V 法鑄造工藝裝備對(duì)鑄件質(zhì)量的若干影響

張建滿，涂益明，張海勛，朱以松

（1．華中科技大學(xué) 全國消失模與V 法鑄造技術(shù)委員會(huì)，湖北 武漢 430074；2．天瑞集團(tuán)鑄造有限公司，河南 汝州 467500；3．無錫錫南鑄造機(jī)械有限公司，無錫 錫南 214142）

V法鑄造引入我國至今已有30多年的發(fā)展，而V法鑄造裝備則經(jīng)歷了從無到有以及由對(duì)外引進(jìn)仿制，到自主研發(fā)設(shè)計(jì)的過程。V法鑄造裝備質(zhì)量水平的提升，也進(jìn)一步保障并促進(jìn)了V法鑄造工藝的拓展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)約有400多條形式各異的V法鑄造生產(chǎn)線在運(yùn)行，既有極其簡易甚至不配套砂處理的單機(jī)造型設(shè)備，也有比較常見且配置相對(duì)全面的半自動(dòng)鑄造生產(chǎn)線，更有機(jī)械化，自動(dòng)化程度較高，投資規(guī)模龐大的現(xiàn)代化V法鑄造車間。但是根據(jù)大量的調(diào)研與實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)部分設(shè)備和工裝難以滿足鑄件產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝要求，致使生產(chǎn)受阻或產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。尤其是造型過程中覆膜成形，加砂震實(shí)，抽真空起模工序，相應(yīng)設(shè)備工裝的特點(diǎn)明顯影響著鑄型和鑄件質(zhì)量。

1 覆膜架設(shè)計(jì)對(duì)覆膜成形的影響

烤膜覆膜作為V法鑄造的第一步，直接影響著整個(gè)造型的質(zhì)量和效率。EVA薄膜只有在加熱烘烤到一定程度的時(shí)候，其延伸性也就是通常所說的覆膜成形性能才能達(dá)到最佳狀態(tài)。然而，從烘烤結(jié)束到薄膜下降至模具的過程中，EVA薄膜由于逐漸遠(yuǎn)離熱源，會(huì)很快冷卻，脫離最佳覆膜狀態(tài)。這就要求覆膜架在極短的時(shí)間內(nèi)，完成覆膜動(dòng)作。大量的工藝實(shí)踐表明，覆膜架在5s內(nèi)下行到位是最為合適的，時(shí)間越長，對(duì)薄膜原有的熱態(tài)延伸性削減越大。一個(gè)簡單的公式：

式中：T—覆膜框行走時(shí)間；

S—覆膜框行程，即EVA薄膜加熱位置與模具臺(tái)面的距離；

V—覆膜框下降的平均速度。

顯然，覆膜框行程和下降的速度直接影響著行走時(shí)間，也就影響著覆膜成形的質(zhì)量。

覆膜架帶動(dòng)EVA薄膜下降過程中與空氣產(chǎn)生的對(duì)流運(yùn)動(dòng)必然形成對(duì)整張薄膜的浮力，進(jìn)而造成薄膜的向上運(yùn)動(dòng)，并使薄膜自身產(chǎn)生一定的張力，即薄膜內(nèi)部區(qū)域?qū)ν獠繀^(qū)域的拉力作用（圖1）。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)流速度越快，也就是覆膜架下降的速度越快，這種浮力越大，整張薄膜向上浮動(dòng)的速度也就越大，同時(shí)，對(duì)薄膜的拉伸作用也越明顯。這種浮力不但會(huì)使EVA薄膜容易上浮并接觸到紅熱的電熱絲或者電熱管燙破，也有可能使熱態(tài)強(qiáng)度很低的薄膜在拉力作用下直接拉裂；采用數(shù)學(xué)模型去定量的給出覆膜框下行速度的參考值是很困難的，因?yàn)槿嵝詷O強(qiáng)的薄膜在覆膜框帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)的受力狀態(tài)極其復(fù)雜，直接的生產(chǎn)調(diào)試控制速度是比較現(xiàn)實(shí)的辦法。值得注意的是，覆膜架下行過程中加速度太大會(huì)造成EVA薄膜強(qiáng)烈顫動(dòng)，這往往源于氣動(dòng)控制裝置穩(wěn)定性太差、速度變化過分強(qiáng)烈。這種不必要的震蕩對(duì)于熱態(tài)下強(qiáng)度很低的薄膜也是非常危險(xiǎn)的。圖2則為某生產(chǎn)現(xiàn)場因?yàn)楦材た蛘鹗幵斐蒃VA薄膜破裂的現(xiàn)象。

圖1 覆膜成形瞬間

圖2 覆膜過程振蕩及破裂瞬間

為了保證在足夠短的時(shí)間內(nèi)覆膜完成而又不至于因速度過快對(duì)EVA薄膜造成不必要的影響，覆膜行程高度的設(shè)計(jì)也是很重要的一方面。而覆膜行程高度過高（如圖3），也正是是造成覆膜下降時(shí)間過長的主要原因。當(dāng)然，覆膜行程高度，不僅要考慮覆膜時(shí)間，也要考慮模具的高度，甚至有時(shí)候也要考慮完成其他工序時(shí)工人的作業(yè)空間。這需要根據(jù)具體的鑄件產(chǎn)品和其他工裝設(shè)備的因素去綜合衡量。但是，保證覆膜框在5s內(nèi)下行至模具是明確的，也是合理的。

圖3 覆膜架行程過高案例

2 震實(shí)臺(tái)震實(shí)效果的不理想造成鑄件尺寸或重量精度超差

V法造型過程中，震動(dòng)是獲得高緊實(shí)度砂型的重要環(huán)節(jié)。V法鑄型的硬度和強(qiáng)度，不僅與我們常規(guī)理解中的砂箱的真空度有關(guān)系，震實(shí)效果也是很重要的一方面（如圖4所示）。在震實(shí)不夠的情況下，有時(shí)候通過高的真空度，可以獲得較高的鑄型硬度，但這只是一種假象，砂型強(qiáng)度往往是不足的。在砂型抽真空，翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)運(yùn)，合箱，澆注等過程中產(chǎn)生的波動(dòng)又會(huì)造成鑄型內(nèi)砂子形位的重新排布進(jìn)而引起鑄型強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)尺寸等的變化。而這些變化反映到鑄件上，則表現(xiàn)出鑄件尺寸或者重量精度超差等質(zhì)量問題。目前在震實(shí)臺(tái)設(shè)計(jì)中，對(duì)于振幅，震動(dòng)頻率，激振力及如何配置振動(dòng)電機(jī)等問題往往模棱兩可，缺乏基本的核算依據(jù)?？山梃b的參考數(shù)據(jù)是，振幅0.5mm左右，頻率不低于1500/min可以達(dá)到比較好的震實(shí)效果。不太理想的是，部分震實(shí)臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)并不滿足推薦的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而鑄造企業(yè)在使用的過程中則常常發(fā)現(xiàn)，震實(shí)臺(tái)激振力不夠或過強(qiáng)，振幅不足或過大等一系列問題。這就是為什么同樣的鑄件，同樣的砂箱，同樣的模具，在不同的廠家，震實(shí)時(shí)間，震實(shí)效果有差異的原因。更有甚者，震實(shí)臺(tái)振動(dòng)電機(jī)缺乏基本的變頻功能；哪怕具備變頻特性，也不根據(jù)震實(shí)臺(tái)負(fù)載的變化合理調(diào)整頻率，激振力等參數(shù)，以至于震實(shí)臺(tái)發(fā)揮不了應(yīng)有的作用。隨著V法鑄造向復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的延伸和拓展，原有的一維震實(shí)臺(tái)顯然已經(jīng)難以保障橫向縱深部位的填充緊實(shí)，從而造成鑄件橫向與縱深部位的粘砂問題，如圖5所示。必須采用更為可靠的三維震實(shí)臺(tái)。

圖4 砂子緊實(shí)度與鑄型強(qiáng)度和硬度的關(guān)系

圖5 鑄件橫向縱深部位的粘砂

3 起模機(jī)構(gòu)對(duì)鑄型質(zhì)量的影響

V法造型過程中，EVA薄膜與模具之間有一定的粘附力存在。再加上砂型的擠壓作用，使得起模過程中薄膜與模具之間存在明顯的摩擦。在提倡V法鑄造工藝少無拔模斜度的要求下，無疑對(duì)起模機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性有較為嚴(yán)格的要求。目前，大部分廠家已經(jīng)采用頂桿起模機(jī)（如圖6），甚至自動(dòng)化程度更高的機(jī)械手完成起模動(dòng)作（如圖7）.相比之前的行車起模和簡單的千斤頂起模方式來說，起模的安全性和穩(wěn)定性已經(jīng)有了很大進(jìn)步。但是，在越來越多精密鑄件成形的過程中，逐漸發(fā)現(xiàn)部分起模頂桿或者機(jī)械手的精度和強(qiáng)度問題。主要反映在起模頂桿導(dǎo)柱導(dǎo)套所用材質(zhì)的質(zhì)量和數(shù)量不夠達(dá)標(biāo)，或者不經(jīng)過應(yīng)有的熱處理工藝，造型起模頂桿強(qiáng)度和剛性不足。再加上加工或安裝精度不夠，造成起模過程中頂桿的撓曲變形和起模不穩(wěn)，致使鑄型部分位置擦傷破損，影響鑄型完整性，造成鑄件粘砂，甚至塌箱等缺陷。對(duì)于一些多筋板或具有相當(dāng)高垂直面的鑄件而言，這種擦傷鑄型的現(xiàn)象尤為普遍。而個(gè)別自動(dòng)化程度很高的機(jī)械手，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性差，末端柔性不足，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生震蕩或者難以急停，甚至不能保證最起碼的定位及真空對(duì)接精度，直接影響鑄型在起模翻轉(zhuǎn)等過程中的安全性。隨著V法成套裝備生產(chǎn)線自動(dòng)化和機(jī)械化水平的提升，對(duì)起模機(jī)構(gòu)的使用要求越來越高。這就需要我們?cè)谶@些關(guān)鍵的造型設(shè)備方面，提高設(shè)計(jì)，制造，安裝的精度和可靠性，以充分保障造型質(zhì)量和鑄型安全。

圖6 液壓頂桿起模裝置

圖7 機(jī)械手起模瞬間

4 砂箱結(jié)構(gòu)對(duì)鑄型鑄件的影響

V法鑄造用的砂箱，其結(jié)構(gòu)形式直接決定著砂箱內(nèi)負(fù)壓場的形成和分布，也就決定著鑄型強(qiáng)度的大小和均勻性。但是，不少觀念錯(cuò)誤的認(rèn)為，只要砂箱里面能夠抽氣就行，至于怎么抽，抽多少，都無關(guān)緊要，只要不塌箱即可。所以目前，既有單純的抽氣管抽氣的砂箱，也有靠四壁抽氣的砂箱，最復(fù)雜的則有四壁抽氣并外加箱帶或抽氣管輔助的形式；似乎都達(dá)到了同樣的目的，都能生產(chǎn)出鑄件。然而，產(chǎn)生的影響卻是不一樣的。生產(chǎn)上習(xí)慣了用真空度來衡量或者表征鑄型的強(qiáng)度，認(rèn)為真空度越高，鑄型強(qiáng)度越高，塌箱的幾率也越?。粚?shí)際上，對(duì)于砂箱來說，真空的形成是氣體流動(dòng)的結(jié)果，是型腔內(nèi)的空氣被真空系統(tǒng)抽走之后形成的。而鑄型不可能是完全密封的，始終處在一種氣體泄入并被抽走的過程中。顯然，距離抽氣口越近，氣體被抽速度越快，那么從氣流角度分析，越靠近砂箱四壁和抽氣管的地方，真空保持的越穩(wěn)定，強(qiáng)度也越高。澆注之前，外界氣體泄入量往往較小，會(huì)被及時(shí)抽走，不會(huì)對(duì)鑄型強(qiáng)度造成不利影響。但是，澆注過程中，隨著大面積薄膜的燒蝕，外界氣體泄入量劇增，如果泄入的氣體不能被及時(shí)抽走，鑄型內(nèi)部氣壓上升強(qiáng)度降低，就會(huì)造成塌箱。有時(shí)候盡管砂箱已經(jīng)有四壁抽氣甚至還有少量抽氣箱帶或者抽氣管，而且真空度還很高，仍然會(huì)塌箱。這就是因?yàn)榫植繗怏w難以迅速逃逸造成局部砂型強(qiáng)度下降的結(jié)果。有人提出低負(fù)壓大流量的說法，明確顯示出負(fù)壓很低但是整個(gè)生產(chǎn)過程非常安全。其實(shí)這就是砂箱結(jié)構(gòu)布置合理的效果。抽氣面積越大，抽氣位置越均勻越合理，泄入氣體排出越快，真空及鑄型強(qiáng)度穩(wěn)定性越好，塌箱危險(xiǎn)性也越低；另有觀點(diǎn)認(rèn)為，只要整個(gè)鑄型處在一個(gè)負(fù)壓場下，各點(diǎn)的強(qiáng)度應(yīng)該是一樣的。實(shí)則不然。實(shí)踐表明，同一個(gè)鑄型，各點(diǎn)的強(qiáng)度是有差異的。如對(duì)于一個(gè)僅有四壁抽氣的砂箱來說，鑄型的強(qiáng)度往往由砂箱四周向中心逐漸減弱的趨勢(shì)，而砂箱輪廓越大，這種趨勢(shì)越明顯。微觀上來講，砂型強(qiáng)度是靠砂子之間以及砂子與砂箱直接的摩擦力建立的。砂箱四壁和箱帶都對(duì)砂子有較強(qiáng)的摩擦力，也就加強(qiáng)了其附近砂型的強(qiáng)度。某廠在采用V法工藝生產(chǎn)球鐵橋殼過程中，由于砂箱未加箱檔或抽氣管，盡管系統(tǒng)真空度較高，但是鑄型強(qiáng)度及剛性不足，完全抵擋不住球墨鑄鐵凝固過程中的石墨化膨脹，嚴(yán)重脹箱，造成鑄件內(nèi)部組織致密性不夠，同時(shí)分型面產(chǎn)生極大的飛邊，致使鑄件報(bào)廢，如圖8所示。

圖8 球鐵車橋生產(chǎn)用砂箱及廢品鑄件

鑄型強(qiáng)度不夠或者不均勻，在有些具有大平面特點(diǎn)的鑄件生產(chǎn)上，不能很好地減小或防止鑄件在冷卻過程中的變形。有時(shí)候常常為了落砂的簡易性，對(duì)于下箱往往不加箱檔，以利于鑄件直接從砂箱脫出。這是不合理的。上下箱必須都設(shè)計(jì)抽氣箱檔，才能有效保障鑄型強(qiáng)度的均勻性及上下鑄型強(qiáng)度的對(duì)等性。圖9、圖10為某廠生產(chǎn)某種型號(hào)的鐵路側(cè)架鑄件的上下箱結(jié)構(gòu)圖。另外值得一提的是，砂箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，對(duì)于同一套真空系統(tǒng)來講，可能同時(shí)允許接入的砂箱數(shù)量就會(huì)增加，意味著真空系統(tǒng)的利用效率明顯增強(qiáng)。

圖9 側(cè)架鑄造用上砂箱

圖10 側(cè)架鑄造用下砂箱

5 結(jié) 語

不難看出，工藝裝備的結(jié)構(gòu)特性深刻影響著鑄型和鑄件質(zhì)量。在裝備應(yīng)該力求為工藝服務(wù)的共識(shí)下，有必要進(jìn)一步觀察工裝特點(diǎn)如何才能更好地滿足工藝生產(chǎn)要求，以保障鑄型和鑄件質(zhì)量。V法鑄造迎來蓬勃發(fā)展的今天，需要更為合理可靠的工藝工裝來保障，這也需要相關(guān)從業(yè)人員加強(qiáng)溝通交流，以促進(jìn)V法鑄造健康快速發(fā)展。

[1]Herman-Sinto V-Process Company.V-Process Technical Know How Book[M］.North American，1977.

[2]葉升平，周德剛，郝禮.V法鑄造圖片集[M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.

[3]郝禮.V法鑄造工藝關(guān)鍵問題數(shù)值分析及生產(chǎn)線設(shè)計(jì)[D］.武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[4]張海勛.鑄鋼件V法鑄造工藝設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)踐[G］//第十屆消失模與V法鑄造學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2011.

[5]張海勛，張建滿.中小型鑄鋼企業(yè)V法鑄造技術(shù)應(yīng)用注意事項(xiàng)[G］//第十一屆消失模與V法鑄造學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2013.