泡沫模代替木模樹脂砂鑄造工藝可行性分析*

龔成功,張 瑞,楊云赟

(蘭州工業學院 材料工程學院,甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

鑄造是將液態金屬澆入型腔冷卻凝固后獲得零件或毛坯的加工方法[1-2]。其發展歷程最早可以追溯到公元前三千年,春秋戰國時已形成燦爛的青銅鑄造文化[3],公元前六世紀出現了鑄鐵冶煉技術;工業革命后,機床等機械設備的需求量逐漸增加,鑄造進入快速發展階段。至上世紀末,鑄造已發展成為針對不同零件可采取不同方法和工藝的成形技術。鑄造的名稱及工藝各有不同,例如按造型材料或方法可分為砂型鑄造和特種鑄造,而砂型鑄造還可根據粘結劑分為粘土砂、水玻璃砂和樹脂砂等,特種鑄造分為金屬型鑄造、壓力鑄造、熔模鑄造、真空吸鑄和消失模鑄造以及其它類型的鑄造等。同時,集工藝設計、造型、制芯、澆注和清理等于一體的比較完整的鑄造工藝設計及生產體系也逐漸形成[4-5]。

當前,受先進制造、信息與通訊、人工智能等技術的影響以及綠色環保要求,鑄造行業正在經歷著大變革。這不僅需要技術創新,而且還需要對所使用的材料和生產流程進行不斷地創新與優化。例如,將信息與通信以及人工智能技術結合在一起的成像技術,可以實現零件的即時測繪和輔助設計,極大地節約了生產中的準備時間[6-7];又如,3D打印技術引入鑄造生產后,可以快速準備模樣或鑄型,從而可以快速檢驗工藝是否合理[8-9];再如,鑄造生產時應盡量減少樹脂和固化劑等化學物質的使用量,盡量滿足環保要求[10-11]。然而,目前對模型材料的選用還存在很大的局限性,如廣泛使用的金屬模和木模,雖然可以重復使用,但加工工期長、價格昂貴;而消失模鑄造所使用的泡沫模,雖然加工周期短、價格低廉,但澆注時在高溫金屬熔體作用下,泡沫模燒掉后產生的廢渣和廢氣容易引起夾渣缺陷和大氣污染[12-14]。為此,筆者以減少污染、節約成本和縮短生產周期為出發點,重點對軸承座進行研究試產,探索泡沫模直接代替木模的樹脂砂鑄造生產的可行性及其特點,為實際鑄造生產提供工藝改進參考。

1 試驗材料與方法

圖1(a)是所要試產軸承座的零件圖,圖1(b)和(c)是根據零件圖繪出的三維立體圖,材質選用球墨鑄鐵。首先根據該零件的結構特點、壁厚分布和材質要求進行工藝性分析,討論泡沫模代替木模后樹脂砂鑄造生產的可行性,確定鑄造工藝方案并設計工藝圖,期間利用Procast模擬軟件分析充型過程;然后根據工藝方案制作泡沫塑料模樣,參照樹脂砂鑄造生產流程依次進行造型、制芯、配模、熔煉、澆注和冷卻凝固以及清理落砂等工序;再根據驗收標準檢測毛坯外形和缺陷是否符合要求;最后,根據檢測結果全面討論并分析泡沫模代替木模后進行樹脂砂鑄造生產的可行性與特點。

圖1 主軸箱零件圖與立體圖

2 結果與討論

2.1 工藝設計

從圖1中可看出,該零件外形呈半圓柱狀,最大尺寸約為1 085 mm×700 mm×655 mm。零件壁厚度約為35 mm,半圓截面處有厚度為35 mm的隨形法蘭凸緣;外側表面對稱分布四個尺寸相同的螺紋孔,另有四個圓形凸臺和一個方形凸臺觀察通孔;軸承座內部中心附近布置有兩條厚度為20 mm的加強筋,加強筋的中心位置各有一個矩形通孔;兩側端面帶有圓弧法蘭,用于固定軸承。需要注意的是,鑄件兩側長邊相距較大,在冷卻過程中極有可能引起收縮變形,工藝設計時應提前采取預防措施?？傮w來講,該軸承座結構簡單,無異型結構,便于分型和起模,適合鑄造生產,工藝設計時不需要對零件結構進行改進或優化。

模樣材質選用聚苯乙烯塑料,該材料的主要性能參數如表1所列。與木材和金屬相比,泡沫塑料質軟且輕、熔點低、易于切割和轉運,因而能夠實現快速加工的目的;缺點是強度低,在加工和后期造型及制芯過程中容易破損;因此可將上述缺點規避而充分利用其優點制備模樣,也可進行單件或數量較少的鑄件生產,可制備使用一次或幾次的模樣進行生產。

表1 聚苯乙烯性能參數

根據以上內容和樹脂砂特點設計軸承座鑄造工藝,該鑄件半圓截面處有厚度為35 mm的隨形法蘭,為了保證法蘭面與下軸承座之間的配合,需要對毛坯的該面進行機加工,因此可以確定隨形法蘭的下底面是最佳分型面。與此相對應,鑄件可采取如圖2所示的上箱型和下箱型布置,下箱型需要下吊芯,考慮到型芯尺寸較大、重量較重,配模時需在上箱設置吊鉤或在型芯下面放置與鑄件相同材質的芯撐,工藝比較繁瑣,因此采用圖2(a)所示的上箱形式。

圖2 主軸箱的鑄造分型面示意圖

需要指出的是,采取圖2(a)中所示的上下分型結構時,中間圓弧狀型芯將下部分型腔分為左右兩部分。液態金屬澆入型腔后,首先向靠近內澆道一側的型腔進行填充,只有當液態金屬填充超過圓弧狀型芯的最高點后才能流入對側型腔,但此時容易形成圖3(a)中箭頭標明的紊流,容易引起夾渣和氣孔等缺陷。為此,可考慮在內澆道口附近加設陶瓷引流管,此方式不僅可以起到引流和減少紊流的作用,還可以抵抗冷卻凝固過程因收縮而引起的變形,其結構和位置如圖3(b)所示。

圖3 不同工藝方案下充填過程的Procast模擬結果對比

由于泡沫塑料強度較低,工藝設計時應充分考慮造型和制芯過程中模樣變形問題,并針對性地做好預防措施。對于尺寸較大的型芯類模樣,容易產生脹形,可考慮在其外圍增設加固結構,如壓鐵或其它重物;對于型腔類模樣,由于填砂時受到的是壓力,適當預留余量即可;而對于加強筋類結構,受到壓力后不僅厚度會變小,而且還會產生變形,因此在制樣時需要及時觀察,一旦出現變形應立即糾正。需要特別說明的是,對于型芯和加強筋等包覆在砂型內的模樣,填砂后模樣受到樹脂砂擠壓產生壓縮或變形,即使拔模斜度增加后也難以脫模,因此考慮用少量膠水粘結拔模斜度小于木模甚至撥模斜度為零的筋板,待樹脂砂固化后再破壞取出。綜合以上因素,參考砂型鑄造工藝特點及要求,設計得到軸承座的泡沫模砂型鑄造工藝,如圖4所示。

圖4 優化后的鑄造工藝圖

2.2 現場生產

首先按照工藝圖準備模樣,再依次進行造型、制芯、配模和澆注以及清理等工序。圖5(a)和(c)分別是表面已經涂刷了涂料的型腔和型芯的泡沫模,而圖5(b)和(d)分別是對應的樹脂砂型腔和型芯。通過生產發現,由于法蘭、2#型芯座和凸臺等結構的影響,對于大部分是半圓柱面的型腔泡沫模來說,待填充于其周圍的樹脂砂凝固后也很難順利脫模,因此需要將其破壞性拆除。類似的結構在木模中可以設計成活塊形式,以順利達到脫模的目的;但對于單件生產的泡沫模,考慮到加工成本因素,拆除即可。值得指出的是,圖5(c)和(d)所示筋板處的模樣需要使用工具摳出或使用火焰焙燒去除,但應注意掌握時間,以免長時間高溫使已固化的型砂潰散。

圖5 塑料泡沫模的造型和制芯過程

造型、制芯工序完成后,再進行配模、熔煉、澆注、冷卻凝固和清理等工序,這些工序與木模樹脂砂鑄造生產工序完全相同。圖6是利用泡沫模代替木模生產得到的軸承座鑄件毛坯。經檢測,外觀無明顯缺陷,主要尺寸符合工藝圖要求。

圖6 泡沫模樹脂砂鑄造生產的軸承座實物圖

2.3 分析與討論

對鑄件毛坯的檢測結果可知,用泡沫模代替木模進行樹脂砂鑄造生產完全可行。其最大優點是加工周期短、成本低廉和拔模斜度小。但是,該工藝還存在以下問題需要在設計和后續生產過程中予以充分考慮:①成本與產量之間的平衡,如果僅需要一件,毫無疑問泡沫模是最佳選擇;而當需要兩件或五件以內的鑄件時,應從材料成本、加工模樣周期、耗費的工時和模樣、可利用次數等角度進行綜合考慮,可通過犧牲部分結構而盡量保護模樣主體,如圖5(a)中所示的凸臺結構,通過少量膠水輕輕粘結在泡沫模主體的外側,以保證脫模時能夠與泡沫模的主體順利分離;超過五件時,不再建議使用泡沫模生產;②筋板類等埋置較深部分的模樣通常使用火焰燒掉,但是高溫火焰會引起模樣周圍型砂的潰散,建議先用刀具或高溫線鋸切除大部分后再用火焰快速燒掉其余部分;③泡沫模表面粗糙度大于木模,所獲得的鑄件外觀質量較差,可在保證不起皮的前提下適當增加泥膏厚度并輔之以涂料進行改善;④造型制芯時泡沫模樣易變形,可通過增加加固措施進行預防。

3 結 論

借助于試產半圓柱形軸承座,探討了泡沫塑料代替木模樹脂砂鑄造生產工藝的可行性及其優缺點,得到的主要結論如下。

(1) 利用泡沫模代替木模生產時其工藝完全可行,并具有加工周期短、價格低廉和工藝簡單等優勢,特別適合單件鑄件生產,也適合個位數鑄件生產。

(2) 造型和制芯過程中,強度較低的泡沫模容易變形,進而會引起型腔或型芯變形,可以在模樣外圍增設加固結構進行預防。

(3) 焙燒埋置深度較大筋板類的部分模樣時,高溫火焰極易引起周圍樹脂砂潰散,建議先利用工具挖除大部分后再使用火焰去除。

綜上所述,利用泡沫模代替木模非常適合一模一鑄件的生產;如果對模型結構處理得當,還可用于一模多鑄件的生產;對結構簡單的鑄件,也可推廣進行批量生產。