三通管的消失模铸造工艺及生产线设计

第一章 消失模铸造技术的现状

消失模铸造技术是用泡沫塑料（EPS、STMMA等）制成与铸件结构、尺寸完全一样的模样，经处理后埋入砂箱内紧实，并浇入金属液使模样受热气化分解而被金属液取代的一次性成型铸造新工艺。本章简要的综述了消失模铸造技术的现状，包括了消失模铸造发展概述、工艺流程及特点、工艺的优缺点和消失模铸造技术的适用性和经济性等，目的在于对消失模铸造技术有个较全面而又系统的了解，以便为消失模铸造设计提供便捷。

1.1 消失模铸造发展概述

消失模铸造完美的将“磁型铸造”和“V法铸造”的优势集于一体，1956年美国人H.F.Shoyer开始了将聚苯乙烯泡沫塑料用于铸造的实验，并获得成果，人们对此便产生了极大的研究兴趣。1958年H.F.Shoyer把自己的这项专利对外公布并称之为“无型腔铸造”。金属雕像和艺术品铸件的制造最先都是应用这个工艺，多年实践研究之后，原联邦德国于1962年开始把此专利从美国引进过来，就这样开始了对消失模铸造法的逐步开发，并很快应用和推广到工业制造上。1999年一项来自美国人威斯康星大学的调查表明，在1990年使用该工艺铸造铝合金的有6%左右。在1997年快速的在灰铸铁和球铸铁铸造方面发展起来并在2009年达到15%的应用。

消失模技术进入我国工业化应用的时间为20世纪90年代，经过发展几十年之后，我国的消失模铸造工业规范得到了很大的完善，成为铸造工业的重要组成部分。国家已重点把消失模铸造技术作为改造传统铸造业应用最广泛的高新技术。然而即便如此，发达国家在消失模铸造生产方面的水平远远的走在我国的前面。

我国的消失模铸造技术目前应用比较广泛有以下几个方面。

（1）得以应用的合金铸件种类 普通碳钢、灰铸铁、球墨铸铁、特种铸铁（高铬铸铁等）、铝合金、特种铸钢（高Mn钢、Ni-Cr耐热钢）、低C钢及不锈钢。

（2）应用成功的典型铸件

①抗磨铸件——磨球、衬板、锤头；

②曲轴——压缩机曲轴、汽车发动机曲轴；

③箱体铸件——发动机箱体、变速箱壳体、差速器壳体、转向装置壳体、消防栓箱体、炮弹壳体等；

④阀体铸件——铸钢阀体、球铁阀体、阀盖铸件；

⑤缸盖体铸件——压缩机缸体、单缸机缸体、缸盖、汽车缸体；

⑥管体铸件——各种规格的灰、球铁管件；

⑦制动系统铸件——刹车鼓、刹车盘；

⑧抗热铸件——料框、热处理用的底板等；

⑨支架类铸件——建筑钢支板、车辆弹簧支架等；

⑩机械工程铸件——机械零件、齿轮、齿条、叉车铸钢件、斗齿。

1.2 消失模铸造工艺流程及工艺特点

1.2.1 消失模铸造工艺流程

消失模铸造大批量生产的生产工艺流程见图1-1。该工艺流程的主要有熔化、制模、模型组合及涂层烘干、造型浇注和落砂清理五个工部。

图1.1 工艺流程图

1.2.2消失模铸造工艺分类及特点

消失模铸造的工艺分类有两种，一种根据其铸型材料的属性可分为无粘结剂干砂消失模铸造和自硬砂消失模铸造。第二种是根据浇注条件的不同可分为负压消失模铸造和普通消失模铸造。

消失模铸造工艺与传统的砂型铸造相比具有优异的工艺特征，大量生产生产条件下工艺特征有：

①传统砂型铸造是“空腔”铸型（即“空型”），而消失模铸造是将一个与铸件形状完全一致、尺寸大小只差金属收缩量的泡沫塑料模型保留在铸型内，形成“实型”铸型。

②在进行浇注时，高温金属液体使泡沫塑料模型分解气化，因此金属占据模样位置，不同于传统“空型”铸造是一个金属液填充于空腔内。同时铸造一个铸件，就需要一个泡沫塑料模样。

③泡沫塑料模样可以根据结构分块成型后再进行粘结组合成零件模样。

④其砂型使用的干石英砂具有无粘结剂、无水分、无任何附加物特性；此外宝珠砂、镁橄榄石砂等也可以满足。

1.3消失模铸造工艺的优缺点

1.3.1消失模铸造工艺的优点

⑪铸件尺寸形状精度高，加工余量少；

⑫落砂极其容易，降低了落砂的工作量和劳动强度；

⑬不存在了砂芯制作和制芯工部，避免了由于制芯、下芯造成的铸造缺陷；

⑭消失模铸造采用负压浇注，有利于金属液的充型和补缩，提高铸件的组织金属成分 复验 配料 熔炼 成分、温度检验

EPS原始珠粒 复验 预发泡 熟化 模具成型 模型干燥 EPS模型检查 模型组合 涂敷涂料 烘干 埋箱造型 负压浇注 冷却 落砂 铸件 清理 铸件检查

涂料原材料 复验 配料 混制

造型新砂 复验 冷却 筛分 型砂 浇冒口 致密度；

⑮产品质量好，不会因为添加物、水分和黏结剂造成各种铸造缺陷。

⑯消失模铸造可以采用一箱多件浇注，铸件的工艺出品率和生产效率有了很大的提高；

⑰铸件的表面光洁度；

⑱比较清洁，降低了粉尘、烟尘和噪声污染，工人的劳动环境得以改善，降低了劳动强度，女工也可以取代传统只有男工的职位；

⑲易于实现机械化自动流水线生产，生产线弹性大，可在一条生产线上实现不同合金、不同形状、不同大小铸件的生产；

⑳浇冒口的设置不会受分型和取模等传统因素的影响；

⑴不需要合箱和取模操作，造型工艺得到了简化，同时也减少了这种操作的缺陷；

⑵砂处理系统得到了简化，型砂可再次使用，降低了生产成本，避免了废砂处理操作；

⑶可适合铸造形状比较复杂的铸件；

⑷铸件表面光洁无飞边毛刺，减少了因打磨工作而耗时费力；

1.3.2 消失模铸造工艺的不足

⑪复杂大铸件，模具制造比较复杂，成本较高，费工费时，一个模具一个铸件，一次性投资较多；

⑫浇注系统设计要求严，设计难度高；

⑬泡沫粒料EPS不能满足所有铸件铸造的要求，适用有局限性；

⑭一个泡沫模样只能用一次；

⑮工艺系统环环相扣，管理务必要严格认真，松懈不得。等等

1.4 消失模铸造关键技术

消失模铸造现场有“白区”、“黄区”、“黑区”之分。“白区”是将泡沫塑料珠粒预发泡、模具成型及烘干的现场；将涂料的配料及混制、涂刷（浸涂）、烘干称为“黄区”；将装箱造型、熔炼、浇注及落砂、铸件的取出称为“黑区”，从“白区”、“黄区”到“黑区”，各个环节密切联系，每个环节均有相应的技术要点。

⑪泡塑模型模具的制造技术

①铸件消失模铸造工艺设计；②模具设计；③模具维修、保养。

⑫模样制作技术

①粒子的预发泡工艺；②模具成型（蒸缸成型）；③模样浇注系统内的排列组合。

⑬涂料及涂层制备技术烘干

①涂料选择配方；②涂料的混制；③涂料的涂覆，涂层控制；④涂层干燥；⑤待造型模样涂层烘干。

⑭微振实造型技术

①振动台选用；②振动参数；③造型操作工艺要点。

⑮负压浇注技术

①真空泵参数选定，真空系数选定；②过滤技术的改善；③负压范围选择；④浇注参数数设计。

⑯落砂清理

①不同合金铸件开箱保温时间的控制；②清理、检验入库；③出现疵病、废品及时进行分析解决办法。 1.5 消失模铸造的适用性与经济性

1.5.1 消失模铸造适用性

⑪对铸件材料的适用性

一般来说凡可以铸造的合金都可以用消失模铸造，适应性超过砂型铸造。钛合金的浇注不能用传统砂型来铸造，而消失模铸造可以满足钛合金的需求，现在很多不同质地的零件都可以用消失模铸造工艺来生产，典型的材料有灰铸铁、不锈钢、碳钢、球墨铸铁有色合金等等。

⑫对铸件大小的适用性

运用消失模铸造工艺生产的铸件的尺寸大小大小以及一个砂箱铸造件的个数收到一些因素影响，其中有振实台使用面积的大小和浇注系统砂箱的尺寸，因为消失模铸造工艺的优势，与传统铸造相比，消失模铸造的适用性要广泛很多，它可以在同一个砂箱内布置浇注不同的铸件模样，使铸造具有包容性，同时它既可以浇注小尺寸零件也可以浇注大尺寸零件生产没有局限性，大件以熔炼中频炉容量而定，小件由砂箱尺寸大小对铸件进行组串和串组的布置灵活机动多变。

⑬对铸件各种结构的适用性

对于形状结构繁琐复杂，很难去选择分型面以及造型造型比较困难的零件选择消失模铸造生产最适合，其工艺特点可以满足那些传统浇注不能满足的需求。这样的零件有缸体、水泵叶轮、螺旋桨等。

⑭既可以单个生产亦可以规模生产

消失模生产需要很多的EPS塑料泡沫，因此大规模生产时成本变高，对于单个少数生产可以采用手工切割胶合成铸造零件，由于模样制作可用手工或粒子发泡模具成型大批量制出白模，其适用性应变灵活。

⑮消失模铸件的质量优势

从生产工艺流程可看出，消失模铸造其制模过程类同于石蜡精密铸造，浇注类同于V法铸造，造型类同于实型铸造。所以现代消失模铸造技术结合了实型、V型、精铸三者的优点。

⑯消失模铸造容易实现清洁生产

消失模铸造采用的是负压法，这样就有利于排放物或气体的收集并集中处理，而且旧砂可以重复使用，所以对于生产和环境都是双赢。

1.5.2 消失模铸造经济性

铸件吨位消耗EPS成本比较经济。这是应为EPS模样价格比较低廉，而且在自动化生产条件下，模样的加工时间短，生产成本低。表1.1列出了消失模铸造工艺与砂型铸造工艺生产铸件相比的经济性。

工艺过程 优点 缺点

制型 简化工厂工程设计；

没有砂型黏结剂；

不用砂型；

模具可重复造砂型

增加模样浇注系统胶粘；

模样仅能一次性使用

浇注 节约了金属、合金浇注系统用量；

球铁可无冒口均衡化凝固 增设了型砂铸件冷却输送设备

清理 减少铸件表面清理工作量；

无铸造毛刺飞边；

增设专用工具进行模样；

组串去除内浇口 机加工 减少了铸件机加工余量；

铸件划一便于自动化

环境保护 降低了环境污染；

简化环保措施

模具工装 减少了模具传统制作；

模具简单专一便于维修；

模具使用寿命长 设计复杂和周期长而引起初始模具成本高

投资 工厂设计水平高度灵活；

总体具有经济规范；

便于旧车间改造成消失模铸造工艺

制模自动化程度低

表1.1 消失模铸造工艺与砂型铸造工艺生产铸件相比的经济性