ。不同模樣材料的預(yù)發(fā)溫度參數(shù)見表5-3。采用蒸汽預(yù)發(fā)泡時(shí),由于珠粒直接與水蒸氣接觸,預(yù)發(fā)珠粒水分含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)10%左右,因此卸料后必須經(jīng)過干燥處理。2.熟化剛剛預(yù)發(fā)的珠粒不能立即用來在模具中進(jìn)行二次發(fā)泡成形,這主要是因?yàn)轭A(yù)發(fā)珠粒從預(yù)發(fā)泡機(jī)卸料到儲(chǔ)料倉時(shí),由于驟冷造成泡孔中發(fā)泡劑和滲入蒸汽的冷凝,從而使泡孔內(nèi)部處于真空狀態(tài)。此時(shí)的預(yù)發(fā)珠粒彈性不足,流動(dòng)性較差,不利于充填緊實(shí)模具型腔和獲得較好表面質(zhì)量的泡沫模樣。預(yù)發(fā)泡后的珠粒,必須放置一個(gè)時(shí)期,讓空氣滲入泡孔中,保持泡孔內(nèi)外壓力的平衡,使珠粒富有彈性,以便最終發(fā)泡成形,這個(gè)過程稱為熟化處理。最合適的熟化溫度是20-25℃。溫度過高,發(fā)泡劑的損失增大；溫度過低,減慢了空氣滲入和發(fā)泡劑擴(kuò)散的速度。最佳熟化時(shí)間取決于熟化前預(yù)發(fā)珠粒的濕度和密度,一般來說預(yù)發(fā)珠粒的密度越低,熟化時(shí)間越長;預(yù)發(fā)珠粒的濕度越大,熟化的時(shí)間越長。表5-4列出了含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%以下不同密度的預(yù)發(fā)珠粒熟化時(shí)間參考值。3.發(fā)泡成形發(fā)泡成形是指將熟化后的珠粒充填到模具的型腔內(nèi),再次加熱使珠粒二次發(fā)泡,發(fā)泡球粒相互黏結(jié)成一個(gè)整體,經(jīng)冷卻定形后脫模,形成與模具形狀和尺寸一致的整體模樣。1）發(fā)泡成形機(jī)發(fā)泡成形機(jī)有立式和臥式之分。立式成形機(jī)[圖5.7a]的開摸方式為水平分型,模具分為上模和下模。其特點(diǎn)為:①模具拆卸和安裝方便;②模具內(nèi)便于安放嵌件(或活塊);③易于手工取模;④占地面小。臥式成形機(jī)[圖5.7(b)]的開模方式為垂直分型,模具分為左模和右模。其特點(diǎn)為:①模具前后上下空間開闊,可靈活設(shè)置氣動(dòng)抽芯機(jī)構(gòu),便于制作有多抽芯的復(fù)雜泡沫模樣;②模具中的水和氣排放順暢,有利于泡沫模樣的脫水和干燥;③生產(chǎn)效率高,易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)全自動(dòng)控制;④結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、價(jià)格較貴。圖5.8及圖5.9分別為德國Teubert機(jī)器公司的TDV-100LF間歇式蒸汽預(yù)發(fā)泡機(jī)和Teube-TSACLF型全自動(dòng)消失模模樣成形機(jī)。2)發(fā)泡成形工藝發(fā)泡成形工藝流程如圖5.10所示。合理的發(fā)泡成形工藝是獲得高質(zhì)量泡沫模樣的必要條件。(1)合模預(yù)熱。模具合模以后,要將它預(yù)熱到100℃,保證在正式制模之前模具是熱態(tài)的干燥的,預(yù)熱不足,將造成發(fā)泡不充分的珠粒狀不良表面,模具中殘存的水分會(huì)導(dǎo)致模樣中的空隙和孔洞。(2)填料。泡沫珠粒的充填對(duì)于獲得優(yōu)質(zhì)泡沫模樣非常重要。泡沫珠粒在模具中填充不均勻或不緊實(shí)會(huì)使模樣出現(xiàn)殘缺不全或融合不充分等缺陷,影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量。充填珠粒方法有手工填料、料槍射料和負(fù)壓吸料等,其中料槍射料用得最普遍。泡沫珠粒能否充滿模具型腔,主要取決于壓縮空氣和模具上的排氣孔設(shè)置。壓縮空氣的壓力一般為0.2~0.3MPa。(3)加熱。預(yù)發(fā)珠粒填滿模具型腔后,通入溫度大約為120℃、壓力為0.1~0.15MPa的蒸汽,保壓時(shí)間視模具厚度而定,從幾十秒至幾分鐘。此時(shí)珠粒的膨脹僅能填補(bǔ)珠粒間空隙,使珠粒表面熔化并相互黏結(jié)在一起,形成的平滑表面,密度基本不變。(4)冷卻。模樣在出模前必須進(jìn)行冷卻,以抑制出模后繼續(xù)長大,即抑制第三次膨脹。冷卻時(shí)使模樣降溫至發(fā)泡材料的軟化點(diǎn)以下,模樣進(jìn)入玻璃態(tài),硬化定形,這樣才能獲得與模具形狀、尺寸一致的模樣。冷卻方法一般采用噴水冷卻,將模具冷卻到40-50℃,有的機(jī)動(dòng)模噴水霧后接著抽真空,使水霧蒸發(fā)、蒸汽凝結(jié),造成理想的冷卻,同時(shí)真空使保留的水分、戊烷減少,使模樣具有較好的尺寸穩(wěn)定性。(5)脫模。一般根據(jù)成形機(jī)開模方向,并結(jié)合模樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選定起模方式。對(duì)于簡(jiǎn)易立式成形機(jī),常采用水與壓縮空氣疊加壓力推模法;對(duì)于自動(dòng)成形機(jī),有機(jī)械頂桿取模法和真空吸盤取模法。摸樣從模具中取出時(shí),一般存在0.2%~0.4%的收縮,并且含6%~8%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水分和少量發(fā)泡劑。水分和發(fā)泡劑的存在容易導(dǎo)致反噴和氣孔等缺陷。因此在生產(chǎn)實(shí)際中，常將模樣置入50~70℃的烘干室中強(qiáng)制干燥5~6h,達(dá)到穩(wěn)定尺寸、去除水分的目的。5.3發(fā)泡模具的設(shè)計(jì)與制造發(fā)泡成形模具是決定模樣質(zhì)量最主要、最直接的因素,粗劣的模具絕不可能獲得優(yōu)質(zhì)的模樣。與此同時(shí),模具的加工制造成本,操作的方便程度,對(duì)模樣制作的效率和鑄件的成本也起著十分重要的作用。5.3.1發(fā)泡成形工藝設(shè)計(jì)1.發(fā)泡模具分型面確定采用成形機(jī)制模,無論是水平分型還是垂直分型,多為兩開模分型結(jié)構(gòu)。兩開模分型面的基本形式和普通鑄造的分型形式一樣有直線分型、折線分型、曲線分型三種。此外還有水平垂直雙分型、水平垂直三分型以及多開模分型等形式。分型面的選擇應(yīng)根據(jù)鑄件的具體結(jié)構(gòu)來選擇,應(yīng)盡量減少分型數(shù)量,使復(fù)雜模樣能一次整體做出。分型面的選擇原則主要有三條:①保證泡沫模樣的精度;②便于泡沫模樣從模具中取出;③有利于模具加工。2.注射料口位置選擇注料口位置的設(shè)計(jì),直接影響模樣的質(zhì)量。選擇注射料口時(shí)應(yīng)遵循的原則是:進(jìn)料順,排氣暢,受阻小,使泡沫模樣充緊實(shí)、密度均勻。對(duì)于大件或復(fù)雜件,若一個(gè)注料口不夠,可設(shè)計(jì)多個(gè)注料口。注料口的位置一般有中心注料方式、切線進(jìn)料方式、從內(nèi)澆口進(jìn)料方式多進(jìn)料口進(jìn)料方式。3.模樣的分片形狀復(fù)雜的泡沫模樣若不能一次整體發(fā)泡成形,則需將其進(jìn)行分片處理,即將一個(gè)整體模樣切割成幾個(gè)小的模樣,各個(gè)小片模樣單獨(dú)成形,然后再進(jìn)行黏結(jié),將各個(gè)模片組合成一個(gè)整體。圖5.11為汽車排氣管泡沫模樣分片圖。該零件的流道曲面復(fù)雜采用三維CAD軟件,將其分解成三個(gè)模片,且分割面均為曲面。各模片在黏結(jié)時(shí),借用黏結(jié)胎模完成模片的曲面精確黏結(jié)。5.3.2發(fā)泡模具本體設(shè)計(jì)1.發(fā)泡模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圖5.12為立式自動(dòng)成形機(jī)用水平分型模具的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。與其他鑄造成形方法的模具結(jié)構(gòu)不同,發(fā)泡模具有它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):一是在發(fā)泡模具上設(shè)有一成形蒸汽室的外框架,蒸汽室內(nèi)安裝有冷卻水管。二是發(fā)泡模具結(jié)構(gòu)為薄殼隨形結(jié)構(gòu),即模具為等壁厚,以滿足發(fā)泡成形模具快速加熱和快速冷卻的工藝要求。采用鍛造鋁合金時(shí),模具型腔壁厚推薦值為8-10mm。采用鑄造鋁合金時(shí),模具型腔壁厚推薦值為10~12mm。三是在模具整個(gè)型腔面上布滿透氣孔、透氣塞或透氣槽。圖5.13所示為德國Teubert公司采用3腔獨(dú)立汽室同時(shí)生產(chǎn)“變速箱”的3個(gè)模片的模具。2.發(fā)泡模具尺寸的確定1）鑄件加工余量根據(jù)我國鑄件公差等級(jí),并結(jié)合國外消失模鑄件的應(yīng)用實(shí)踐,確定消失模鑄件的尺寸公差為CT6~CT8(高出機(jī)械造型砂型鑄件尺寸公差1~2個(gè)等級(jí)),壁厚公差等級(jí)為CT5~CT7(與熔模鑄件的尺寸公差相當(dāng))。消失模鑄件的毛坯加工余量為砂型鑄件加工余量的30%~50%,大于熔模鑄件加工余量的30%~50%。消失模鑄件的機(jī)械加工余量的取值見表5-5。2)收縮率在確定發(fā)泡模具的型腔尺寸時(shí),應(yīng)將鑄件的收縮和泡沫模樣的收縮都計(jì)算在內(nèi)。對(duì)于密度為22~25kg·cm3的泡沫模樣,EPS的線收縮率為0.3%~0.4%,共聚物(STMMA或EPMMA)的線收縮率為0.2%~0.3%。用共聚物制造的泡沫模樣的尺寸穩(wěn)定性要高于EPS泡沫模樣。3)泡沫模樣的拔模斜度泡沫模樣從發(fā)泡模具中取出,需要一定的拔模斜度,在設(shè)計(jì)和制造發(fā)泡模具時(shí)應(yīng)將拔模斜度考慮在內(nèi)。選擇泡沫模樣的拔模斜度有三種方法：增大壁厚法、增減壁厚法、減小壁厚法。對(duì)拔模斜度的具體取值應(yīng)考慮如下情況。(1)泡沫模樣在模具中,因冷卻和干燥收縮,造成凹模易起,凸模難拔的現(xiàn)象,故凸模的拔模斜度應(yīng)大于凹模的拔模斜度。(2)若無輔助取模措施,拔模斜度應(yīng)取大值。采用負(fù)壓吸模或頂桿推模等取模方法,模具的拔模斜度可取小值。在模具設(shè)計(jì)時(shí),泡沫模樣的拔模斜度一般在0.5~1.5°選擇,具體視型腔的深度、模樣尺寸大小及鑄件的精度要求而定。5.⒊3發(fā)泡摸具制造1.模具材料的選擇發(fā)泡模具在制模過程中,要經(jīng)受周期性蒸汽加熱和噴水冷卻,因此要求模具材料具有良好的導(dǎo)熱性能和耐蝕性,能適應(yīng)快速加熱和冷卻,而且不易生銹。生產(chǎn)中常選用鍛造鋁合金或鑄造鋁合金來制造消失模發(fā)泡成形模具。2.模具加工如前所述,消失模模具通常采用鋁合金材質(zhì),而且為薄殼隨形結(jié)構(gòu),因此其制造方法主要為鑄造和機(jī)加工兩種方法。1）鑄造成形方法(1)傳統(tǒng)的鑄造成形工藝。其工藝流程為:首先根據(jù)模具的二維設(shè)計(jì)圖制作木模；然后造型、澆注,獲得模具毛坯再用普通的機(jī)械加工方法,制作出最終使用的模具。鑄造成形工藝存在精度差、速度慢等問題,尤其是隨形面的制作難以做到真正意義上的薄殼隨形(二維設(shè)計(jì)及木模制作所限)。(2)基于快速原型制模工藝。其工藝流程為:首先完成模具的三維設(shè)計(jì)而后借助快速成型設(shè)備在幾個(gè)或幾十小時(shí)內(nèi)快速制作出模具的原型,然后結(jié)合熔模鑄造、石膏型鑄造、轉(zhuǎn)移涂料等鑄造工藝,快速翻制出精確的模具毛坯。2)現(xiàn)代機(jī)械加工方法目前在消失模發(fā)泡模具制造中,最常見的是電火花加工和數(shù)控加工兩種方法,它們相對(duì)鑄造成形方法而言,精度更高,但成本也較高。(1)電火花加工。此方法主要是制作純銅或石墨電極,利用電化學(xué)腐蝕作用,實(shí)現(xiàn)對(duì)模具型腔加工。該工藝獲得的模具表面粗糙度值最低,但其電極的設(shè)計(jì)和加工比較麻煩,一般要通過數(shù)控加工和鉗工修整來完成,因此一般用于凹模和局部清根。(2)數(shù)控加工。數(shù)控加工是高檔模具制造過程中最常見的加工方法。由于模具是薄殼隨形結(jié)構(gòu),如果采用鍛坯材料,在加工過程中要十分注意加工順序,盡可能降低模具加工過程中的變形。3.模具型腔的排氣結(jié)構(gòu)模具型腔面加工完成后,需在整個(gè)型腔面上開設(shè)透氣孔、透氣塞、透氣槽,使發(fā)泡模具有較高的透氣性,以達(dá)到發(fā)泡工藝的如下要求。(1)注料時(shí),壓縮空氣能迅速從型腔排走。(2)成形時(shí),蒸汽穿過模具進(jìn)入泡沫珠粒間隙使其融合。(3)冷卻階段,水能直接對(duì)泡沫模樣進(jìn)行降溫。(4)負(fù)壓干燥階段,模樣中的水分可通過模具迅速排出?？梢?模具的透氣結(jié)構(gòu)對(duì)泡沫模樣的質(zhì)量至關(guān)重要,不能忽視。1)透氣孔的大小和布置透氣孔的直徑為0.4~0.5mm,過小,易折斷鉆頭;過大,影響泡沫模樣的表面美觀。有資料介紹,透氣孔的通氣面積為模具型腔表面總面積的1%~2%為宜。據(jù)此估算,在100mm×100mm的模具型腔面積上,若鉆Φ0.5mm的孔,需均勻布置200~400個(gè),即孔間距為3~6mm。透氣孔采用外大內(nèi)小的形式,其間距和結(jié)構(gòu)如圖5.14所示。2)透氣塞的形式、大小和布置尺寸透氣塞有鋁質(zhì)和銅質(zhì)兩種,有孔點(diǎn)式、縫隙式和梅花式等形式,主要規(guī)格有Φ4mm、Φ6mm、Φ8mm、Φ10mm四種。按透氣塞的通氣面積約為模具型腔的表面總面積的1%~2%估算,在100mm×100mm的模具面積上,若要安裝Φ8mm的孔點(diǎn)式透氣塞(該透氣塞上共有Φ0.5mm的通氣小孔7個(gè)),需均勻布置6~8個(gè),各種規(guī)格的透氣塞的安裝距離推薦值見表5-6。3)透氣槽對(duì)于難以鉆透氣孔或安裝透氣塞的部位,可設(shè)計(jì)透氣槽來解決模具的透氣問題。例如,電機(jī)殼模具上的散熱片處不易安透氣塞,但可在拼裝的每個(gè)模具塊之間開數(shù)條寬度為10~20mm,深度為0.3~0.5mm的透氣槽,如圖。5.4涂料消失模涂料在造型、金屬液充填與凝固過程中,始終與高溫金屬液、干砂及模樣接觸、相互作用,其性能好壞將直接影響消失模鑄件的質(zhì)量。涂料技術(shù)是消失模鑄造的關(guān)鍵技術(shù)之一。5.4.1涂料的作用與性能要求1.涂料的作用(1)防止鑄件產(chǎn)生黏砂,降低鑄件表面粗糙度。消失模鑄造中金屬液的滲入壓力要大于普通砂型鑄造,鑄件表面有較嚴(yán)重的毛刺和黏砂現(xiàn)象。模樣表面一定厚度的涂層可以起到阻止金屬液滲入的作用,從而防止鑄件產(chǎn)生毛刺和機(jī)械黏砂。(2)提高泡洙塑料模樣的剛度,防止模樣在搬運(yùn)、填砂、振動(dòng)及負(fù)壓定形時(shí)產(chǎn)生變形和破壞,保證鑄件尺寸精度。(3)有助于泡沫模樣熱解的氣體和液體產(chǎn)物順利地通過涂層并經(jīng)鑄型排到型外,防止鑄件產(chǎn)生氣孔、夾渣及炭黑等缺陷。2.涂料的性能要求(1)有較高的耐火度和化學(xué)穩(wěn)定性，在澆注時(shí)不被高溫金屬熔化或不與金屬氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成化學(xué)黏砂。(2)涂層有較好的透氣性。從防止鑄件黏砂的角度來說,泡沫模樣表面的涂層要盡可能致密,但致密的涂層不利于模樣熱解后形成的氣體排逸。因此要求涂層具有一定的透氣性,以便熱解形成的氣體及型腔內(nèi)的空氣能順暢排出。(3)涂層有較好的強(qiáng)度和剛度,保護(hù)模樣并形成一個(gè)完好而可靠性高的鑄型。(4)有良好的工藝性能,如較好的潤濕性、黏附性和涂掛性、較快的低溫干燥速度等。5.⒋2涂料的組成、制備與使用1.涂料的組成消失模涂料一般由耐火材料、黏結(jié)劑、載體(溶劑)、表面活性劑(懸浮劑、觸變劑以及其他添加劑組成。1）耐火材料耐火材料是涂料的主體,它決定涂料的耐火度、化學(xué)穩(wěn)定性和絕熱性。表5-7。鋁鑄件鑄鐵件鑄鋼件生產(chǎn)不同合金的消失模鑄件時(shí),應(yīng)選用不同的耐火材料制作涂料,這是因?yàn)椴煌辖饘?duì)涂料的耐火度、化學(xué)穩(wěn)定性和絕熱性要求不相同鋁鑄件鑄鐵件鑄鋼件配制消失模涂料除要正確選擇耐火材料種類外,還應(yīng)正確選擇耐火材料的粒度大小和分布,以及顆粒形狀,以保證涂料的透氣性。消失模涂料用耐火材料顆粒以圓形為好,粒度偏粗而集中較合適。硅藻土滑石粉石英粉鋁礬土高嶺土熟料棕剛玉粉剛玉粉鋯英粉鎂砂粉2)黏結(jié)劑黏結(jié)劑的作用是將耐火材料顆粒黏結(jié)在一起,使涂層具有一定強(qiáng)度,并使耐火材料顆粒黏附在泡沫塑料模樣上,防止涂層從泡塑料模表面脫落或開裂。涂料在使用過程中的性質(zhì)及涂層在澆注過程中的表現(xiàn)都與黏結(jié)劑的性質(zhì)有關(guān)。為保證消失模涂料既有高強(qiáng)度又有高的透氣性,要合理地選擇黏結(jié)劑。無機(jī)黏結(jié)劑：水玻璃、硅溶膠有機(jī)黏結(jié)劑：干性油、樹脂、淀粉無機(jī)黏結(jié)劑可以保證涂層常溫和高溫強(qiáng)度；有機(jī)黏結(jié)劑在常溫狀態(tài)下可以提高涂層的強(qiáng)度,在澆注時(shí)被燒失,又能有效地提高涂層的透氣性。3)載體液體載體的作用是使耐火材料顆粒懸浮起來,使涂料成為漿狀,以便涂敷。水和有機(jī)溶劑是兩種最常用的載體以水為載體的涂料稱為水基涂料。最常用的有機(jī)溶劑為醇類,以各種醇類為載體的涂料稱為醇基涂料。生產(chǎn)中使用較多的為水基涂料,國內(nèi)外消失模商品涂料多是直接配成水基膏狀涂料;或是購買時(shí)為粉狀,使用時(shí)加水配成水基涂料。每種黏結(jié)劑又可分為親水型和憎水型。親水型黏結(jié)劑可溶于水,適用于水基涂料。憎水型黏結(jié)劑一般用于醇基涂料,某些憎水型黏結(jié)劑經(jīng)處理后也可用于水基涂料。水基涂料醇基涂料載體4)懸浮劑懸浮性是指涂料抵抗固體耐火材料分層和沉淀的能力。為防止涂料中的固體耐火材料沉淀而加入的物質(zhì)稱懸浮劑。懸浮劑對(duì)調(diào)節(jié)涂料的流變性和改善涂料的工藝性能方面也有重要作用。水基涂料常用的懸浮劑有膨潤土、凹凸棒土、羧甲基纖維素(CMO)、聚丙烯酰胺、海藻酸鈉等。醇基涂料常用的懸浮劑有有機(jī)膨潤土、鋰膨潤土、凹凸棒土、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)等。5)添加劑添加劑是為了改善涂料的某些性能而添加的少量附加物,常見添加劑如下。(1)潤濕劑。為改善水基消失模涂料的涂掛性,需在涂料中加潤濕劑。(2)消泡劑。能消除涂料中氣泡的添加劑稱為消泡劑。(3)防腐劑。它是防止水基涂料產(chǎn)生發(fā)酵、腐敗、變質(zhì)的添加劑。涂料的配方對(duì)其性能影響極大,生產(chǎn)廠家可以購買已配制好的商用涂料或者自行配制。2.涂料的制備及使用1）涂料的制各涂料的制備工藝對(duì)涂料的性能也有一定影響,常見的制備工藝主要有：球磨碾壓攪拌一般而言,攪拌器的轉(zhuǎn)速越高、攪拌時(shí)間越長,涂料混合越均勻,越不易沉淀,涂掛效果越好。球磨機(jī)和碾壓機(jī)配制涂料,因耐火涂料顆粒能被破碎可選用較粗顆粒;而攪拌機(jī)配制涂料則沒有破碎作用,因而選擇較細(xì)粒度的耐火材料。球磨機(jī)和碾壓機(jī)配制水基涂料時(shí)耐火材料因破碎形成新生表面而有較大的活性,使載體在耐火材料顆粒表面均勻分布,故有較好的穩(wěn)定性、觸變性,強(qiáng)度較高。2)涂料的涂掛及烘干(1)涂料的涂掛。涂料的涂掛方式主要有刷涂法

浸涂法淋涂法噴涂法流涂法消失模鑄造涂料大都采用浸涂法或浸、淋結(jié)合的方法,刷涂用于涂料的修復(fù)性補(bǔ)刷和體積較大而無法浸涂的單件生產(chǎn)。浸涂法具有生產(chǎn)效率高、節(jié)省涂料、涂層均勻等優(yōu)點(diǎn),但由于泡沫模樣密度小(與涂料密度相差幾十倍)且本身強(qiáng)度又不高,浸涂時(shí)浮力大,容易導(dǎo)致模樣變形或折斷,因而應(yīng)采取適當(dāng)?shù)慕抗に嚒?2)涂料的烘干。涂料烘干受泡沫塑料軟化溫度的限制,所以一般采用在55℃以下的氣氛中烘干2-10h。烘干時(shí)注意空氣的流動(dòng),以降低濕度,提高烘干效率。烘干設(shè)備有鼓風(fēng)干爆箱、干燥室及連續(xù)式烘干窯等。熱源有電熱、暖氣或熱風(fēng)等。烘干過程中還必須注意模樣的合理放置或支撐,防止模樣變形,必須烘干透,烘干后的模樣要防止吸潮。5.5消失模鑄造工藝與傳統(tǒng)鑄造不同,消失模鑄造在澆注時(shí)型腔不是空腔。高溫金屬與泡沫塑料模樣發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng),泡沫塑料模樣高溫分解產(chǎn)物的存在以及反應(yīng)吸熱對(duì)液態(tài)金屬的流動(dòng)、鑄件的夾雜缺陷、化學(xué)成分變化等都產(chǎn)生影響。因此,在進(jìn)行消失模鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí),除了一般鑄造工藝應(yīng)遵循的原則外,尤其要注意泡沫塑料模樣的受熱、分解對(duì)金屬液充型及凝固的影響,注意減少或消除由此造成的消失模鑄件內(nèi)部或表面缺陷。5,5.1鑄造工藝設(shè)計(jì)1.澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)在消失模鑄造生產(chǎn)中,澆注系統(tǒng)是影響鑄件質(zhì)量的重要因素之一。如果澆注系統(tǒng)設(shè)置不合理,就會(huì)產(chǎn)生氣孔、縮孔、鑄鐵件皺皮、冷隔狀?yuàn)A渣和鑄鋼件增碳等缺陷。1)澆注系統(tǒng)的形式按金屬液引入型腔的位置不同,澆注系統(tǒng)可分為頂注式、側(cè)注式、下1/3處澆注式、階梯式、底注式和下雨淋式等多種。頂注式、階梯式和底注式是最基本的三種形式,如圖5-16所示。實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和鑄件材質(zhì)合理選擇澆注系統(tǒng)。(1)頂注式。頂注式澆注系統(tǒng)充型速度快,金屬液溫度降低少,有利于防止?jié)膊蛔愫屠涓羧毕?充型后上部溫度高于底部,適于鑄件自下而上地順序凝固和冒口補(bǔ)縮。澆注系統(tǒng)簡(jiǎn)單,工藝出品率高。但分解產(chǎn)物與金屬液流運(yùn)動(dòng)方向相反,容易產(chǎn)生夾雜。頂注式澆注系統(tǒng)適合高度不大的鑄件。(2)階梯式。階梯式澆注系統(tǒng)從鑄件側(cè)面,分兩層或多層注入金屬液,兼有底注式和頂注式的功能。若采用中空直澆道,底層內(nèi)澆道進(jìn)入金屬液多,然后上層內(nèi)澆道也很快起作用。若采用實(shí)心的直澆道模樣,則大部分金屬液從最上層內(nèi)澆道進(jìn)入,滯后一段時(shí)間后,下層內(nèi)澆道才起作用。為使金屬液均勻通過上下內(nèi)澆道,一般上層內(nèi)澆道需向上傾斜。階梯式澆注系統(tǒng)適合薄壁、質(zhì)量小、形狀復(fù)雜的鑄件。(3)底注式。底注式澆注系統(tǒng)充型平穩(wěn),不易氧化,分解產(chǎn)物與金屬液流動(dòng)方向一致,有利于排氣浮渣,但金屬液流動(dòng)前沿與分解產(chǎn)物接觸時(shí)間較長,溫度下降比較多,充填速度最慢,容易在鑄件頂部出現(xiàn)皺皮缺陷,尤其厚大件更為嚴(yán)重。在鑄件頂部設(shè)置集渣冒口收集分解產(chǎn)物,可保證鑄件無皺皮缺陷。底注式澆注系統(tǒng)適合于厚、高、大鑄件。2)澆注系統(tǒng)尺寸確定消失模鑄造工藝澆注系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是澆注快速、充型平穩(wěn),因此常采用封閉式澆注系統(tǒng)。(1)內(nèi)澆道尺寸的確定。與傳統(tǒng)砂型鑄造工藝一樣,首先確定內(nèi)澆道(最小斷面尺寸),再按比例確定直澆道和橫澆道。澆注系統(tǒng)的最小截面積由流體力學(xué)公式計(jì)算,即Osann公式(2)澆道比例。內(nèi)澆道尺寸確定后,通過澆注系統(tǒng)各組元斷面比例關(guān)系,可確定橫澆道和直澆道尺寸,各組元比例關(guān)系推薦如下。對(duì)于黑色金屬鑄件,對(duì)于有色金屬鑄件,2.直澆道與鑄件模樣間的距離直澆道與鑄件模樣間的距離S,與鑄件材質(zhì)、大小有關(guān),可按下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:3.鑄件最小壁厚當(dāng)發(fā)泡倍率為40~50倍時(shí),預(yù)發(fā)泡后的珠粒粒徑約增大3倍.為保證模樣的精度和粗糙度,泡沫模樣的最小截面上應(yīng)至少并排排列3顆以上的預(yù)發(fā)珠粒。目前國內(nèi)用于消失模鑄造的泡沫材料(EPS或共聚物)的最小原始珠粒粒徑為0.2~0.3mm,限制了泡沫模樣的最小壁厚不應(yīng)小于3mm。4.最小鑄出孔最小鑄出孔主要取決于鑄造合金和鑄件結(jié)構(gòu),也與砂型的充填緊實(shí)有關(guān)。鑄孔直徑小于2.5~3mm,通孔的孔深h與孔徑d的比值凡h/d大于3,不通孔h/d大于2.5時(shí)均不鑄出。5.5.2鑄造工藝過程1.造型1)砂箱與傳統(tǒng)砂箱不同,消失模鑄造一般采用帶抽氣室的真空砂箱。砂箱主體通常由5~8mm厚的鋼板焊接而成,用槽鋼或角鋼加固,真空氣室也可通過金屬軟管組成或用鋼板焊接結(jié)合過濾網(wǎng)組成。根據(jù)抽氣室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為砂箱形狀有方形和圓形兩種,方形砂箱居多,圓形砂箱一般設(shè)計(jì)方形底座,以方便在流水線運(yùn)轉(zhuǎn)及組箱造型、翻箱操作。砂箱尺寸一般應(yīng)根據(jù)使用條件及生產(chǎn)鑄件種類及批量綜合考慮,原則上應(yīng)保證模樣各面吃砂量不小于50~100mm。底抽式側(cè)抽式復(fù)合式2)型砂消失模鑄造用型砂應(yīng)具有良好的透氣性和流動(dòng)性,經(jīng)多次使用后仍能保持原來的性能。目前生產(chǎn)中應(yīng)用以普通硅砂為主,型砂粒度40/70篩號(hào)。寶珠砂是市場(chǎng)上新近推出的一種型砂品種,由鋁礬土熟料二次熔化加工而成,呈球形,具有良好的透氣性、流動(dòng)性、回用性和耐高溫性等優(yōu)點(diǎn),已在模鑄造行業(yè)中推廣應(yīng)用。3)填砂填砂過程包括底部砂床準(zhǔn)備、放置模樣簇、填砂振動(dòng)等步驟。底部砂床厚度一般約100mm。由砂斗向砂箱內(nèi)填充型砂,有兩種應(yīng)用比較普遍的方法。(1)柔性管加砂。用柔性管與砂斗相接,人工移動(dòng)柔性管陸續(xù)向砂箱內(nèi)各部位加砂,可以人為地控制砂子落高,避免損壞模樣涂層。最后要保持砂箱頂部模樣吃砂量的厚度大于100mm,此種加砂方法比較靈活。對(duì)于特別難以填砂的部位,可用人工輔助充填,效果也很好。(2)雨淋式加砂。在砂斗底部裝有加料箱,抽去閘板,砂子通過加料箱底部均勻分布的小孔流人砂箱中,加料箱的尺寸基本等于砂箱的尺寸。這種雨淋式加砂比較均勻,對(duì)模樣的沖擊力很小,并可定量加砂和密封除塵,加砂效果及加