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扁平内孔的消失模铸造工艺解决方案摘要 消失模铸造由于具有精确成型、近无余量的特点，符合铸件轻量化、精确化的发展趋势，且其然而由于生产界对其认识还不够深刻，管理还不到位，给新技术的应用带来了麻烦，有些铸造缺陷层出不穷，防不胜防。 对于一些含有扁平内孔的铸件，由于内孔处于白模的内表面，使得此处砂型的紧实性等往往不如白模的外表面砂子，最终成形铸件的质量不够理想。本次研究的重点就在于采取措施使得消失模铸件不仅外表面尺寸精度高，其内孔尺寸精度同样也要达到一定水平。首先，消失模铸件的质量和模具的表面处理有很大的关系。如，消失模表面涂料的选用合适与否与最终制成的成品件的质量有重大的关系。 其次，消失模铸造砂型的选择、砂子的紧实度和铸件内孔的砂处理等都与最终成品的质量有很大的关系。 关键词：消失模 扁平内孔 涂料 AbstractBecause Lost Foam Casting（LFC） has the characteristics of precision forming, nearly no unwanted, conforms to the development trend of the lightweight, accurate casting, and it has unlimited material, low cost, good quality, smooth surface, casting characteristics of compact structure, can realize large-scale mass production, so it has been widely used. However, due to the understanding of manufacturing industry for it is not enough, management does not reach the designated position, also brought trouble to the application of new technologies, and some casting defects emerge in endlessly, small-scale operations.For some casting containing plat inner hole , because the inner hole is in the inner surface of die ，its makes here such as sand compactability often not better than the outside surface of the sand, eventually forming the quality of the casting is not ideal.Focus of this study is to take measures to make mold casting surface size not only high precision, which hole size accuracy as well as to achieve a certain level. First of all, the quality of die casting and mould surface treatment has a lot to do. , such as, the selection of mold surface coating is proper and eventually made the quality of the finished products have a significant relationship. Secondly, the choice of the lost foam casting sand mold, the compactness of the sand and casting sand of inner hole processing and final quality of the finished product has a lot to do.Keywords：LFC The flat inner hole surface coating目录摘 要1Abstract2第一章 绪论51.1课题研究的来源及研究方向51.1.1课题来源及意义51.1.2本研究的主要方向51.2消失模铸造技术介绍551.2.261.2.371.2.4消失模铸造与传统铸造流程71.2.581.2.681.2.791.2.8101.2.910第二章 消失模铸造缺陷分112.1金属型铸件常见的缺陷以及防止方法112.2消失模铸造缺陷及其解决方法122.2.1 消失模铸造的在实际生产中出现的问题122.2.2常见消失模铸造缺陷及预防措施132.2.3粘砂缺陷及其防止措施14第三章 影响消失模内孔铸造质量的因素173.1 消失模铸造表面质量的影响因素173.1.1金属与铸型间的润湿性对铸件表面质量的影响173.1.2型壳表面质量对铸件表面质量的影响183.1.3泡沫模表面质量对铸件表面质量的影响 183.2消失模铸造内孔的影响因素203.2.1 振动造型的影响203.2.2 消失模铸造砂型的砂处理203.2.3涂料性能对铸件质量的影响213.2.4实习及总结22第四章 毕业设计总结18致 谢19参考文献20第一章 绪 论1.1课题研究的来源及研究方向1.1.1 课题来源及意义 消失模具有其他铸造方法所不及的很多优点。如铸件尺寸形状精确，重复性好，表面光洁度高，具有精密铸造的特点，大大简化了造型工艺，消除了因取模、合箱引起的铸造缺陷和废品； 但同时它也有着并非完善的方面。由于一些比较复杂的内孔位于铸件内部，形成如盲孔等，若不经过更为严格的工艺流程，难以铸造出尺寸精确的内孔，使铸件成品质量降低。因此，克服消失模铸造在这方面的缺陷，使其铸造成品质量进一步提高，具有非常重要的意义。1.1.2 本研究的主要方向 本课题的主要任务就是根据消失模铸造工艺的特点，探索消失模铸造过程中复杂内孔问题的解决方法。 消失模铸造极具特殊性，干砂造型无任何粘结剂，造型及浇铸都无需取出模具，极大地改善了铸件设计的自由度，提高了铸件的表面光洁度及尺寸精度，从而有利于制造形状复杂的铸件。同时，在消失模铸造过程中，由于一些比较复杂的内孔位于白模内部，若不经过更为严格的工艺流程，难以铸造出尺寸精确的内孔，使铸件成品质量降低。因此本人在毕业设计阶段主要开展了以下两方面的工作。一是将探讨不同涂料给消失模铸造过程带来的不同效果，根据创作的思路，我们选用不同的涂料分别做实验，分析得出结果。二是在消失模铸造过程中，对于复杂内孔铸件，沙子的紧实程度对最终铸件内孔形成质量的影响。1.2消失模铸造技术介绍消失模铸造与传统铸造流程第二章 消失模铸造缺陷分析2.1 金属型铸件常见的缺陷以及防止方法 1针孔 预防产生针孔的措施： 严禁使用被污染的铸造铝合金材料、沾有有机化合物及被严重氧化腐蚀的材料。 控制熔炼工艺，加强除气精炼。 控制金属型涂料厚度，过厚易产生针孔。 模具温度不宜太高，对铸件厚壁部位采用激冷措施，如镶铜块或浇水等。 采用砂型时严格控制水分，尽量用干芯。 2气孔 预防气孔产生的措施： 修改不合理的浇冒口系统，使液流平稳，避免气体卷入。 模具与型芯应预先预热，后上涂料，结束后必须要烘透方可使用。 设计模具与型芯应考虑足够的排气措施。3氧化夹渣 预防氧化夹渣的措施： 严格控制熔炼工艺，快速熔炼，减少氧化，除渣彻底。Al-Mg合金必须在覆盖剂下熔炼。 熔炉、工具要清洁，不得有氧化物，并应预热，涂料涂后应烘干使用。 设计的浇注系统必须有稳流、缓冲、撇渣能力。 采用倾斜浇注系统，使液流稳定，不产生二次氧化。 选用的涂料粘附力要强，浇注过程中不产生剥落而进入铸件中形成夹渣。 4热裂 预防产生热裂的措施： 实际浇注系统时应避免局部过热，减少内应力。 模具及型芯斜度必须保证在2以上，浇冒口一经凝固即可抽芯开模，必要时可用砂芯代替金属型芯。 控制涂料厚度，使铸件各部分冷却速度一致。 根据铸件厚薄情况选择适当的模温。 细化合金组织，提高热裂能力。 改进铸件结构，消除尖角及壁厚突变，减少热裂倾向。 5疏松 预防产生疏松的措施： 合理冒口设置，保证其凝固，且有补缩能力。 适当调低金属型模具工作温度。 控制涂层厚度，厚壁处减薄。 调整金属型各部位冷却速度，使铸件厚壁处有较大的激冷能力。 适当降低金属浇注温度。2.2消失模铸造缺陷及其解决方法2.2.1消失模铸造的在实际生产中出现的问题消失模铸造，因它具有环保绿色以及其有强大的生命力的特点，尤其自进入21世纪后，其发展便有破竹之势，谁也无法统计出究竟国内到底有多少家铸造企业在采用消失模铸造技术生产，首先山东省多于两百家，江苏的一个县级市有多余30家简易消失模企业，而东北三省、湖南、河南、湖北、河北等铸造大省拥有很多砂铸企业和精铸企业，有了消失模铸造，更有一些新的企业。上述很多的企业没有通过科研化、规范化、专业化的消失模铸造设备公司的指导，也未和专业性学会、协会有任何的联系，简单上马，埋头苦干，使消失模铸造众多的优势技术得不到好的发挥，如有的消失模铸造企业很多年都搞不定一个粘砂问题，清理人员就占生产人员的1/3以上，从而其产品粗糙，效率低下，浪费了人财物力。 消失模铸造现实生产中存在的三孔缺陷是：气孔、缩孔、渣孔的统称。非加工类铸件，如高锰钢、耐热钢铸件，大都是铸态使用，对三孔的要求很少，只要材质合格、尺寸合格、表面光洁好，就可以交付使用，一般用户也没有特殊的要求。然而碳素钢、不锈钢、铸铁铸铜件大都需要机械加工，有些特殊铸件还要进行解剖，及压力极限爆破等破坏性试验，重点部位不允许焊补及组织偏析。很多消失模铸造企业，在生产全加工铸件及有以上特殊要求的铸件时纷纷受阻，既使最终得以解决，也要付出很大的代价，一定程度上影响了消失模铸造的应用范围。 消失模铸造极具特殊性，干砂造型无任何粘结剂，造型及浇铸都无需取出模具，极大地改善了铸件设计的自由度，提高了铸件的表面光洁度及尺寸精度。利用负压紧实形成的一箱多铸工艺，有利于提高工艺出品率，提高生产效率，这些都是对传统铸造颠覆性的革命，很多深层次的规律要靠产学研各界通力合作多年才能逐步得以认清，各类铸造缺陷与传统铸造在形成机理方面大有不同。消失模的充型过程中，强大的热辐射作用，使金属前沿与泡沫间形成不规则的间隙层。以底浇为例，金属充型前沿呈“凹”字型，对应的泡沫端呈锯齿型或指尖型。合金前沿漂浮着未能彻底清除的固体渣质及未充分气化的液相泡沫，由于间隙内是正压，涂层外呈负压，气压差迫使固态渣质及液相泡沫随气体的走向流动，气体以小分子状态存在容易被负压排出型外，而固体杂质被挡在了涂层内壁，亦即铸件的表面形成表面渣坑，这是消失模铸造较传统铸造内部渣孔减少而外面渣孔突出的主要原因；液体泡沫同样也被排挤在金属和涂层界面，部分被涂层吸附，部分二次气化。二次气化的气体大部分溢出型外，少量侵入金属形成表层气孔。铸件的冒口一般设计在顶端，而且是暗冒口，无法通过补浇的方式得到高温金属，聚集的金属全是被汽化吸热降温后的金属，补缩效果不佳，缩孔机率增大。2.2.2常见消失模铸造缺陷及预防措施一、粘砂缺陷的结构，在消失模铸造表面的型砂，和全部或部分地覆盖有一层金属(或金属氧化物)和砂的混合物(或涂布)(化学)组合物或层燃烧，导致在消失模铸造表面粗糙。预防措施：减少砂差距。适当降低的金属的浇注温度。提高型砂，芯砂耐火度。二、粗糙的缺陷结节或薄片的消失模铸造表面上的金属层，与型砂的层片和消失模铸造金属之间肿瘤夹持。预防措施：严格控制型砂，芯砂的性能。提高浇注系统，从而使液体金属平稳流动。大型平面倾斜浇注的消失模铸造。三、冷隔缺陷消失模铸造一个不完全融合的缝隙或凹坑，交界处的边缘圆润。注意事项：浇注温度和浇注速度。改进浇注系统。四、浇不足的缺陷由于熔融金属产生的消失模铸造还没有完全填充空腔缺肉。注意事项：浇注温度和浇注速度。不要干燥和防止运行火灾。2.2.3粘砂缺陷及其防止措施 粘砂是消失模铸造和砂型铸造常见缺陷之一。铸件部分或整个表面上夹持着有很难清理的型砂。在无负压情况下浇注，粘砂常出现在铸件底部底部或侧面，及铸件热节区和型砂不易紧实的部位；在负压情况下浇注，各面都可能有粘砂，特别是铸件转角处，组串铸件浇注时的过热处。金属液渗入型砂中形成与型砂的机械混合物。 产生原因：1.消失模铸造产生粘砂基本上属机械粘砂，夹持型砂砂粒的金属，涂层脱落或开裂，金属液通过涂层破裂，剥落处渗入型砂的干砂空隙中，将干砂夹持凝固在铸件表面上。涂层较薄时金属液渗透过涂层而与砂型干砂粘接而凝固在表面。涂料的选用和浇注金属液匹配不当，砂型中干砂又含有细小砂粒灰尘时，此时浇注铸件的过热处也会形成化学粘砂，更难清理。造成涂料层脱落和开裂可能是涂料质量不好，与模样粘接不牢，在操作过程中涂料层已脱落；涂料的收缩率过大，涂料在干燥时开裂，或涂层抗急冷热性能差，浇注时涂层受热而开裂；或造型时紧实力过大或振动时间过长使涂料产生裂纹；或造型时的局部砂型或干砂没有得到紧实，浇注时金属液体压力下和模样分解产物压力下局部涂层向外鼓胀及开裂，形成裂缝儿粘砂，其裂缝最容易产生在铸件拐角处，尤其是直角倾角的拐角处。金属液渗入的程度与金属液浇注温度、浇注速度压力头大小，型砂或干砂的间隙大小，金属液渗透入的深度越深，粘砂也就越严重。 2.浇注时负压度大小对金属液流动能力的影响超过金属液温度等因素的影响。负压度越大，金属液流动性越好，粘砂也越严重。此时易出现金属液穿透过涂层渗入型砂而粘砂。防止粘砂的措施： 1.选用涂料应具有良好性能，能牢固粘接在模样上，涂层致密并有足够的强度、耐火度，在操作过程中不发生脱落剥离现象；造型振实时不开裂，不起皱，涂料线收缩应小，且具有良好的抗急冷急热性。 2.造型紧实力不可过大，以免破坏涂层。在干砂振动造型时，合理选用振动参数。应防止振动过大，振动时间过长，使涂料层开裂、剥落；同时应防止局部砂型未振实。 3.选用合适的负压度，浇注时负压度过高易引起严重粘砂，各种不同合金铸件配合合适负压度铸钢 4.为减少砂型或干砂的空隙应选用较细的原砂。一般铸铁件和铸钢件用28/55目砂，铸铝件用50/100目砂。 5.浇注温度不应过高，一般模样铸造浇注温度比同样条件下砂型铸造温度高30-50。第三章 影响消失模内孔铸造质量的因素3.1消失模铸造表面质量的影响因素真空低压消失模壳型铸件的表面质量与金属与铸型间的润湿性、型壳表面质量以及泡沫模表面质量等诸多因素有关，如其中任何一因素控制不当，就会对最终获得铸件的质量造成很大影响。因此，下面将从金属和铸型间的润湿性、型壳表面质量以及泡沫模表面质量等方面对铸件其表面质量的影响分别进行讨论，旨在提出一个改善真空低压消失模壳型铸件表面质量的措施，从而获得高质量铸件。3.1.1金属与铸型间的润湿性对铸件表面质量的影响液态金属充填铸型的一个过程，实际上就是液态金属挤走型内的气体，并占据原有空间的过程，在这个过程中始终存在着一个液、固、气三相界面的相互作用。由于空气动力粘度很小，而液态金属动力粘度很大，加上液态金属的密度又很大，从而迫使该层气膜变得很薄。当型壁的透气性不太好时，因气体与型壁润湿，而液体则与型壁不润湿，被气体所隔开的两个界面上的物理和化学吸附以及型壁表面并非均匀因素的影响，因而残留气体薄膜的尺寸、位置和形状都是随机分布在型壁上的，从而造成铸型铸出的铸件表面存在着一个随机分布的凹坑，使铸件的表面粗糙度要大于型壁的表面粗糙度。因此，气膜的存在对铸件表面粗糙度会造成一定的影响，应该设法消除或削弱气膜。真空下的浇注，可以消除气膜，进而提高铸件表面质量；压力下浇注成形，也可以减薄气膜，提高铸件表面质量。此外，改善型壳透气性，有益于气膜溢出，降低铸件表面粗糙度。在真空低压消失模壳型铸造的过程中，金属液体是在真空和压力下进行冲型和凝固的，且型壳设有排气孔，因此可大大减小气膜对铸件表面质量影响，获得更高质量铸件。3.1.2型壳表面质量对铸件表面质量的影响表面光洁的型壳是制备高质量铸件的一个保证。影响型壳表面质量的因素主要包括涂料性能和泡沫模表面质量等方面。泡沫模表面质量已有过阐述，我们再说说涂料性能对铸件表面质量的影响以及相应改善措施。涂料主要是由粘接剂加耐火材料组成。融模铸造中，型壳制备常采用粘接剂主要是：硅溶胶、水玻璃与硅酸乙酯。其中水玻璃型壳表面粗糙度较高、表面质量较差、尺寸精度低、抗变形能力差、型壳高温强度低，所以会很少采用。而由于硅酸乙酯易于挥发，不利于环保，并且高温强度较硅溶胶的低，价格也不菲。而硅溶胶型壳其热震稳定性高、高温强度好、型壳表面质量较高且高温抗变形能力强，型壳不需要化学硬化，使用方便，环境卫生，价格相对较低，因此是目前融模铸造中比较适合采用的粘接剂。而耐火材料作为制备涂料的一种填料，其粉料目数对型壳及铸件表面的粗糙度有很大的一个影响。增大耐火粉料目数，可以大大的降低型壳和铸件表面粗糙度。 此外，涂料应具有较高粉液比，使型壳更加致密，干燥以后表面产生更少裂纹，涂料粘度也不能太高，以使涂层均匀的被附在泡沫模上；涂料内小气泡应尽量减少，使涂料具有良好流动性，避免微气孔复制型壳上。以上都有利于改善型壳表面质量。3.1.3泡沫模表面质量对铸件表面质量的影响泡沫模是采用发泡成型工艺制备的。泡沫模的表面质量与发泡模具、发泡成型工艺及泡沫材料都有很大的联系。一般说来，发泡模具表面质量越高，获得的泡沫模表面质量也就越高；泡沫模密度越高，泡沫模的表面质量业就越高。表面质量较高的泡沫模获得的型壳及最终铸件表面质量也较高。泡沫模的发泡成型是由聚苯乙烯珠粒融合在一起而形成的。然而，最终获得的泡沫模的珠粒间总存在着一些沟槽（见图一），型壳将复制这些沟槽而形成网状形貌(见图二)；此外涂挂涂料时，由于涂料和泡沫模具有很好的润湿性，涂料将会渗入到珠粒间沟槽，从而形成毛刺形貌（见图二），这些都将显著地影响铸件的表面质量。因此需要采取措施来避免沟槽不利影响，可采用在泡沫模表面涂光洁剂来消除珠粒间沟槽，且表面光洁剂应该能很好地润湿泡沫模，在泡沫模的表面形成一定厚度薄层填平珠粒间沟槽，且对铸件精度影响很小。实验用乙醇65%、硝化棉20%、乙二醇乙醚12%、蓖麻油3%等配方来配制表面光洁剂，如下图所示，在泡沫模表面形成了一层均匀的薄层（厚度小于0.1mm）,该光洁层覆盖了泡沫模表面沟槽，光洁层表面粗糙度为Ra0.87m。该光洁剂具有良好的流动性以及快干性，不与泡沫模反应和腐蚀，型壳燃烧后也无残留灰分。实验的结果是：涂挂表面光洁剂后，泡沫模、铸件的表面质量及型壳粗糙度大大的降低，其中铸件表面粗糙度较涂挂前降低61%。实验由此表明：光洁剂对于铸件表面质量的改善具有很显著效果。3.2消失模铸造内孔的影响因素3.2.1振动造型的影响 要使干砂充满模样各个部分，并紧实达到一定紧实度，防止干砂局部紧实不好，浇注时造成铸件尺寸不符，变形、鼓胀、多肉，振动造型过程中由许多环节决定，三维造型机振实的作用；干砂加入速度和加入位置、方法必须与其紧实过程操作相匹配。应边加入充型干砂边紧实，以便干砂能很好地充入模样内部，和模样周边紧实后保证各部分均匀，不产生模样变形走样；干砂的问题也影响着模样尺寸，如果使用干砂生产线上经砂处理冷却后的干砂砂温5070，则会引起模样软化变形。3.2.2消失模铸造砂型的砂处理 根据不同铸件特性，注意落砂铸件的冷却速度对其质量的影响，控制落砂温度、落砂后保温要求（速冷、缓冷）而采取不同措施。 型砂必须经过适当的处理，否则型砂中因含有大量的灰尘、杂质，没有经过处理的型砂在造型的过程会影响吸气的真空度，也易产生粘砂、夹杂、夹渣等，而经过处理的型砂才能满足消失模铸造的要求。总之，消失模铸造生产出铸件因受干砂冷却速度的影响，使力学性能改变，因此必须要求调整化学成分，采取细化、变质、孕育或微合金化的处理来达到铸件力学性能的使用要求。消失模生产是系统工作，每一环节都务必把关，小试成功后，对具体铸件务必严格地执行工艺规程，各工序必须专人管控，从而保证生产的基本技术要求，获得优质的铸件，体现消失模生产的特性和优点。3.2.3涂料性能对铸件质量的影响涂料的配制及干燥是获得优质铸件的重要环节之一。在生产中，经常出现由涂料性能不稳定或指标不恰当而造成铸件质量不稳定、废品率上升的现象，这就加深了人们对涂料重要性的认识。涂料的作用：消失模铸造涂料的工艺过程与通常的砂型铸造涂料的有相同之处，也有差异。消失模铸造涂料的作用可以归纳如下：1.可以降低铸件表面的粗糙度值。2.有助于防止或减少铸件粘砂、砂眼等缺陷，因为涂层建立了一道耐火性、热化学稳定性高的屏障，将金属液与干砂隔开来。3.有利于提高铸件落砂、清理效率。4.能使金属液流动前沿气隙中模样热解的气体和液体产物顺利地通过，排到铸型中去，但又要防止金属液的渗入，这是防止铸件产生气孔、金属渗透和碳缺陷十分重要的条件。5.能提高泡沫模样的强度和刚度，防止模样在运输、填砂振动时产生变形和破坏，这对提高铸件尺寸精度和成品率至关重要。6.对铝合金铸件，尤其是薄壁铝合金铸件，有良好的的保温绝热作用，以防止由于模样热解吸热使金属液流动前沿温度下降过快，避免冷隔和浇不到缺陷。涂料的性能和质量 在选购或自行配制涂料时，必须与金属液性质（铸件种类）和匹配，选用低温、高温粘结剂、骨料、附加物及搅拌工艺，使涂料具有良好的透气性和润湿性、渗透性，能使EPS气化裂化产生气体及时排出、渗透溢出，或抽真空时吸出，不利于炭黑的产生。在整个白模组件表面，由于涂料涂层厚薄不均，涂料在热节区高温的作用下；再者涂料高温强度不足，又在真空泵的强力抽气下，使该处隙裂而产生漏白。3.2.4实习及总结 为了了解更多关于消失模铸造复杂内孔问题的解决方法，我和同学一起在郭鹏老师的带领下多次进入武汉钢实金晟有限公司实习，了解关于这方面的信息，亲手刷涂料等，并观看工人组串、烘干、造型等。综上所述，影响消失模铸造复杂内孔的主要因素有内孔的表面质量，涂料的性能质量，型砂的特性及紧实度等因素。其中内孔的表面质量可通过调整金属与铸型间的润湿性、型壳表面质量以及泡沫模表面质量来得到改善；涂料的选用则应该选择与金属液相匹配的，能降低其表面粗糙度的涂料；而型砂的紧实度则可通过选用合适频率的振动造型及人工处理来增加其紧实度。 参考文献1章舟.消失模铸造生产及应用实例.北京：化学工业出版社，2007年6月2陶杰，刘子利，崔益华.有色合金消失模铸造原理与技术.北京：化学工业出版社，2007年1月3中国机械工程学会铸造分会编.铸造手册第6卷特种铸造（第2版）.北京：机械工业出版社.2003年2月第2版4董秀琦，朱利娟.消失模铸造实用技术.北京：机械工业出版社，20055陶杰.消失模铸造方法与技术.南京：江苏科学技术出版社，20036刘朝儒等.机械制图第四版.北京：高等教育出版社，2000年12月7成小英，高艳，宋晓英.AutoCAD2007机械设计基础与范例教程.北京：中国电力出版社，2007年9月8葛正浩.Pro/ENGINEERWildfire3.0注塑模具设计.北京：化学工业出版社，2008年1月9吴和保等.铸造的工艺分析及控制.北京：机械工业出版社，2009