郭鹏消失模差减壳铸件变形问题的研究for百铸网.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流郭鹏消失模差减壳铸件变形问题的研究for百铸网.精品文档.消失模差减壳铸件变形问题的研究郭鹏，张健（华中科技大学文华学院，湖北武汉，430074） 摘要：铸造毛坯变形是消失模铸造常见的缺陷之一，在机加工时常因毛坯的尺寸公差及形位公差不符合图纸要求而报废。而消失模铸造的变形问题，没有统一的解决方案，引起变形的原因也有很多，要具体问题具体分析。本案例比较全面的考虑了消失模铸造的变形问题，尝试的方法很多，很具有参考意义。 关键词：消失模铸造 铸件变形 震实台The report of LFC casting deformationGuo Peng,

2、 Zhang jianAbstract ：Casting blank deformation is one common defect in lost foam process, due to the dimensions tolerances and geometric tolerances of casting blank do not meet the requirements of the drawings and scrapped. But deformation problem of lost foam process, there is no unified solution,

3、The reason of deformation is also a lot, so the concrete analysis of concrete problems. In this case, more comprehensive consideration of the deformation problem of lost foam process, Many attempts to approach, It has the reference significance.Keywords: lost foam process Casting deformation compact

4、ion table消失模铸造是将用EPS或者STMMA共聚料制成的白模填埋在型砂里，抽真空紧实后由浇口杯浇入金属熔液。消失模模样遇金属熔液汽化形成型腔，金属熔液充盈型腔凝固成为铸件。消失模铸造中使用白模取代传统铸造中的木模和金属模，避免了开箱合箱的麻烦，给工艺设计带来了便易。但由于白模由泡沫制成，强度和硬度相对而言比较低，所以在工艺设计过程中难免会出现白模变形，进而产生了消失模铸造特有的一种铸造缺陷铸件变形。今年年初，湖北十堰某厂生产的差减壳就出现了很严重的变形问题，先后历经数月，终于在今年11月有了很大的改善，本案例笔者感觉很有典型意义，在研究过程中颇有收获，现对此案例做简单总结。今年年初，

5、湖北十堰某厂生产的差减壳如图1。一开始的产品从表面质量而言，铸件不存在缺陷，但在随后的机加工过程中发现铸件不能定位，原先底部的正圆出现变形，而且出现将近40%的废品率。于是就开始着手研究变形问题，但尝试各种方法，一直没有得到根本解决，而且变形方式很有规律，不管白模怎样放置，正圆总是在平行直浇道的方向变长，在垂直直浇道的方向变短。其中一个造型方式如图2。接下来我将就这个厂先后使用过的方法一一介绍一下。 图1：差减壳白模 图2：产品造型方式之一产生变形，我们首先就会想到的方法就是拉筋，对于一般小尺寸的变形，虽然拉筋不能很好的解释为什么会产生变形，也无法根本性的解决变形问题，但可以防止变形问题的产生

6、，大大减少废品率，使铸件满足生产。但我们先后在铸件的各个方向尝试了拉筋，包括用竹条和木条做的拉筋，但可能是变形量比较大的原因，效果都不是很好。因此要解决此案例的变形问题，必须要搞清楚变形的根本原因，进而进行解决。白模在成型后取模时，由于有些几何形状比较复杂，在起模时因气压和水压的作用，以及手工取模时会发生物理拉延变形。同时考虑到由于发泡剂的残余，可能会使白模的尺寸变化，所以对白模的尺寸进行的测量。使用五组白模作为实验对象，在如下三个时间段，对铸件主要变形部位进行测量，结果如下：水平方向平均长度（mm）垂直方向平均长度（mm）成型后510510放置8小时以上510.4510.8烘干后510.15

7、10.2结果发现白模的变形量基本可以忽略不计，说明在白区发泡剂含量、成型机参数以及工人的操作方面比较合理，没有造成白模的变形，也不是铸件变形的主要原因。涂料对于铸件变形的影响，主要体现在涂料的强度（包括低温强度和高温强度）不够，低温强度就是在常温下涂料的强度，直接影响白模在搬运、造型过程中，涂料对其的保护；高温强度体现在浇注时涂料抵御金属液冲刷的能力，高温强度不够在浇注的时候很容易引起涂层的破裂，造成粘砂和变形。该厂先后使用了三种不同厂家的涂料，并且对尺寸进行了统计。但结果发现使用三种涂料产生的产品，变形普遍超过2mm。在垂直造型方式一直没有办法解决变形问题的情况下，我们尝试了将正圆朝上的水平

8、造型方式，结果也在意料之中，虽然可以解决铸件变形的问题，但由于正圆部分为加工面，所以有很严重的碳渣缺陷，不能满足生产需要。随后，我们又考虑了设备的真空系统，从砂箱的构造来看，本真空系统采用的是底抽式的，所以在没有侧抽的情况下，理论上的确会在垂直方向造成真空梯度，进而在垂直方向造成白模受力不均，引起变形。同时如图3，在砂箱的底部，只有在正中间位置有一个真空管道接口，则在底部也会造成真空梯度的分布不均，在真空管道接口的正上方真空度会大些，而在远离真空管道接口的位置则真空度会小些，这样也会造成铸件的受力不均。于是我们在底部抽真空接口正上面加铁板，以削弱此部分集中受力，同时加上侧抽，如图4.使得砂箱中

9、的真空梯度尽量均匀。 图3：砂箱底部结构 图4：增加的侧抽装置底部加铁板的实验一共做了12组；四角抽真空的实验做了6组，实验的数据如下表，从实验的结果中我们可以发现，四角加侧抽的方法，不能从根本上解决问题，实验的6组数据中4组都存在较大的变形问题，1组出现浇不足的现象，实验结果不是很理想；底部加铁板的方案虽然有一定的好转，但12组产品中，只有7组产品变形量控制在1mm左右,显然这同样不能满足生产的需要，看来我们需要尝试其他的方法。但相对前几次实验，本次实验提高的地方还是显而易见的，这是否暗示我们，这个底部真空管道接口的位置以及砂箱底部的结构对本次产品的变形有很多的影响呢？四面负压和底部加铁板数

10、据比较随后我们有尝试了在真空度和保压时间上的变化，提高真空度是砂箱更加紧实；增加保压时间，防止在金属液凝固后期有胀箱的可能性。但从实验的结果来看，效果不是很理想，于是我们开始思考引起变形的关键设备震实台。震实台是消失模铸造必备的关键设备之一，振动的效果直接影响到铸件的成品率、尺寸精度、表面质量以及产品的品质。白模模样变形的问题，这一方面与产品特殊结构有关，另一方面与当前国内的震实台激振力不均匀或者过大有关。该厂先后使用了国内的三种震实台，包括二维震实台和三维震实台，但三维震实台在实际使用过程中很难控制，振动效果不稳定，故已经不采用。对于用于生产的二维震实台，我们的任务有两个：1、检查震实台设备

11、，寻找在设计上是不是有不当之处，影响震实效果。2、测量震实台数据，通过测量砂箱的激振力和观察型砂的流动情况，判断震实过程的充型情况，以确定每一阶段最佳的震动频率。在实际的实际的检查中，我们的确发现了震实台出现了一些问题。震实台定位桩螺钉长度不合理，如图5。在不断加砂的过程中，随着震实台承受的重量增加，震动过程过长定位桩螺钉与砂箱呈刚性撞击，冲击力较大，出现“咚咚咚”的声音，怀疑对造型过程有一定的影响。随后我们进行了数据测量。在振实过程中，使用点检仪检测加速度及振幅的变化情况。对加工前的砂箱，在300mm和500mm两个位置，进行不同频率的测量，后将螺钉加工车削，使得螺钉明显凹陷于尼龙垫片内，再

12、次使用点检仪进行测量。定位桩螺钉加工（车削）前、后检测数据频率砂高度300mm500mm加工前加工后加工前加工后35Hz加速度a/ Hz7.819.553.963.6振幅A/mm344.55223.845 Hz加速度a/ Hz13.8012.648.4111.2振幅A/mm308.44431.247 Hz加速度a/ Hz14.668.2414.2振幅A/mm540.3363.41500.248 Hz加速度a/ Hz19.2216.708.5615.9振幅A/mm632.71593.8296.95548.3通过检测的数据可以看出，发现当高度为300mm时，只有一个定位桩螺钉与砂箱底部呈点接触，并

13、不严重，认为砂箱重量不够，故产生结果不明显。后加砂到500mm时，发现原点接触的定位桩螺钉出现圆弧接触，另一个定位桩螺钉呈点接触，随着频率的增加，改进前加速度和振幅都呈螺钉和砂箱刚性接触波动性变化，改进后加速度和振幅都呈现递增的趋势，参数变化比加工前稳定很多。图5：螺钉和砂箱的接触要获得良好的震实效果，震实台需要在使用过程中不断的调试，因为虽然有一些公式可以计算出震实台所需的频率，但实际生产中往往有很多不确定因素，所以通常通过测量一些参数以及实际的填充效果来获得最理想的振动频率。(1)振幅：可用来表示被振动物体的实际偏移量，或表示被振动物体的加速度，一般在0.5mm-1mm范围内。 (2)振动

14、加速度:反映型砂对模型的冲击，和铸件的变形有直接的关系，实践证明，加速度在1G1.7G范围比较理想。振动初期加速度大或振力加载时，干砂密度上升很快，但模样容易产生倾斜和上浮现象。干砂充型：为了保证充型的砂量，要求是高频低振幅，充型效果好，但一般时间不超过20s。干砂紧实：实践证明，对于每一个阶段，当频率小于75Hz时，提高加速度反而会降低干砂的最大密度；只有当密度较高时，才能使用较大的振动强度来提高密度。垂直振动时振动强度提高一倍，砂子的充填高度也相应提高，但并不是一倍的关系，而是2的平方根的关系。水平振动时，紧实可在低频高强度下获得紧实。另一方面，应避免产生共振，导致振幅过大是非常重要的，共

15、振往往是模样变形、干砂疏松的根源，必须加以制止。（3）振动时间：振动时间是对振动效果的保障，但并不是越长越好，对于薄壁件，充型20s以内就能达到最大密度，间歇振动适宜于厚大件。（4）振动方向：砂箱的振动是以复杂多种振动复合而成的复杂振动，对于垂直振动来说，表面看起来干砂运动方向是从中心往上，沿砂箱壁向下，因而在放置底部平封的工件模样时，砂子会在模样下平面有一个向上的冲击。一般情况下模样需要倾斜放置，模样上内腔的进砂口应放在正对着短面。对于水平振动来说，模样上内腔的进砂口应与振动方向一致。震实台的检测和调试花费了我们很长的时间，先后也有请过相关专家指导，从参数上大致符合要求，但最后产品的变形量有

16、34mm，根本不能满足生产的需要，虽然震实台还有很多其他的问题存在，但从实验的效果看，可能不是主要原因。砂箱有单层和双层的。在设计和制作时，如果钢板使用厚度不够，或者双层沙箱中间没支撑，则在震实和浇注的时候，砂箱产生变形，进而增加了铸件变形的可能性。该厂所用的砂箱如图6、7所示。图6：砂箱底部真空接口结果 图7：砂箱底部结构经过检查砂箱的底部结构，我们发现，此砂箱还是存在一些问题的，首先砂箱底部的栅网是一块平板，没有很好的支撑，存在变形的可能，在使用过程中，型砂的温度会很高，底部的栅网难免会因为高温膨胀、软化，使型砂产生位移，引起铸件变形；同时定位柱地板与底部栅网之间是没有直接接触，虽然上下之

17、间有圆柱连接，但圆柱和上下两块铁板的点焊并不可靠，所以导致震实台的振动力不能很好传递到底部栅网，造成传力不均匀。针对这些问题，我们在栅网和地部地板之间焊接槽钢。一方面增加底部大平面栅网的稳定性，使其不易变形，同时使砂箱底面的传力更加均匀。生产产品的结果让我们大吃一惊，实验的两件产品变形量控制到0.8mm。为了进一步验证改造后的砂箱的确有良好的效果，我们又进行了相关数据的测量，新旧砂箱底砂200mm，每加100mm，测试7个频率的加速度数据，实验数据如下：高度频率35 Hz38 Hz40 Hz43 Hz45 Hz48 Hz50 Hz200旧15.0517.0717.3517.4321.8718.

18、8417.34200新7.565.949.5810.9416.8918.0625.74300旧4.3911.5012.8719.3323.0821.2617.68300新7.818.749.259.2313.8019.2218.14400旧5.377.8410.7617.6616.4018.7016.57400新3.123.248.598.778.0417.8318.74500旧5.127.438.6712.8816.6115.0517.79500新3.967.278.328.548.418.5612.53600旧3.827.368.7311.2414.5315.8813.70600新4.26

19、2.572.046.447.607.5310.19700旧3.525.578.1810.5413.3017.0917.60700新3.702.692.027.577.377.928.48800旧2.964.547.5511.1713.1116.5416.32800新4.952.462.279.398.188.199.86由上表可以发现，砂箱改造前后，加速度的变化比较明显。对于旧砂箱，当高度小于600mm时，随着频率的递增，加速度呈“正态分布”曲线变化，即当频率在35Hz45Hz递增时，加速度逐渐增大，在45Hz时达到最大值；随着频率的继续增大45Hz50Hz，加速度呈降低趋势，且在整个变化过程

20、中，峰峰值较大，变化范围在0.3G2.3G内。而改造后的新砂箱，在同一高度下随着频率的增大，加速度呈平稳递增的趋势，且变化范围在0.3G1.9G内，在消失模造型振实过程中属较好的参数范围；在同一频率下，随着砂高度的增加，加速度平稳减小。此外，在测试过程中发现，新砂箱的共振、砂不动等不合格现象明显少于旧砂箱，且振实声音沉闷，震动平稳。综上所述，砂箱改造后，其刚度和强度明显增加，而砂箱底部的刚度对震实砂流和砂粒跳动影响比较大。刚度低，砂流不平稳，同时容易产生震实力传递不均匀和型砂流动不均匀，从而对黄模不同高度和不同区域的作用力不均匀，导致最后的铸件变形。至此，该厂的铸件变形问题有了实质性的进步，目

21、前厂内正在进一步的改造砂箱，增强砂箱的刚度和重量；同时进一步优化震实台的效果，以观察在批量生产中的效果。对于这个历经半年多的铸件变形问题，我们发现了很多，也学到了很多，但回头再来看待这个问题，我们有必要总结下，因为中小规模的企业很难能在一件产品上坚持半年多不生产，所以我们必须寻找快速有效的解决问题的方法。回顾铸件变形的问题，我们发现，此铸件的变形特征特别有规律，总是在平行直浇道的方向变长，垂直直浇道的方向变短，所以我们应该重新审视下，铸件可能变形的各个环节。白模不存在变形的问题；涂料对铸件的变形是不规律的；在造型时，主要是由于工人操作问题以及加砂时不均匀会对最后的产品造成变形，这同样是无规律的

22、，在生产了这么多批次的情况下，不会变形的如此有规律；接下来是震实台，震实台对铸件的变形有很重要的影响，保留其意见；由于采用的是底抽的抽真空系统，在垂直方向会造成真空度梯度，使黄模受力不均，引起变形，所以也保留意见；在浇注过程中引起的变形，一方面对此的研究没有可以参考的文献资料，同时其中的变形原理也很难量化，并且存在不稳定的因素；砂箱底部的刚度对铸件的变形也有很大的影响，底板刚度不够，会造成型砂不规则移动，挤压黄模，造成最后铸件变形。综上所述，针对该厂的铸件变形情况，笔者认为，首先应该从底抽的真空系统、震实台、砂箱的结构这几个方面着手去分析，其他的因素是铸件变形的潜在原因，但对于本案例不做优先考

23、虑。接下来我们就针对铸件的结构具体分析上诉的三个因素。如图8所示，铸件的造型方式可以简化成一个垂直放置的圆，在竖直方向拉长，水平方向缩短，我们可以试想下，也就是说在黄模在垂直方向受到拉力（顶部受到向上的拉力，底部受到向下的拉力），使其拉长形成椭圆形，进一步分析可得，在黄模的顶部主要受型砂对其上顶和下压的力，一般情况下型砂对其下压的力要大于上顶的力，除非在震实台的作用下，使型砂上翻，进而使型砂上顶的力大于下压的力，造成顶部受到向上的拉力；在黄模的底部主要受型砂对其上顶、下压的力和抽真空时向下的吸附力，在此过程中，由于各种原因，在型砂局部下移，造成对黄模的向下挤压，因而底部受到向下的拉力，在这种情

24、况下，底抽的真空系统以及砂箱底部的刚度将是主导原因。图8：黄模的受力分析示意图根据以上的分析，我们可以做这样的假设：砂箱本身结果和真空系统是主要原，震实台的因素是次要原因。因为从上诉的分析来看，一方面黄模底部受向下的压力更合乎常理。要使顶部受到向上的拉力，除非在震实台的作用下，使型砂上翻，进而使型砂上顶黄模，但震实台对型砂的振动是整体的，同时也是存在可变性因素的，一方面如果震实台使型砂上翻，则在此垂直方向，型砂是整体上翻的，黄模可能是整体上移或挤压开裂，不会在同样垂直方向，一部分上移，一部分下移，另一方面震实台对于变形的原因相对与前面两个原因，不确定的因素更大，所以在实际解决问题的时候，优先考

25、虑砂箱本身结果和真空系统的原因，其次是震实台的原因，最后是其他原因。对于此案例，我们可以得出这样的一个经验：对于有规律的铸件变形，从铸件结构和受力方向入手更易找出问题；对于无规律的铸件变形，应从生产的各个环节考虑，逐一排除。对于该厂这次铸件变形的案例，前前后后历经了半年多，在此过程中我们也发现了一些问题。比如：1、砂箱的重量，砂量少时对于震实台过轻，产生高频、低频的共振现象，从而加重黄模分层加砂时的晃动，产生涂料开裂、塞砂开裂和浇口粘接的位置的开裂等问题，影响震实效果。2、震实台和砂箱的连接部位的相互位置度对砂箱尤其是砂量少砂箱轻的情况下的影响比较大，产生共振，砂流不均，需要震实台定位准确。3、震实台底锥的尼龙垫的侧面间隙不宜过大，间隙有利于控制理想的振幅和加速度。实验中发现当间隙从2mm变大到4.5mm，加速度数值翻了一倍。对于以上的几个问题，我们也没有找到合适的理论依据和量化标准。笔者深刻认识到消失模铸造的研究任重道远，在实验过程中，有很多方面缺少理论的支持，比如：砂箱的重量相对震实台的大小；震实台定位桩相对位置；震实台定位桩与砂箱间隙的大小等等。在设备方面国内只是模仿了国外优秀设备的形，对于更重要的理论支持，国内做的还相当的少，所以像我们这些消失模技术的研究人员需要不断的发现问题、解决问题，将消失模铸造的研究从实践上升到更加深入的理论研究。