消失模工艺设计

消失模工艺设计内容摘要：

注后模型被消耗掉，但有的模型可以在浇注前含粘结剂的型砂中取出。 大型铸件包括机床床身仍然使用这种生产方式，含有化学粘结剂的型砂在模型周围紧实硬化，取出模型后再合箱浇注。 第二章 消失模铸造工艺 的优点 消失模工艺具有明显的工艺和设计上的灵活性，这是传统铸造工艺做不到的，除了改善环境外， EPC工艺最基本的优点是取消了分型面、不使用含粘结剂的铸型以及砂芯、提高铸件的精度， EPC工艺省去了传统铸造工艺的混砂、造型、填砂、椿砂、振动、压实、刮砂、制芯硬化、拔模、合箱、浇口切割和费时的落砂等工序。 传统的铸造工艺，型砂紧实后必须起模才能形成型腔，因此要求模型必须设计足够的拔模斜度（≈ 3176。 ）才能够起模，传统铸造工艺中的分型面表示模型的起模方向并限制了一个砂箱中所有容纳的铸件数，一般不太可能围绕直浇道布置多层铸 件，分型面也限制了浇口和冒口的位置，使浇口和冒口不得不放在要求尺寸精确的表面上，铸件清除浇冒口的位置，使浇口和冒口不得不放在要求尺寸精确的表面上，铸件清除浇冒口使尺寸精度受到影响，必须由机加工来修正。 传统铸造工艺中的合箱操作也会影响铸件的尺寸精度，合箱时上下箱之间的错箱误差一般为，铸型和砂芯之间的偏差也基本是这个数值，消失模铸造工艺采用泡沫塑料模型消除了错箱，这是铸件的尺寸精度提高原因之一。 传统铸造工艺中，砂芯与芯座之间以及砂箱之间的间隙，在浇注过程中会渗入金属液，产生飞边，清理铸件时必须清 除掉，清除飞边也会引起铸件尺寸的变化。 采用泡沫塑料模型可以减轻模具的磨损，消除飞边，保证壁厚均匀，改善了尺寸控制，铸件接近模型的复制，高精度的模型直接反映出高精度的铸件。 由于干砂充满模型的空腔，而由模型热解后产生的气体和液体体正常地排出，就可以不用砂芯，干砂充填模型空腔只需在模型上有一个小孔，而不需要传统铸造工工艺中的大砂芯，传统的砂芯由芯撑和芯座支持固定，在浇注时有可能发生偏移使铸件内腔尺寸不精确，并使铸件的壁厚发生变化。 消失模工艺不用砂芯，使得具有复杂的内腔通道甚至多通道的铸件都能够生产出来。 铸 件壁允许呈曲面，壁厚可以不均匀，用 EPC工艺生产的水泵壳体铸件相当光滑，出水量提高了 12%，重量降低了 25%，成本大大降低，取消砂芯也就取消了通常用于生产砂芯所必须的模具，芯砂混碾、造芯、紧实、硬化和清除砂芯，砂芯，砂芯结疤、破坏、与砂芯有关的气孔和其它由于砂芯硬化引起的问题也就不复存在了。 取消芯座、芯撑、消除飞边，也降低了铸件的清理工作量，有报道称，清理车间的费用因此而降低 80%。 EPC工艺所生产的铸件尺寸精度提高，减少了机加工量，据报道， EPC工艺的尺寸精度超过了湿型工艺和树脂工艺的精度（接近精密铸 造），例如，通常孔需要加工制出而用 EPC工艺可直接铸出直径大于 6mm的孔，孔径的重复精度相当好，误差一般在 %以内。 Troxer所总结的设计公差如下： ① 泡沫塑料模型同一表面上的线性尺寸误差，一般线性尺寸在 25mm以内时公差可以控制在177。 %以内，每增加 25mm则公差增加177。 %。 ② 胶合面处的尺寸精度较低，每一胶合面会附加生产。 ③ 胶合面处位置的尺寸精度是受两半模块错位的影响，每一胶合面的对中公差为177。 ④ 胶合面处会挤出胶合剂的液滴，液滴的尺寸一般为。 用 EPC工艺生产铸件，其表面粗糙度值 rmms一般为 ，而用湿型工艺则为,用壳型工艺则为 ，若采取专门措施改善表面粗糙度，则 EPC铝合金表面粗糙度值能够降低到 . 第三章 EPC工艺也有一定的缺点，模具费工时是显然的，简单的模具可以铸出型腔，但模具做好以后再修改不仅难度大而且成本高，内浇道德尺寸比传统工艺的要大，因此清理起来较费工，为克服模型分解所产生的冷却效应，浇注系统的尺寸偏大一些是必要的，但在某些情 况下降低了工艺出品率，振动紧实时模型会发生变形，从而导致铸件变形，最困难的问题是铝合金铸件的冷隔和皱皮缺陷以及灰铁和球铁件中的碳缺陷，这些问题是由金属液中的模型热解残留物造成的，或是由此而显著加重的，在黑色金属 EPC铸件中粘砂也是一个重要的问题，是由于振动紧实不当或热干扰原因引起的。 消失模铸造的工序 消失模铸造工艺流程的主要步骤见图 1 零件设计设计并制造模具准备模型 A珠粒预发泡 B发泡成型 C取出模型模型组装 上涂料 填砂紧实 浇注 落砂清理图 1 消失模铸造工艺流程图 消失模铸造工艺的第一步是零件工艺设 计，零件结构工艺性的审查和改进常常忽略了 EOC工艺的优越性，例如可以将几个零件组合成一个复杂的零件或铸出适当的孔等等，单纯的 EPC铸件的成本可能要比传统工艺生产的铸件的成本高，但是在清理、机加工等工序以后的铸件的综合成本则大大降低，因此，对零件进行结构工艺性改进是必要的，以便充分利用消失模铸造工艺的优点。 进行了零件结构工艺性的审查和改进后，需要设计并制造生产模型时所需的模具，模具设计很重要，因为它确定了泡沫塑料模型最初的尺寸并影响模型的质量包括表面和内部珠粒的融合情况以及生产循环时间等，模具设计可以是简单 的也可以是很复杂的用活块形成凹槽和孔洞，有时也用活动的镶块来形成模块中大得空腔。 复杂的铸件需要把模型分块来制造，然后再把它们胶合起来，每一个模块需要一套模具，而且胶合时还要有一套胎具或胶合机来保证胶合工序的定位，模具设计和制造的费用高，周期长，同压铸模具相类似，然后如果模具设计仔细、模具制造者的经验丰富，就能够降低成本，缩短周期， 试制零件也可以用泡沫塑料板材切割下料然后再手工胶合起来，这种技术很实用，但模型的表面质量差、尺寸精度低，手工装配时使用的胶合剂的量较多，也会产生缺陷，对比压铸，设计时常常用砂铸 试件，这种试件同压铸中金属液的流动和补缩条件相差很远，由于模具设计改变很困难，如果模具错误会造成很大的经济损失，采用模具铸造模型并采用胶合机胶合，能够提高消失模工艺生产的铸件的尺寸精度。 模块的制造分两个步骤，目前，最常用的制模材料是 EPS，含 5%7%的戊烷作为发泡剂， EPMMA最初使用氟氯烷（ CFC）作为发泡剂，后来改用一种碳氢化合物以保护环境。 聚苯乙烯原始珠粒未预发时的密度为 640克 /升， EPMMA为 950克 /升，制造模型的第一步是使珠粒膨胀到理想密度，迅速通入热蒸汽使珠粒膨胀，膨胀后的珠粒必须稳定 化处理后才能使用，原始铸粒膨胀叫做预发泡，预发泡的产品叫做预发珠粒，预发珠粒的密度确定了最终模型的密度，用于生产铝合金铸件的 EPS最佳的密度为 /升，生产铸件的为 克 /升，多数 EPMMA预发后的密度为 2429克 /升。 预发珠粒输送到成型机发泡成型，成型机上的模具必须预热到工作温度，烘干、合型后开始工作，预防珠粒是在模具合型后吹入模具的型腔。 制模时，模具未充满会产生很多问题，模具的排气要保证型腔中的空气顺利的排出，加料口要调整到合适的部位以利于预发珠粒充满型腔。 型腔内充满珠粒后开 始通蒸汽，蒸汽通过进气口从模具的一侧进入，从另一侧排出；对于壁厚模型，需要变换通入蒸汽的方向，在蒸汽的作用下，珠粒软化膨胀，填满珠粒之间的空隙并相互粘结到一起，珠粒内部熔融后，立即从定模和动模的两边吹入蒸汽，使压力升高。 这样，模具表面的温度进一步提高，在戊烷的作用下珠粒进一步膨胀，表面开始熔融。 这一步叫做热蒸。 在热蒸的过程中必须谨慎，防止过烧，造成模型表面珠粒的压溃。 通完热蒸汽后模型要冷却。 可以从模具背部通入大量的喷射来冷却，也可以采用真空的方法吸入少量的喷射来冷却，然后打开模具，取出时一定要小心，同时又 要立即将模型存储起来以减少变形。 泡沫塑料模型从模具中取出时进行第一次收缩，当模具通水冷却时模型开始最初的收缩，而后模型的主要膨胀是在珠粒内部渗入空气时开始的，紧接着由于戊烷和水蒸气的渗出又开始收缩。 收缩大都发生在前 30天内， EPS模型的线性收缩率为 %， EPMMA为 %。 为得到尺寸稳定的铸件，充分发挥消失模铸造工艺的优势，必须控制模型的收缩。 正确地控制模型的尺寸，能够使 EPC工艺生产的铸件接近于压铸的精度。 稳定尺寸的一个方法是在炉子中进行人工熟化处理，在 6070℃的条件下保温 218小时，但若在温度的上限 70℃进行熟化处理则会降低尺寸精度，进行熟化处理时必须掌握模型的收缩规律，以有利于应用熟化工艺。 熟化处理后开始把模块组装成模型，模型组装时也要保证一定的尺寸精度，模块一般是用热熔胶在自动胶合机上胶合的，胶合面要有足够的强度保持模块组合在一起，胶合的速度要快以提高生产效率；胶合面要防止钻入陶瓷涂料；尽量减少胶合剂的用量，以减少铸件的缺陷，浇注系统可以在自动胶合机上装配，也可以手工装配；浇注系统可以发泡成型，也可以用板材加工制成，但发泡成型的浇道有利减少金属液对铸型的冲蚀。 将浇注系 统装配好模型或模型簇就准备完成了，如果包括模型簇要涂挂一层陶瓷涂料后才能进行浇注，某些铝合金铸件可能不需涂料，但差不多所有的黑色金属铸件都需要涂料，即使在某些并非一定要涂料的情况下，也最好是利用涂料形成保护层，防止在浇注时金属液渗入或冲蚀铸型，涂料层也有利于防止沙粒调入金属液的前沿与熔融的泡沫塑料模型之间的空隙。 某些情况下，涂料能够减轻充型时的紊流，防止卷入液态的苯乙烯而形成缺陷，此外，涂料层还能够提高模型的刚度，减少干砂振动紧实时的变形。 涂料一般是耐火材料和粘结剂以水为载体的混合浆料，涂料涂挂的方式有浸 喷、浇三种，涂料必须烘干，严格控制图模型簇的涂料层厚度的均匀一致是很重要的，因为涂层的厚度影响涂料的透气性和其它特性。 涂料可以在湿度较低的房间里烘干，但常见的方式是在循环通风的炉子内烘干，在 4050℃时模型簇经过 210个小时就能够干燥，可以通过测定模型簇上烘干涂料的重量来有效地控制涂层的厚度。 模型簇上的涂料干燥后就可以将模型簇放入砂箱中填砂造型了，应仔细研究模型簇在砂箱中的摆放位置，干砂的充填和紧实，以确保干砂冲填到没簇的所有空隙并达到一定的紧实度，使得干砂能够支撑住模型簇，干砂的充填和紧实对每一重 模型簇设计都是相当重要的，可以采用雨淋加砂，也可以采用软管在模型簇周围加砂，干砂的充填速率及其在砂箱中的分布对模型的变形等有明显的影响。 干砂的紧实通过振动台来进行，振动台上配有成对的振动电机，每对振动上安装的偏心块随着电机主轴的相反方向的旋转可以使振动台振动，砂箱可以直接放在振动台上不需紧固，也可以用螺栓连接到振动台上。 尽管人们现在对这两种方法还存在着很大的分歧，但今日工业上用的标准方法仍为不紧固砂箱，振动方法一般多采用边加砂边振动的方式，使干砂容易充填到模型簇内部的空腔。 模型簇在砂箱中紧实后开始浇注。 同传统制造方法相比，浇注时不断流对消失模铸造工艺尤为重要，多采用自动浇注机以减少浇注时的变化，通常，在浇注过程中必须使交口杯一直保持充满。 如果浇注时出现断流，干砂就会溃散而进入铸件内腔，浇注速度必须足够快以防止干砂溃散，又不能太快以有利于模型分解产物从型内排出。 因此，充型时间长 50%的涂料对比原先的涂料能够明显减轻，由于模型分解产物引起的夹杂缺陷，应该将浇注系统、涂料性能、干砂特性、浇注操作作为一个系统来处理，以使液态或气态的分解产物能够在金属液凝固之前从型腔内排出。 浇注结束后要让铸件簇在落砂前在砂箱中凝 固冷却，铸件落砂的工作比较简单，只要将砂箱翻倒，从流态的松砂中取出铸件即可。 干砂冷却以后只要稍加处理甚至无需处理就能够回用。 铸件清理明显比传统砂型铸件容易， EPC工艺生产的铸件无飞边，清理时不用打磨，外形轮廓一致，有时清理车间的操作代之以简单的压缩空气喷嘴就行了，铸件空腔不是由含化学粘结剂的砂芯形成的，而是松散的干砂，因此很容易清理。 消除浇注时模型分解产物对铸件的质量是重要的，模型分解的气相和液相产物必须通过涂料排到砂子中去，不能使模型分解产物清除，对于所有金属都会导致气孔缺陷。 第四章 EPC模型的生产 为 便于正确地选择设备、涂料、操作过程、浇注速度以及合理模具设计及尺寸控制等，必须掌握一定的有关聚苯乙烯的基本工艺知识，苯乙烯是一种碳氢化合物，分子式为 C8H8，分子量 104。 含有质量百分比 92%的碳和 8%的氢，是由苯和苯乙烯在催化剂的作用下发生反应形成的，聚苯乙烯是由苯乙烯分子聚合而成的，聚合反应是在水溶液中采用悬浮合法进行的，EPC工艺中所应用的聚苯乙烯的分子量通常为 202000300000. 聚苯乙烯在聚合反应中浸入发泡剂戊烷就能够在后来加热时膨胀， EPS通常含质量分数5%8%的戊烷。 EPS能够在空 气中燃烧产生黑烟，根据 ASTMD192968测定的燃点为 490℃，在其它燃烧环境下测定的燃点可以抵达 295℃，据报导， EPS的表面燃烧温度为 446℃。 对珠粒质量进行控制的标准试验包括：综合发气量（在炉子中加热到 150℃测定的质量损失）及用一系列筛子测定的珠粒尺寸分布。 模型的预发泡 EPS模型的制造主要分为两个步骤，第一步是珠粒的预发泡，获得所需的容积密度，第二步是发泡成型，包括填料和熔融珠粒从而得到所要求的模型形状，在成型过程中，通蒸汽使珠粒膨胀以填满珠粒间的空隙，并使珠粒的表面熔化，相互粘结。 预发泡是一个关键的操作，基本确定珠粒的容积密度和成型性，预发泡工艺控制得不合适，聚苯乙烯的容积密度和尺寸精度就会受到影响，送入预发泡机中的珠粒密度一般在 600700克 /升。 加热聚苯乙烯使其软化并使发泡剂在软化后的壳内膨胀，控制好珠粒的加热和冷却速度对于获得合适的珠粒密度是至关重要的。 控制戊。