V法鑄造工藝創(chuàng)新實踐

徐 奇，顏 炫，葉升平

（華中科技大學材料成型與模具技術國家重點實驗室，湖北武漢 430000）

V法鑄造是一種物理造型法。其基本原理是在特制的真空抽氣砂箱內，填入無水無粘黏劑的干砂，稍加微震緊實，然后對造型面和砂箱背面覆有塑料薄膜的砂型抽真空，利用砂箱內外的壓力差使鑄型成型。由于其不使用黏結劑，落砂方便，使造型材料的耗量降到最低限度，減少了廢砂，改善生產條件，極大的提高了鑄件表面質量和尺寸精度[1]。盡管V法鑄造近年來取得了迅速的發(fā)展，但也遇到了很多新的問題。

1）由于受到薄膜拉伸的限制，V法很難鑄造形狀復雜的小型鑄件，其在中小型鑄件的生產應用受到制約。

2）受真空造型的限制，如果不能做到造完型后立即澆注，需長時間的抽真空，耗能大。尤其對于利用晚間電力峰谷熔煉澆注的企業(yè)，V法成本更是難以控制[2]。

3)生產現場粉塵多。由于V法所用干砂很細，一般為100目以上石英砂，在車間空氣中會彌漫很多粉塵，SiO2含量高，造成作業(yè)環(huán)境差。

4）V法工裝及生產線的發(fā)展緩慢制約著V法工藝的發(fā)展。相比較DISA線、消失模生產線等其他工藝，目前V法鑄造生產線自動化程度不高，國內大型生產線需引進國外進口，工裝設備存在一些瑕疵，造成生產效率過低，不能充分體現V法鑄造的優(yōu)勢[3]。

上述問題大大的限制了V法鑄造技術的發(fā)展，單一的V法鑄造工藝很難解決所有這些問題，需要考慮與其它工藝的復合應用，由此引申出新的工藝。本文針對上述問題，同時在造型工藝以及設備制造方面，提出了一些工藝創(chuàng)新思維，并通過實驗進行了嘗試。

1 垂直分型工藝

目前，國內V法鑄造企業(yè)所采用的V法鑄造工藝，普遍為水平分型造型工藝。受到V法鑄造工藝中薄膜覆模造型的限制，該分型工藝只能進行兩箱水平分型造型，無法運用普通砂型鑄造的多箱疊加的水平分型造型工藝。因此，企業(yè)通過V法鑄造工藝生產的鑄件往往是能實現兩箱分型的簡單結構鑄件，而部分結構相對復雜的鑄件則通過采用設置樹脂砂砂芯進行實際生產。

鑒于國內鑄造企業(yè)進行V法鑄造工藝生產過程中受到兩箱水平分型造型工藝的限制，提出垂直分型的工藝概念并進行相關工藝實驗。以垂直分型的方式改變V法鑄造的工藝設計思路，擴大V法鑄造工藝適用范圍，進而推廣新工藝在實際生產中的應用。

1.1 工藝設計及實驗

垂直分型工藝設計兩個部分：垂直造型工藝部分和垂直澆注工藝部分。

1）在原有水平分型造型工藝的基礎上，從垂直澆注部分優(yōu)先入手，完成平做立澆工藝試驗。平做立澆實驗以平板字模為對象進行實驗，觀察復雜造型面在垂直澆注工藝中的澆注充填質量，判斷V法鑄造垂直分型工藝的澆注工藝能否實現。

平做立澆工藝設計方案：在水平造型工藝基礎上對砂箱及造型模具進行修改。從垂直澆注過程考慮，砂箱要滿足水平造型及垂直澆注過程，則平做立澆用砂箱在普通水分分型砂箱的基礎上在其中一側壁開設澆注入口，同時保證砂箱箱體為空腔結構以滿足V法鑄造對砂箱的要求。設計出的平做立澆工藝用砂箱如圖1所示。

對應平做立澆工藝用砂箱的設計方案，對造型模具進行配套修改，使砂箱的放置能與造型模具相配合。砂箱的放置面與模具造型面貼合以保證填砂造型過程順利完成，不會因砂箱與模具造型面的間隙是加入的干砂從中漏出而使制作的砂型存在缺陷。結合砂箱結構設計出的平做立澆的模具如圖2所示。

圖1 平做立澆工藝用砂箱示意圖

圖2 平做立澆模具示意圖

依據設計方案對模具及砂箱進行加工制作，考慮到通常鑄件的分型面在鑄件的中間部位，將模具設計為雙面帶有字模的板件。制作好的模具及砂箱按照V法鑄造工藝進行砂型制作，制作完成的砂型通過水平合箱鎖緊后豎直放置，使分型面與水平垂直。達到金屬液的澆注溫度后，將金屬液從頂部的澆口澆注。澆鑄完成后，待鑄件冷卻成型取出鑄件進行觀察，判斷平做立澆工藝對鑄件兩復雜表面?zhèn)缺诘某尚唾|量。澆鑄完成的鑄件兩個字模表面如圖3所示。澆鑄得到的鑄件其復雜字體表面成型良好、表面粗糙度小，鑄件整體質量良好。平做立澆工藝實驗證明V法可以實現垂直澆注工藝。

圖3 平做立澆鑄件兩側字模表面

2）在初步完成平做立澆工藝實驗的基礎上，判斷出其垂直澆注工藝部分能順利實現，進行V法鑄造的垂直造型工藝部分。同樣考慮到通常鑄件的分型面為鑄件的中間平面，對垂直造型工藝提出雙面造型工藝。該工藝思想的提出不僅完成垂直造型工藝特點，同時能通過對雙面造型工藝的運用解決V法鑄造生產效率的瓶頸問題。

垂直造型工藝設計方案：參考平做立澆工藝方案，同為垂直澆注工藝過程，故澆注系統(tǒng)的排布與鑄件為同一造型面。但由于垂直造型工藝的填砂口與澆注系統(tǒng)的澆注入口為同一方向，因此實際砂箱與模具造型面的貼合方式與平做立澆不相同，垂直造型工藝無需將砂箱與模具造型面開口貼合起來，相反該開口作為填砂入口。垂直造型工藝的模具造型面與普通砂型垂直造型工藝的模具造型面相似，結合V法鑄造工藝特點，設計出的垂直造型工藝模具如圖4所示。

考慮到雙面造型的要求，砂箱豎直放置時的兩側壁作為造型面需設為開口面。結合設計的垂直造型工藝模具，雙面造型要求下，砂箱在兩側造型模具之間且造型時砂箱被兩側的造型模具合住的特點，砂箱設計為U型結構，同時砂箱為空腔結構以滿足V法鑄造對砂箱的要求。設計出的垂直造型砂箱如圖5所示。

依照設計方案加工制作出模具及砂箱，按照V法鑄造工藝過程進行垂直造型工藝實驗。配合垂直造型工藝，將V法鑄造工藝中的薄膜烘烤方式調整為立式烘烤薄膜。完成烘烤的薄膜直接貼合到造型模具表面完成覆模造型過程，砂箱與兩側已覆膜的模具合住并鎖緊進行填砂造型。制作好的帶有雙面型腔的砂型合箱鎖緊，從頂部的澆注入口澆入金屬液，待鑄件冷卻型后取出鑄件觀察鑄件表面質量。垂直造型得到的砂型如圖6所示，澆鑄得到的鑄件如圖7所示。垂直造型工藝制作的砂型能滿足V法鑄造的要求，其澆鑄得到的鑄件表面成型性好，鑄件表面光潔度高，切開鑄件厚大部位無縮孔、縮松等鑄造缺陷。表明垂直造型工藝可以做為V法鑄造造型工藝的新選擇?？紤]雙面造型的特點及雙面型腔的要求，對澆注后的砂型的外側表面進行硬度測定，其砂型硬度HB S≥75，表面其砂型可進行連續(xù)澆注，不會出現塌型的現象。

圖4 垂直造型工藝用模具

圖5 垂直造型工藝用砂箱

圖6 垂直造型工藝得到的砂型

圖7 澆注后得到的鑄件

1.2 實驗小結

通過垂直分型工藝的造型工藝部分和澆注工藝部分的實驗，可以看到垂直分型工藝能完成，從最開始的薄膜烘烤造型到最后的鑄件成品的整個V法鑄造工藝過程。通過該工藝得到的鑄件質量與普通V法鑄造工藝相比沒有差別，因此，該工藝可以作為新的V法鑄造工藝用于生產。

同時對于垂直分型工藝提出的雙面造型工藝，澆注后的外側砂型硬度能滿足澆注要求，垂直分型雙面造型工藝能使V法鑄造實現類似D I SA垂直分型無箱射壓造型線的連續(xù)生產線，可以有效提高V法鑄造生產效率，極大的提高V法鑄造在實際生產中的投入產出比，無疑可以進一步推廣V法鑄造技術在鑄造企業(yè)中的應用。

2 一種基于V法鑄造的潮模砂造型新工藝

V法鑄造所用的型砂，不含水分和黏土，一般不添加任何化學材料[5]。所用砂粒通常為棱角形或圓形。由于沒有添加黏結劑和附加物，砂粒間的透氣性很好，在接入真空負壓后，鑄型很容易緊實。同時干砂的目數一般在100目以上，砂粒很細，填充性好可提高砂型的強度，并且可使鑄件獲得較高的表面光潔度[6]。

潮模砂又稱濕型黏土砂，在鑄造生產中其鑄造用硅砂用膨潤土做黏結劑再加水及其他添加劑混勻，即可用于造型制芯?；咎攸c是砂型無需烘干，不存在硬化過程，其本身具有一定的黏性，透氣性較差。潮模砂是目前最主要鑄造生產工藝之一。潮模砂造型技術具有以下特點：

1）石英砂和粘土砂等原料來源廣泛，價格低廉。

2）制配簡單，操作工藝簡單。

3）同V法用干砂一樣，型砂可回收，經鑄造后型砂質量下降甚微，易補償解決。

4）由于砂型強度高，透氣性好，故能生產高質量鑄件。

為了解決導言所述V法鑄造過程中的問題，設想用潮模砂取代干砂應用于V法鑄造中去進行造型，并通過對鑄型強度的測量和澆注結果的觀察探討工藝的可行性。

2.1 試驗方法

試驗所采用的造型材料潮模砂是由原砂，膨潤土，及水按一定配比組成的?？紤]到V法鑄造的特點，所用的潮模砂所含水分應小于一般砂型鑄造所用潮模砂含水量。過量的水會導致型砂透氣性不好，影響抽真空效果，同時過量的水會降低濕壓強度。要求型砂即要有一定的粘性又要保證一定的透氣性以便于抽真空。

實驗所用鑄件為一小平板字模，尺寸為300 mm×186 mm×13 mm，材質為鋁合金。表面有一些字體，要求澆注出的鑄件表面字體清晰，光潔良好，無鑄造缺陷。實驗設計出的抽氣砂箱如圖8所示，澆注系統(tǒng)如圖9所示。

實驗所用的裝備烤膜架，模具，砂箱均為普通V法鑄造裝備?？紤]到潮模砂的透氣性不如干砂，在砂箱的設計上，盡量采用管式抽氣砂箱或者金屬軟管抽氣砂箱，以加大抽氣量從而增強鑄型的強度。為了充分利用潮模砂所具有的粘性，達到與干砂優(yōu)勢互補，試圖在造完型之后，拔掉真空系統(tǒng)，觀察砂型的完整程度，看是否在潮模砂本身的粘結作用下砂型不潰散。6 h～8 h后再接上真空系統(tǒng)觀察薄膜的吸附情況并測量鑄型的強度，再澆注。

圖8 實驗砂箱和模具

圖9 澆注系統(tǒng)設計

實驗主要流程為：

覆膜；所覆薄膜為V法鑄造常用EVA薄膜。

潮模砂造型；面砂應盡量選取較細的潮模砂。造完型后硬度78 HBS，略低于使用干砂的硬度，但鑄型保持完好，澆注不會出現塌箱現象，如圖10.

卸掉真空；薄膜有脫落，砂型變軟，但整體形狀保持完好，節(jié)點和倒角處沒有砂粒脫落現象，如圖11.

圖10 潮模砂造型

圖11 卸掉真空后的砂型

重新接上真空澆注；薄膜重新吸附緊實，鑄型硬度回升至75 HB S以上。澆注溫度為730℃～750℃.

澆注結果如圖12所示，表面精度高，少無粘砂現象，表面字體輪廓清晰?；具_到了V法鑄造的效果。圖13為切除澆冒口經噴砂處理后的效果。

2.2 結果與討論

通過對實驗所澆注出的鑄件的外觀和質量分析，將潮模砂應用于V法鑄造上造型是完全可行的工藝，如果能夠得到應用與推廣，會發(fā)揮巨大的優(yōu)勢。該鑄造工藝的優(yōu)勢所在：

1）適用于形狀較為精密的中小鑄件。由于潮模砂本身具有一定的粘性，在鑄造外觀形狀較為精密的中小鑄件時，砂粒很難完全附著于精細凹陷部位，或者起模困難容易破壞鑄型。采用V法鑄造技術，通過真空負壓和薄膜的作用，可以對一些精密的鑄件造型。并且在脫模時利用真空系統(tǒng)的切換，使得起模方便精確，拔模斜度?。ㄒ话?～1°）。

圖12 澆注完畢的鑄件

圖13 噴砂處理的鑄件

2）造完型后拔掉真空，澆注時再抽真空，節(jié)約成本，減少能源消耗。通常工廠考慮到電費價格，都是白天造完型以后，晚上澆注。V法鑄造需要不間斷保持抽真空，這樣在等待澆注的過程中會耗掉大量的電能，增加生產成本。采用潮模砂以后，通過實驗觀測到在造完型以后即使卸掉真空系統(tǒng)，砂型并不潰散，基本保持完好。待澆注時再連通真空泵，砂型重新緊實，型腔基本少無影響。這樣就在生產過程中達到了節(jié)能減排。

3）普通V法鑄造所用干砂目數較高，砂粒很細，造成在造型特別是落砂過程中空氣中彌漫著大量的灰塵，一方面污染空氣，另一方面惡化工作條件。采用潮模砂代替干砂，由于潮模砂具有的粘性，可以大大減少空氣中的粉塵。

4）有利于生產設備自動化。V法鑄造過程中，由于需要保持抽真空，砂箱和模具都用管道連接真空泵。使得生產現場遍布大量的管道，形成一根根“辮子”，在流水線容易打結。這一直制約著V法自動化生產線的發(fā)展。如果用潮模砂造型，可以在造型完畢后拔掉真空管，便于設計生產線，有利于生產效率的提高。

［1］謝一華，謝田，章舟.V法鑄造生產及應用實例［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2009.

［2］葉升平，劉德漢.國內外V法鑄造技術的發(fā)展現狀與問題［J］.特種鑄造及有色合金，2009，29（2）:158-161.

［3］Clegg AJ.The V-Process review and current status［J］.FoundryOurnal.1995，158（3）：472-486

［4］崔明勝，陳志對，程和法.我國V-E P C鑄造技術發(fā)展進程中的問題探討［J］.鑄造設備研究，1997（6）：33-35.

［5］谷子林.水份對潮模砂的影響［J］.河北機械，1993（3）：35-36.

［6］Herman-Sinto V-Process Company.V-Process Technical KnowHow Book［M］.North American，1977.

［7］解明國，牛德良，汪大新.干砂粒度、粒度分布、緊實率和真空度對 V法造型的影響［J］.鑄造，2004.12：1053-1054.