精确砂型铸造技术

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摘要 通过制动鼓为例进行精确砂型铸造试验,得到尺寸精度高、表面质量好的铸件,表明所选用的转移涂料在起模后涂层可以完整地转移到砂型表面,能精确复制出模型的外形和内腔的形状。研究认为快速成型技术与转移涂料技术相结合是实现精确砂型铸造技术的可行方法。

关键词 RPM技术;转移涂料技术;精确砂型铸造

中图分类号:TG242 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2010)06-0069-03

Sand Casting Precision Technology//Sang Luping, Yang Siyi

Abstract Brake drum is taken example for studying Sand Casting Precision technology. Foundry processes and technological equipments are designed according to the precision technology characteristic. The coating can be transferred smoothly during striping and copy the shape of RP molds accurately with Phenol Formaldehyde Resin Sand at the foundry field. Brake drum castings are produced by this technology with a good surface roughness and high dimensional accuracy. This study indicates that it is an effective method improving sand casting precision to realize precision casting by using sand casting precision technology.

Key words rapid prototyping manufacturing; non-occupying coating technology; sand casting precision technology

Author’s address School of Machinery Engineering, Shandong University of Technology, Zibo, Shangdong, China 255049

1 精确砂型铸造技术的产生

铸造是一个传统产业,在机械制造业中占有非常重要的位置。铸造生产具有使用范围广、可制造合金铸件、铸件的尺寸精度高和成本低廉等特点。在铸造成形工艺中,最普遍的生产方法是砂型铸造,砂型铸造的铸件约占铸件总产量的90%以上。

我国的铸造技术已有6 000年的悠久历史,在商朝时期已创造了灿烂的青铜文化。近几年我国铸件的产量已达每年1 000万吨,涉及国民生产的各行各业。如成功铸造出约315吨大型厚板轧机的铸钢机架和30×104 kW水轮机转子等复杂铸件,其尺寸精度达到国际电工会议规定的标准,反映出我国铸造工艺水平正在日益提高,并且正在接近国际水平。

现代工业生产的发展对铸件质量的要求越来越高,单纯从铸件机械加工考虑,由于采用加工中心、数控机床和自动加工线的工厂增多,要求铸件不仅起模斜度不能大(以便用夹具定位)、机械加工余量尽可能小(以提高加工效率,降低加工成本)、硬度切忌超标(如过硬,会增大加工刀具的磨损,影响加工精度,降低加工效率,使自动加工线无法正常运转),而且内在质量也要好(如果铸件在机械加工过程中出现由于铸造缺陷而导致报废,不仅会影响信誉,还可能引发退货及索赔)。

近些年来,国外兴起一种以提高产品零件的质量(特别是外观质量)为中心的近净形化技术(或叫近无余量技术,near net shape processes)。它涉及金属材料成型的多种工艺方法,诸如热模锻造、冷挤压、冲压、粉末冶金、焊接、铸造等。铸件是利用液态金属直接成型的。从实现铸件的近净形化的难易程度看,与其他成型方法比较,铸造均具有独特的优越性。要在近净形化技术竞争中取胜,使铸件的尺寸精度和表面质量接近产品的最终要求,达到无余量或少余量,首要解决的问题是进一步改善铸件表面质量:降低表面粗糙度值,提高尺寸精度,减少或消除表面缺陷。从生产铸件的工艺方法来看,迄今为止,砂型铸造仍是生产各种合金铸件最经济的方法,它的成本低,生产灵活性大,使用范围广。因此,如何确保铸件质量,怎样以最少的代价、最低的投入稳定地生产出优质铸件,是铸造科技人员必须解决的课题。近年来,精确砂型铸造得到铸造界的普遍关注。

精确砂型铸造是指采用型砂作为铸型,以近净形、零缺陷铸造为目标的各种铸造方法的总称。砂型铸造工艺生产成本低、设计柔性好、生产率高、应用范围极广;而近净形指的是铸件的外部精度,零缺陷指的是铸件的内在品质。近净形、零缺陷铸造是铸件内、外品质的最高体现。

为了得到近净形、零缺陷铸造的铸件,实现精确砂型铸造,本课题从铸模和铸造涂料技术2个方面进行研究。采用快速成型制造技术得到尺寸精度高、表面质量好的铸模,同时应用转移涂料技术得到近净形、零缺陷铸造的铸件。

2 快速成型制造技术

2.1 快速成型技术简介快速成型制造(Rapid Prototyping Manufacturing,RPM)技术是20世纪80年代后期掀起并迅速发展起来的一项先进制造技术。该技术源于美国,很快发展到欧洲和日本等国,堪称20余年来制造技术的一次革命性的发展[1]。

RPM是一种基于离散/堆积原理的新型成形技术,集成计算机、数控、激光和新材料等新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。它采用材料加工的方式自动完成由CAD模型到物理模型的转换,快速制造出产品零件或原型。在砂型铸造转移涂料技术精确成形技术中可应用快速成型技术制造铸造用模。这样模样的制造周期短,精度高。

美国Stratasys公司开发出融积成形的FDM快速成型机,FDM快速成型系统操作简便,速度快,质量高,能用多种成形材料,是产品设计及开发的理想工具。美国在这方面一直处于领先地位,日本和欧洲一些发达国家都投入大量资金进行开发研究[2]。

2.2 主要的快速成型技术

1)立体光固化(Stereolithography Apparatus,SLA)。该方法是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法。其优点是能直接得到类似塑料的树脂件,且表面粗糙度较小。

2)分层实体制造(Laminated Object Manufacturing, LOM)。其优点主要是模样尺寸精度较高;激光头只需对模样轮廓线进行切割,制作效率高。缺点是表面粗糙度较高,工件表面有明显的台阶纹。

3)选择性激光烧结(Selected Laser Sintering, SLS)。其优点主要是可直接得到塑料、陶瓷或金属件,可加工性好;无需设计支撑。其缺点是成型件结构疏松多孔,表面粗糙度较高。

4)熔积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)(图1)。其优点主要是能直接制作ABS塑料件,尺寸精度较高,材料利用率高。其缺点主要是表面粗糙度较高,需后处理;成型时间较长。

2.3 RPM的应用国内一些大型企业如海尔、小鸭、科龙、春兰等纷纷购买快速成型机,用于开展产品设计和模具制造方面的服务,取得很好的效果。

3 转移涂料技术

3.1 转移涂料技术简介转移涂料技术最早是出现在20世纪70年代,是日本小松制作所提出的小松(Komatsu)—山西(Yamanishi)法,简称K-Y法[3]。目前日本对K-Y法研究较多,已有K-Y法的专用涂料和芯盒制作的专利,并形成机械化生产线。

我国是从20世纪90年代初开始研究转移涂料技术的[4]。袁寿民研究了加热硬化的转移涂料工艺;华中理工大学、南昌航空学院对转移涂料技术已经进行不少研究,方法各具特色;上海交通大学开发了涂层转移精密铸造技术并为汽车行业制作了多类模具。

转移涂料技术,其工作原理是将涂料直接喷刷到芯盒或模样表面,然后填砂、紧实,涂料层和型(芯)砂在芯盒的约束下同时固化,起模时涂料能从芯盒或模样表面转移到砂型(芯)表面,从而制得带有涂料的精密砂型(芯)。由于这种工艺方法所形成的涂层不占据型腔的有效位置,故称为非占位转移涂料法,亦称转移涂料法。

3.2 转移涂料技术的优点采用这种方法不会影响型(芯)的尺寸精度,涂层可完美地复制出模样或芯盒的表面,不存在刷痕、流淌、堆积等涂料表面缺陷,能获得精密光洁的铸件,可与熔模铸造相媲美,而其成本仅相当于或略高于普通砂型铸造,生产效率可大大提高。其优点可概括为6个字,即精密、洁净、高效。具体表现:1)可以大量生产同类型、高质量而且稳定的铸件,且铸件尺寸精度和表面光洁度较高,从而实现少切削或无切削加工;2)能进一步简化生产工艺过程,缩短生产周期,便于实现生产工艺过程的机械化、自动化,提高劳动生产率,改善劳动条件,使铸造工厂(或车间)绿色化;3)可大量减少生产原材料的消耗,降低生产成本,获得良好的经济效益和社会效益。

3.3 转移涂料必须具备的基本要求[5,6]1)能均匀地湿润模型或芯盒的表面;2)在树脂充满砂型或芯盒前,涂覆在模样上或芯盒内的涂料不会立即硬化;3)涂料的硬化时间必须与树脂砂的硬化时间基本一致;4)涂料与树脂砂硬化以后,前者必须紧紧粘附于树脂砂上而不产生空隙;5)取芯时,涂料和型芯必须是一个整体。

转移性涂料的性能要求基本上与传统涂料一致,但由于转移性涂料采用的是“先上涂料,后造型”的工艺,因此对某些性能,如与触变性有关的性能要求,不如传统涂料要求的那么高,而对涂层的硬化速度、涂层与模样以及涂层与砂型间的附着力方面有特殊的要求。转移性涂料对砂型应具有高的附着能力,而对模样表面的附着能力要低,以保证涂层完整地转移到砂型的表面。

涂层的转移是转移涂料技术的主要特点。涂料转移的基本条件是涂料与型(芯)砂的结合强度(σT-S)要大于涂料与模样或芯盒的结合强度(σT-M)。

3.4 铸造涂料的组成铸造涂料一般由耐火填料、液态载体、悬浮剂、粘结剂及其他添加剂构成。正确选择与合理使用这些组分是获得优质涂料的关键。

1)耐火填料的选择原则及性能要求与普通砂型铸造涂料基本相同。耐火填料是涂料中的最主要组分,在涂料中的质量分数通常高于50%,它的物理和化学性能在很大程度上决定了涂料的使用效果。耐火填料的选择取决于浇注的金属、造型的材料及可能产生的缺陷等。常选用石墨、滑石粉、高铝矾土等几种耐火材料。

2)载体液体的作用是使耐火粉料分散或悬浮在载体液体内,使涂料保持一定粘度和密度,便于喷涂、浸涂、流涂或刷涂到型、芯工作表面。可用的载体液体有水、乙醇、甲醇等。

3)悬浮剂是稠化载体液体,促使涂料中耐火粉料在载体液体中保持悬浮,防止沉淀、分层和防止载体液体过分渗入造型材料而加入的物质。转移涂料常用的悬浮剂有膨润土、羧甲基纤维素、海藻酸钠等。

4)粘结剂的作用在于把涂料中的耐火材料颗粒相互粘结起来,并且在金属液进入铸型时也能有效地将耐火材料粘结在一起,并牢固地附着在铸型基底上以防止金属液对涂层的冲刷。水基涂料常用的粘结剂有水溶性合成树脂、聚醋酸乙烯乳液(乳白胶)、淀粉等;醇基涂料常用的粘结剂有松香、漆片(虫胶)、PVB等。

4 精确砂型铸造技术试验

4.1 试验理论将快速成型技术与转移涂料技术相结合应用到砂型铸造中实现精确成形,提高铸件的外部精度和内在品质是本课题的研究内容。在研究中全面应用CAD/CAM等先进手段,设计模样;结合快速成型技术,快速制造高质量的铸件;利用转移涂料的涂层转移技术提高铸件精度和表面质量,达到铸件精确成形的目的。

4.2 试验过程利用现有实验室设备条件,试验研究对象为灰铸铁件砂型手工铸造工艺。以制动鼓为研究对象,对其砂型铸造的精确成型工艺进行研究。制动鼓的结构如图2所示,铸件毛坯外形如图3所示。

拟定精确砂型铸造技术成形工艺的技术路线如图4所示。

1)铸造工艺设计。

2)利用UG软件完成铸造用模的计算机设计造型工作,在FDM3000快速成型机上生成ABS实体模型。

3)造型材料选用酚醛树脂自硬砂,根据转移涂料的工艺性能,研制合理的涂料配方,并对涂料性能进行测试,分析影响涂料附着强度和涂层强度的因素。

4)在ABS模样上喷刷涂料,填砂造型。中频炉熔炼铁水,浇注,得铸件。

涂料成分及配比(重量%):

耐火填料:鳞片石墨,1;土状石墨,4;高铝粉,85;滑石粉,10。

粘结剂:水玻璃,6;白胶,20。

悬浮剂:膨润土,3;CMC;0.2。

添加剂:氧化铁粉,6。

5 结束语

1)试验结果表明,所研制的转移涂料在起模后涂层可以完整地转移到砂型表面,并能精确复制出模型的外形和内腔的形状。浇注的铸件尺寸精度达6～7 CT,表面光洁度可达3.2～6.3 Ra/μm;比传统砂型铸造尺寸精度高,表面质量好。

2)将快速成型技术与转移涂料技术相结合可实现精确砂型铸造成形技术,能提高铸件的外部精度和内在品质。

3)需进一步分析各工艺因素对涂层转移的影响,确定提高涂层转移质量的工艺措施。

参考文献

[1]王运赖.快速成型技术[M].武汉:华中理工大学出版社,1999

[2]杨思一,尹占民,仪垂杰.快速成型技术研究发展现状及其应用前景[J].山东工程学院学报,2001,15(3):14-17

[3]袁寿民.转移性涂料的研究[J].铸造,1990(11):20

[4]朱纯熙.涂层转移造型法[J].造型材料,1991(2):42-45

[5]凌宏江,王文清,戴绪绮.涂层转移造型精铸法研究[J].江汉大学学报,1996,13(3):36-39

[6]石莹.基于转移涂料技术的砂型铸造精确成形技术[D].山东理工大学,2004

[7]石莹,杨思一.基于转移涂料技术的砂型铸造精确成形技术[J].山东理工大学学报:自然科学版,2003,17(6):76-79

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