消失模浇注系统设计原则及个案百例.docx

1、消失模铸造的浇注系统是有思维的人对没有思维的液态金属的束缚。希望液态金属能按照自己的意志，实现对泡沫模型的置换，获取优质的铸件。然而，没有思维的液态金属如同狂飙野马一样，绝不会理睬人的尊严，屈尊接受人的意志和羁绊，它只服从自己，遵循自己的规律，所以，常常使从事铸造的人士，特别是想做液态金属主人的人难堪和尴尬。看似温柔可爱的泡沫模型，也不愿轻易地从美好的人世间消失，让位给放荡不羁的液态金属，稍有不顺就会“火冒三丈”。消失过程中给你留下麻烦，哪怕是小如蝇屎的黑点，也会使从事消失模铸造的有识之士大伤脑筋。从事消失模铸造的人士为了维护自己的尊严和颜面，只有一条路可以选择：放弃主观意志，探索和服从液态金属！做泡沫模型、做液态金属、做砂粒的奴隶。这就要求我们认真的研究泡沫模型的气化特性对液态金属充型的影响；液态金属充型对泡沫模型气化消失的影响这一对捆绑在一起，需要颠倒过来，再颠倒过去，从不同角度反复琢磨的两个特定工艺条件。消失模铸造是一门新兴的、独立的学科，消失模铸造的浇注系统设计，必须摆脱传统砂型铸造的思维方式的影响，认识消失模铸造特定工艺条件的客观规律，形成一个新的理念，即：消失模铸造理念。而不要去借助和借用其他铸造工艺的理念。借来的衣服和鞋子，总是不合适。因为，在过去几十年的苦苦求索中，用传统的铸造理念来指导消失模铸造工艺，屡屡碰壁，常常行不通，吃尽苦头。痛定思痛，我们才意识到消失模铸造与传统铸造之所以不同，是因为它比传统铸造出现了：泡沫模型、干砂、负压三个工艺条件。研究的对象和范畴也随之发生了变化。消失模铸造的浇注系统设计，必须在消失模铸造理念的指导下，理性的、有依据的，而不是盲目的、经验主义的，或是想当然的去设计。这就是本书重点探讨的课题：总结多年的实践经验，建立一个崭新的消失模铸造基础理论，在这种理论的指导下，阐述消失模铸造浇注系统的设计原则，并通过再实践，验证和不断完善这一理论。是作者呕心沥血为之奋斗毕生的心愿。理论来源于实践，现场经验告诉我们，那些不成功的案例总是在内浇口处发生缩孔、缩松等成型缺陷；在远离内浇口的位置发生诸如皱皮、炭黑等泡沫气化不完全的缺陷。这一规律非常明显!内浇口切入的位置是高温区域，远离内浇口的位置温度相对的就低，即所谓的低温区域。因此说，上述缺陷的发生与温度场有直接关系。在相对高温的情况下模型的泡沫气化速度就快，气化的就彻底，不留痕迹；在相对低的温度情况下模型的泡沫气化的速度就慢，就不彻底，会留有痕迹。浇注系统是液态金属由浇包注入型腔通道的总称，我们称之为流场。消失模铸造的浇注系统从结构上与传统的砂型铸造相同，典型的浇注系统由：浇口杯（外浇道）、直浇道、缓冲包、横浇道和内浇道（内浇口）等部分组成。不同的是消失模的浇注系统不仅仅是分配液态金属，更重要的是要合理的分配液态金属携带的热量。我们称之为：通过流场的调节使热场合理分布。在进行消失模铸造的浇注系统设计的时候还要考虑到消失模铸造的液态金属在型腔内与型腔壁浸润方式与传统铸造截然不同，传统铸造是“液气浸润”，消失模铸造是“液固浸润”。充型过程中传统铸造靠静压力，液面呈凸字型，夹杂物可以上浮从冒口排出；消失模铸造金属液面受负压牵拉，液面呈下凹型，金属液中的夹杂物会被牢牢地吸附在涂层（型腔壁）上，这种现象称作附壁效应。不管何种形式的负压砂箱负压都会产生一定的方向性，就是说在砂箱的不同区域其真空的绝对值是不一样的，砂箱里负压的方向性我们称之为“负压场”，利用好负压场的特性可以避免发生塌箱、进砂，还可以把一定要发生的缺陷引导到铸件的次要位置，降低废品率，提高合格率和经济效益。负压场有缺陷导向作用。综上所述，作者认为消失模铸造的浇注系统设计原则是：通过流场的调节使热场合理分布，最大程度的简化流场，从而最大程度的减少有限热量的丢失；并充分利用负压场的缺陷导向作用，获得高成品率和高收得率。浇注系统切忌人为复杂化，越简单越高明，减单要合理可靠。消失模铸造不取模和使用干砂充型的优势，使其可以不受分型面、下芯、合箱等操作程序的约束，只要对最大数量的组合模型束和填砂操作有利；对提高金属利用率，降低成本有利；对热场的合理分布和泡沫模型的充分气化有利；就可以根据工艺的要求，在三维空间中任意安置浇注系统，因此，与传统的砂型铸造相比，消失模铸造给予了从事铸造专业的有识之士以充分的想象空间和用武之地。可以极致发挥聪明才智，设计出很多生动的、感人的、个性化的、妙趣横生的消失模铸造的浇注系统。如:金龙攀玉柱浇注系统、双鱼刺浇注系统、塔梯浇注系统、阶梯梅花浇注系统、花瓶式直浇道、超大斗齿群铸等，都是作者的得意之作,将在典型案例中一一介绍。2、泡沫模型在负压砂箱中摆放姿势的原则消失模铸造浇注系统设计时，首先要确定泡沫模型在砂箱中的摆放姿势。消失模铸造的泡沫模型在负压砂箱中的摆放虽然有任意性，随意性，但是，不是胡乱来，也要遵循一定的原则，总体说来这个原则要从三个方面考虑。1）尽量缩小泡沫模型的投影面积，即“能立勿卧，头在下面”的原则；2）尽量保证填砂无死角，即“方便操作”的原则；3）尽量考虑负压的方向性，即“缺陷导向”的原则；2.1 能立勿卧，头在下面，卧要吊顶，还要压箱2.1.1 能立勿卧泡沫模型在负压箱中立式摆放的目的是要缩小泡沫模型的垂直投影面积，投影面积小，液态金属注入型腔后热量集中，热量散失的速度慢，液态金属的流动性好，表面张力就低，就不形成硬壳，液态金属中的植入性气体就容易排出，而不是被压在皮下，形成皮下气孔。反之，如果泡沫模型的投影面积大，液态金属注入型腔后迅速摊开，大面积的接触泡沫模型,就会急剧散热、降低温度；液态金属温度降低的结果就是流动性降低，表面张力增加，形成痂皮，阻碍液态金属内夹杂的植入性气体浮出液面。其结果可想而知。2.1.2 头在下面所谓的"头”是指铸件的厚大部分。“头”在下面是说在立式摆放的时候厚大部分要放在下方。我们都知道铸件的凝固有两种方式：同步凝固和顺序凝固。立式摆放：厚大部分放在下方的时候，它先充盈液态金属，在模型还没有完全充满液态金属时，就已经开始散热，进入降温凝固程序。如果这个铸件是铸铁体，适合同步凝固的话，厚大部分先充型，先散热，有益于实现与薄壁部分的同步凝固，把厚大部分摆放在下方是符合工艺要求的。如果这个铸件是铸钢件，适合于顺序凝固的话，厚大的热节部分先充型，先散热，凝固的过程中上方的部分依靠重力对下方补缩，因为避免了热节的重叠，不仅补缩效果好，钢水的利用率也会明显提高。相反，如果把厚大的部分放在上方，对于铸铁件来讲，会把同步凝固方式变成了顺序凝固的方式，厚大部分变成了冒口，下方薄壁部分先凝固时，索要厚大部分的铁水，使厚大部出现缩孔，缩松；对于铸钢件来说，厚大部分在上方，冒口必然设置在厚大部分位置上，会造成几何热节和吸热热节重叠，则越补越缩。所以，头在下面，无论对于同步凝固的铸件或是顺序凝固的工艺，都是有益无害的，可以作为一个原则确定下来。2.1.3 卧要吊顶在做大平面的铸件时，能立一定要立，不能直立可以侧立，都比平卧摆放的弊端少。如果因为结构，填砂和变形等原因，不能立式摆放，一定要水平摆放时，就需采取一些工艺措施，确保浇注顺利进行。大平面水平摆放模型时，浇注初始阶段，注入的铁水迅速在底部摊开，受高温铁水的作用，泡沫模迅速收缩，使底部形成较大水平方向的空腔，由于涂层的大面积暴露，会使型腔内负压迅速降低，此时刻，涂料的通透性能越好，负压降低的越快，最终导致型腔溃散塌箱,浇注失败。所以，在大平面水平摆放模型时，涂料的通透性要做调整，使其通透性能降低一些，提高其屏蔽性能，保持负压的稳定才能保证干砂块的强度。在负压的作用下，干砂块的强度（硬度）可以很高，可以坚硬如石，但是剪切力明显不足，特别是加强筋较多的结构，悬垂的砂块极易坠落，也会发生塌箱事故。为了克服悬垂干砂块剪切力不足,防止发生砂块坠落因而导致塌箱,就应该像传统铸造一样,对悬垂的砂块采用吊顶的工艺措施，即在填砂埋型的过程中，加一些悬吊物，如：铁线，钢筋，角钢一类做芯骨，加强干砂块的剪切力，这样可以防止发生塌箱。2.1.4 还要压箱前面讲到了如不吊顶会发生浇注初始阶段的砂块坠落，导致塌箱，所以要吊顶。压箱不是会增加砂块坠落的概率吗？压箱是防止涨箱的，涨箱与塌箱不同，塌箱会发生在浇注的初始阶段和浇注过程中，涨箱则发生在型腔将要充满或已经充满的中后期阶段。泡沫模型在砂箱中的摆放姿势，根据能立勿卧的原则，缩小投影面积，除了可以热量集中之外，就是要减小液态金属对投影截面积的上举（浮）力。我们知道，消失模铸造在一般铸件时，是不压箱的，那为什么不发生涨箱呢？消失模铸造与传统铸造一样，铁水的浮力也是客观存在的，不发生涨箱，就说明有一种力量克服了铁水的浮力，这个力就是模型投影面积的周边线长度和砂层厚度（吃砂量）摩擦力系数的乘积。我们可以暂时称作干砂砂块的摩擦阻力。模型在大面积水平摆放的时候，铁水的浮力非常大，砂块的摩擦阻力无法抗拒，所以会发生抬箱，应该采取的工艺措施就是压箱或砂箱加盖。消失模的砂箱与传统铸造的砂箱不同，没有筋骨，压箱铁不能直接压在干砂上，要用横梁担在负压砂箱侧壁上，其上放压箱物，达到既不能压塌又不能抬起的作用。2.2 消失模泡沫型摆放的操作涉及二个环节：箱外操作和箱内操作。2.2.1 方便箱外操作箱外操作包括两个步骤：1）粘结浇道；2）组成模型簇。浇道的连接通常由单体泡沫型粘接内浇道开始，涂刷涂料后再进行模型簇的组合，粘结横浇道，直浇道，浇口杯，用木条固定模型簇或用吊兰固定。入箱之前把各处接口的涂料都补刷严实，避免发生进砂缺陷，条件允许时，也有先将泡沫模型的浇注系统都组合好，再整体浸涂或淋涂涂料。不管是先刷涂料后组合，还是先组合再刷涂料，都要在箱外完成的，这就是“十五字”工艺方针的“箱外组合”。箱外组合的目的是防止发生进砂缺陷，同时为箱内快速填砂埋型做准备。从工艺指导原则上要杜绝箱内组合。泡沫模型的摆放姿势，就要考虑到方便以上过程的操作，尽可能适当多的组合泡沫模型，从而提高生产效率，提高液态金属利用率，提高成品率。2.2.2 方便箱内操作箱内操作简单的说就是填砂。填实和震实。有些泡沫模型型腔还是比较复杂的，含有一些上凸的部分，在确定泡沫模型在砂箱中摆放姿势时，如果考虑的很细致，很合理，加砂就很容易，就可以不用手去填塞或埋箱前用树脂砂填充，不仅减少了操作过程中的累赘，提高生产效率，也增加了工艺的可靠性。泡沫模型在砂箱中的摆放姿势，看似一个简单地问题，其实可以充分展示技术人员的功底。一些复杂的或者是设计很别扭的铸件，姿势的摆放常常可以让你感觉到走投无路，此时,一个小角度的调整.又会令你柳暗花明。为了方便箱内操作，笔者在吃尽苦头的基础上，设计了可倾斜式三维震实台，砂箱的倾斜角度在30。之内，可以调整，倾斜方向可以是一侧倾斜，二侧倾斜，也可以三侧、四侧任意倾斜，自95年起先后获得三个国家专利，专利号分别为ZL9509976.4.ZL201220063980.6sZL201220063977.4o可倾斜式三维震实台从根本上解决了埋型填砂的死角问题。所以，如果配置的是可以倾斜式震实台，则可以不考虑方便箱内填砂操作的问题。2.3 负压砂箱的负压场消失模铸造与传统铸造不同，浇注过程中需要抽真空，使干砂间隙呈负压状态。负压状态在浇注过程中起到两个作用，一是使干砂固定，形成钢性型腔，二是透过涂料层将泡沫模型气化和燃烧产物牵拉出型腔。由于有负压的牵拉力存在，液态金属不可能平稳充型，轻质的夹杂物会被牢牢的吸附在型腔壁上。消失模铸造负压砂箱的吸气室，有只设置在砂箱底部的，有设置在两侧箱壁的，有设置在四侧箱壁的，也有五个面都设置吸气室的。不论哪一种负压砂箱，通常是由一个管口与真空泵管道相连。静止的状态下，负压砂箱内的真空度是一致的，但在浇注过程中真空度的一致性则失去了平衡。涂层暴露的区域即气隙间隙成了型腔与真空管路接口连通的窗口。型腔内泡沫燃烧和气化产生的气体，携带可以通过涂料层孔隙的固体（游离碳）物质会以最近最短的线路，直奔真空管路接口。如果中间没有阻挡，这个线路会是一条直线。如果出现阻拦，只会以最小的折弯绕过，而绝不会反向绕大弯进入远离真空管路接口的气室。所以，消失模铸造负压砂箱的好与不好，不能以设计气量的多少评定，而要以气量配置的位置是否合理，真空接口数量和位置是否合理而定。液态金属注入泡沫型腔后，泡沫模型产生的气化物质，透过气隙间隙，被真空牵拉进入真空接口以维持砂箱内负压的稳定，这个过程就是负压场，负压场是有方向的。负压场对液态金属的牵拉，可以促成液态金属内的夹杂物吸附在型腔壁上，所以，负压场有缺陷导向作用。许多有经验的厂家和技术人员，在作复杂消失模铸件时都设置临时负压管，目的就是调整负压场，既可以防止塌箱，又可以引导缺陷。泡沫模型在砂箱中摆放时，厚大的部分要朝向真空接口，内浇口要远离真空接口或远离内浇口的位置要朝向真空接口。这样形成的负压场是顺向的。为了便于这种负压场的调整，双侧气室的真空砂箱要比四气室的砂箱好用，四气室的真空砂箱要把真空管接口设置在砂箱角处。泡沫模型在砂箱中的摆放姿势很重要，摆的巧、摆的妙会一顺百顺。