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(yè)學(xué)院 材料工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

鑄造是將液態(tài)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(fā)展歷程最早可以追溯到公元前三千年,春秋戰(zhàn)國時(shí)已形成燦爛的青銅鑄造文化[3],公元前六世紀(jì)出現(xiàn)了鑄鐵冶煉技術(shù);工業(yè)革命后,機(jī)床等機(jī)械設(shè)備的需求量逐漸增加,鑄造進(jìn)入快速發(fā)展階段。至上世紀(jì)末,鑄造已發(fā)展成為針對不同零件可采取不同方法和工藝的成形技術(shù)。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(jù)粘結(jié)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(shí),集工藝設(shè)計(jì)、造型、制芯、澆注和清理等于一體的比較完整的鑄造工藝設(shè)計(jì)及生產(chǎn)體系也逐漸形成[4-5]。

當(dāng)前,受先進(jìn)制造、信息與通訊、人工智能等技術(shù)的影響以及綠色環(huán)保要求,鑄造行業(yè)正在經(jīng)歷著大變革。這不僅需要技術(shù)創(chuàng)新,而且還需要對所使用的材料和生產(chǎn)流程進(jìn)行不斷地創(chuàng)新與優(yōu)化。例如,將信息與通信以及人工智能技術(shù)結(jié)合在一起的成像技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)零件的即時(shí)測繪和輔助設(shè)計(jì),極大地節(jié)約了生產(chǎn)中的準(zhǔn)備時(shí)間[6-7];又如,3D打印技術(shù)引入鑄造生產(chǎn)后,可以快速準(zhǔn)備模樣或鑄型,從而可以快速檢驗(yàn)工藝是否合理[8-9];再如,鑄造生產(chǎn)時(shí)應(yīng)盡量減少樹脂和固化劑等化學(xué)物質(zhì)的使用量,盡量滿足環(huán)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(fù)使用,但加工工期長、價(jià)格昂貴;而消失模鑄造所使用的泡沫模,雖然加工周期短、價(jià)格低廉,但澆注時(shí)在高溫金屬熔體作用下,泡沫模燒掉后產(chǎn)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(jié)約成本和縮短生產(chǎn)周期為出發(fā)點(diǎn),重點(diǎn)對軸承座進(jìn)行研究試產(chǎn),探索泡沫模直接代替木模的樹脂砂鑄造生產(chǎn)的可行性及其特點(diǎn),為實(shí)際鑄造生產(chǎn)提供工藝改進(jìn)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

圖1(a)是所要試產(chǎn)軸承座的零件圖,圖1(b)和(c)是根據(jù)零件圖繪出的三維立體圖,材質(zhì)選用球墨鑄鐵。首先根據(jù)該零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、壁厚分布和材質(zhì)要求進(jìn)行工藝性分析,討論泡沫模代替木模后樹脂砂鑄造生產(chǎn)的可行性,確定鑄造工藝方案并設(shè)計(jì)工藝圖,期間利用Procast模擬軟件分析充型過程;然后根據(jù)工藝方案制作泡沫塑料模樣,參照樹脂砂鑄造生產(chǎn)流程依次進(jìn)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(jù)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)檢測毛坯外形和缺陷是否符合要求;最后,根據(jù)檢測結(jié)果全面討論并分析泡沫模代替木模后進(jìn)行樹脂砂鑄造生產(chǎn)的可行性與特點(diǎn)。

圖1 主軸箱零件圖與立體圖

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝設(shè)計(jì)

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(cè)表面對稱分布四個(gè)尺寸相同的螺紋孔,另有四個(gè)圓形凸臺和一個(gè)方形凸臺觀察通孔;軸承座內(nèi)部中心附近布置有兩條厚度為20 mm的加強(qiáng)筋,加強(qiáng)筋的中心位置各有一個(gè)矩形通孔;兩側(cè)端面帶有圓弧法蘭,用于固定軸承。需要注意的是,鑄件兩側(cè)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)提前采取預(yù)防措施?？傮w來講,該軸承座結(jié)構(gòu)簡單,無異型結(jié)構(gòu),便于分型和起模,適合鑄造生產(chǎn),工藝設(shè)計(jì)時(shí)不需要對零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)或優(yōu)化。

模樣材質(zhì)選用聚苯乙烯塑料,該材料的主要性能參數(shù)如表1所列。與木材和金屬相比,泡沫塑料質(zhì)軟且輕、熔點(diǎn)低、易于切割和轉(zhuǎn)運(yùn),因而能夠?qū)崿F(xiàn)快速加工的目的;缺點(diǎn)是強(qiáng)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(diǎn)規(guī)避而充分利用其優(yōu)點(diǎn)制備模樣,也可進(jìn)行單件或數(shù)量較少的鑄件生產(chǎn),可制備使用一次或幾次的模樣進(jìn)行生產(chǎn)。

表1 聚苯乙烯性能參數(shù)

根據(jù)以上內(nèi)容和樹脂砂特點(diǎn)設(shè)計(jì)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(jìn)行機(jī)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(yīng),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(shí)需在上箱設(shè)置吊鉤或在型芯下面放置與鑄件相同材質(zhì)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(jié)構(gòu)時(shí),中間圓弧狀型芯將下部分型腔分為左右兩部分。液態(tài)金屬澆入型腔后,首先向靠近內(nèi)澆道一側(cè)的型腔進(jìn)行填充,只有當(dāng)液態(tài)金屬填充超過圓弧狀型芯的最高點(diǎn)后才能流入對側(cè)型腔,但此時(shí)容易形成圖3(a)中箭頭標(biāo)明的紊流,容易引起夾渣和氣孔等缺陷。為此,可考慮在內(nèi)澆道口附近加設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)果對比

由于泡沫塑料強(qiáng)度較低,工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(yù)防措施。對于尺寸較大的型芯類模樣,容易產(chǎn)生脹形,可考慮在其外圍增設(shè)加固結(jié)構(gòu),如壓鐵或其它重物;對于型腔類模樣,由于填砂時(shí)受到的是壓力,適當(dāng)預(yù)留余量即可;而對于加強(qiáng)筋類結(jié)構(gòu),受到壓力后不僅厚度會變小,而且還會產(chǎn)生變形,因此在制樣時(shí)需要及時(shí)觀察,一旦出現(xiàn)變形應(yīng)立即糾正。需要特別說明的是,對于型芯和加強(qiáng)筋等包覆在砂型內(nèi)的模樣,填砂后模樣受到樹脂砂擠壓產(chǎn)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(jié)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(diǎn)及要求,設(shè)計(jì)得到軸承座的泡沫模砂型鑄造工藝,如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的鑄造工藝圖

2.2 現(xiàn)場生產(chǎn)

首先按照工藝圖準(zhǔn)備模樣,再依次進(jìn)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(jīng)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(yīng)的樹脂砂型腔和型芯。通過生產(chǎn)發(fā)現(xiàn),由于法蘭、2#型芯座和凸臺等結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在木模中可以設(shè)計(jì)成活塊形式,以順利達(dá)到脫模的目的;但對于單件生產(chǎn)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(yīng)注意掌握時(shí)間,以免長時(shí)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(jìn)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(chǎn)工序完全相同。圖6是利用泡沫模代替木模生產(chǎn)得到的軸承座鑄件毛坯。經(jīng)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(chǎn)的軸承座實(shí)物圖

2.3 分析與討論

對鑄件毛坯的檢測結(jié)果可知,用泡沫模代替木模進(jìn)行樹脂砂鑄造生產(chǎn)完全可行。其最大優(yōu)點(diǎn)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(shè)計(jì)和后續(xù)生產(chǎn)過程中予以充分考慮:①成本與產(chǎn)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(dāng)需要兩件或五件以內(nèi)的鑄件時(shí),應(yīng)從材料成本、加工模樣周期、耗費(fèi)的工時(shí)和模樣、可利用次數(shù)等角度進(jìn)行綜合考慮,可通過犧牲部分結(jié)構(gòu)而盡量保護(hù)模樣主體,如圖5(a)中所示的凸臺結(jié)構(gòu),通過少量膠水輕輕粘結(jié)在泡沫模主體的外側(cè),以保證脫模時(shí)能夠與泡沫模的主體順利分離;超過五件時(shí),不再建議使用泡沫模生產(chǎn);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(zhì)量較差,可在保證不起皮的前提下適當(dāng)增加泥膏厚度并輔之以涂料進(jìn)行改善;④造型制芯時(shí)泡沫模樣易變形,可通過增加加固措施進(jìn)行預(yù)防。

3 結(jié) 論

借助于試產(chǎn)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(chǎn)工藝的可行性及其優(yōu)缺點(diǎn),得到的主要結(jié)論如下。

(1) 利用泡沫模代替木模生產(chǎn)時(shí)其工藝完全可行,并具有加工周期短、價(jià)格低廉和工藝簡單等優(yōu)勢,特別適合單件鑄件生產(chǎn),也適合個(gè)位數(shù)鑄件生產(chǎn)。

(2) 造型和制芯過程中,強(qiáng)度較低的泡沫模容易變形,進(jìn)而會引起型腔或型芯變形,可以在模樣外圍增設(shè)加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)防。

(3) 焙燒埋置深度較大筋板類的部分模樣時(shí),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(chǎn);如果對模型結(jié)構(gòu)處理得當(dāng),還可用于一模多鑄件的生產(chǎn);對結(jié)構(gòu)簡單的鑄件,也可推廣進(jìn)行批量生產(chǎn)。