砂型鑄造的石蠟澆注研究

張猛持(廈門理工學院現代工程訓練中心,福建廈門 361024)

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砂型鑄造的石蠟澆注研究

張猛持
(廈門理工學院現代工程訓練中心,福建廈門 361024)

【摘 要】鑄造是現代制造工業的基礎工藝之一,在國民經濟中占據著重要位置。鑄造教學內容涉及廣泛,實踐性強,但由于課時有限,師生比率不足,澆注溫度較高具有一定的危險性,金屬澆注沒能得到很好的開展。為了提高實習效果,對非機械類專業的鑄造實習進行改革,引入鑄蠟件實踐環節,以帶動教學方法的改革與創新。

【關鍵詞】砂型鑄造 石蠟澆注 非機械類專業 實踐教學改革

【Abstract】Casting is one of the basic processes in the modern manufacturing industry,and It occupies an important position in the national economy.Casting Teaching involves a lot of content and It's very practical.But due to the limited time,the Insufficient proportion of teachers and students,and the danger of high temperature ,metal casting has not been carried out well.In order to improve the effect of practice, we try to Introduce a link of Paraffin casting to make a reform of the casting practice for non mechanical majors,and drive the reform and innovation of teaching method.

【Key words】Sand casting;Paraffin casting;Non mechanical major;Practical teaching reform

1 傳統鑄造教學存在的問題

圖1 石蠟澆注的手輪模型

圖2 學生創意作品

表1 混合模料配比表

鑄造實習由于是傳統項目，學生不像對3D打印、線切割、激光加工等先進制造技術有興趣、有激情，尤其是非機械類的學生對知識點難于理解，達不到預期的實習訓練的效果。傳統的鑄造教學主要存在以下三個問題：①實習時間太短，根據我校課程安排，鑄造實習僅有4個學時(180分鐘)，課時的縮短導致學生在有限的時間內只能完成造型，而熔煉金屬材料需要較長的時間，沒有足夠的時間進行澆注。②師生比例不平衡，鑄造實習每次接待的學生在30人左右而只有1名教師，熔煉金屬材料溫度高，學生人數多好奇心大，教師較少顧及不暇，存在較大安全隱患。③金屬澆注沒能很好地得到開展，如果不對學生的作品進行澆注，學生對砂型鑄造的后續生產過程就沒有一個直觀的認識，這包括熔煉設備的工作原理和操作方法、材料熔煉要具備的條件、澆注前材料液體的狀態、鑄件的成型過程、鑄件的清理與后續處理以及鑄件產生的缺陷等，很容易讓學生失去實習的興趣及實習的成就感。為此，我們在鑄造實習中特別引入石蠟模擬澆注替代傳統的金屬澆注。

2 石蠟澆注的工藝設計

2.1 石蠟澆注的可行性

石蠟雖然是非晶體，但具有明顯的晶體結構，有近似于鋼液的結晶行為：①石蠟中心有落雨狀晶體；②石蠟有樹狀體；③石蠟在液體時與固體時有較大比重差(固態比重為1.15；液態比重為0.92)；④石蠟廣泛應用于熔模鑄造具有較好的成型性。根據以上理由，采用石蠟用于砂型鑄造的模擬澆注，將熔化的石蠟溶液澆注到型腔中，得到質量穩定的鑄蠟件的可行性較高。

2.2 石蠟澆注對蠟料的要求

為了保證鑄蠟件的質量，便于工藝操作，所使用的石蠟應滿足以下要求：①安全無毒、對人體無害、經濟環保，可重復利用；②熔點合適，易于熔煉，便于學生自主澆注，溫度控制在100℃以內；③具有一定的強度和硬度，而且不脆、不裂、不軟化，強度以抗彎強度表示，最好為5.0～8.0MPA，硬度以針入度表示，在4～6度；④收縮率要小，線收縮和體收縮應小于1.0%；⑤雜質少，不粘附。基于以上幾種考量，經篩選熔點在58～60℃之間的58#全精煉顆粒狀白石蠟基本滿足澆注對蠟料的要求。

2.3 石蠟的熔化

石蠟是從石油、頁巖油或其他瀝青礦物油的某些餾出物中提取出來的一種烴類混合物，直接加熱熔化可能產生刺鼻的異味，使人體感到不舒服，且加熱溫度不易控制。由于選用的石蠟熔點在58～60℃之間，溫度較低，可利用數顯恒溫水浴鍋進行水浴間接加熱，加熱范圍為室溫至99.9℃，操作安全簡便，溫度可控可保溫。考慮到選用石蠟的熔點兼顧模料的流動性和避免粘附，將模料加熱溫度設置為65～70℃。

2.4 用單純石蠟溶液澆注存在的問題

雖然石蠟具有一定的強度和可塑性，也不易產生裂紋，但在室溫30℃以上時容易發生軟化變形；如果加熱溫度過低，澆注時流動性差，易產生澆不足等缺陷；在過高加熱溫度下易發生粘砂和滲漏，使澆注失敗；在熔融狀態下易起泡；在冷卻過程中石蠟收縮，鑄件表面容易形成縮坑，厚大部分易產生大面積凹陷。所以使用單純石蠟溶液進行澆注得到的鑄件往往鑄造缺陷較大。

2.5 石蠟澆注模料的改性

為了得到質量更好的鑄蠟件，在石蠟溶液中加入一些添加劑，以改進石蠟的澆注性能：①硬脂酸(C18H36O2)：添加硬脂酸有利于提高石蠟強度，在0～10%時，石蠟的強度迅速增長，石蠟的均勻性得到明顯改善，從而減少或避免材料缺陷，同時能提高模料的流動性；如果硬脂酸質量分數過大則體系熔點呈下降趨勢，且易與砂型中的堿、鹽等雜物產生皂化物，使模料流動性降低，韌性變差等。②松香：松香加入石蠟溶液中能提高模料的熔點，軟化點，增加強度，但使用量不能過大，否則會發生裂紋，一般用量應控制在1～10%之間。③油溶性染料：模料中添加各種顏色的油溶性染料，經著色處理后的鑄蠟件色彩繽紛，吸引學生的學習興趣。較理想的混合模料配比如表1所示。

3 石蠟澆注的教學設計

3.1 課程引入(30分鐘)

首先利用多媒體視頻播放3～5分鐘明朝時期的嘉靖通寶或永樂大鐘的鑄造生產過程引入課題，凝聚學生的注意力，激發他們的學習熱情，在觀看中了解鑄造的定義、加工特點、操作步驟等。第二部分播放造砂方法的動畫，包括整模造型、分模造型、挖砂造型、活塊造型、三箱造型、刮板造型、假箱造型等七種典型鑄件的造型方法，將抽象的理論介紹化為生動形象、易于理解的動畫，每個動畫僅為1～2分鐘，使同學們在極短的時間內掌握每種造型方法的特點、適用范圍和操作要領。最后進行安全教育，提醒學生可能發生的危險和預防措施，強調課堂紀律。

3.2 分組操作(100分鐘)

將30名學生分成10組，每3名同學1組，并自主產生1名組長協調分工。教師介紹鑄造工具的名稱，演示使用方法，分配實訓任務。每組同學自主研究和總結拿到的模型的形狀特點，找出分型面，通過討論確定具體使用的造型方法和合適的澆注系統的結構與位置，并選用正確的工具獨立造出砂型，教師巡回指導，給予適當建議，糾正學生錯誤，并啟發引導學生獨立解決問題，培養學生獨立思考、分工協作的能力，以學生為主，代替傳統教學中，教師示范學生機械模仿的教學模式，有效提升學生的實踐動手能力。

3.3 引入石蠟澆注環節(25分鐘)

相比金屬液體，石蠟溶液的溫度較低，對于初學的非機械類專業的學生而言，操作簡單安全性高，學生可自主完成石蠟澆注。由于任務驅動，同學們為了得到較好的作品，造型過程更加細致、認真；通過石蠟澆注過程的練習，學生可以了解澆注的溫度、速度對鑄件質量的影響，同時對比清理出的鑄件，討論影響鑄件質量的因素及鑄造缺陷產生的原因，加深學習理解。一方面在教學的內容上更加豐富，另一方面學生非常在意自己的作品結果如何，提升實習的成就感。圖1所示為石蠟澆注的手輪模型。

3.4 增設創意環節(25分鐘)

在鑄造教學中發現，非機械類專業的學生思維很活躍，如果安排練習特定的模型，有些學生不感興趣，針對這一情況，我們在鑄造實習中除了完成統一的模型的造型任務之外，也鼓勵同學們自己尋找適合鑄造的東西，獨立確定分型面、設計澆注系統、選用合適的造型方法、完成造型和澆注等工藝過程，加深同學們對鑄造工藝的理解。從實習教學反饋信息來看，鑄造實習已收到較好的教學效果。圖2所示為同學們的創意作品。

4 結語

非機械類專業鑄造實習屬于傳統基礎實訓內容，教學改革之前的教學模式為傳統的教師示范學生機械模仿模式，且由于課時有限，師生比例不平衡，金屬澆注得不到較好的開展，學生實習的積極性不高，覺得鑄造的實習過程就是“玩泥沙”，實習效果不好。改革后，將學生實習的過程劃分為幾個清晰的步驟，充分利用有限的時間，調動學生的學習動力，引入石蠟澆注，由于石蠟熔點低，熔煉方便，澆注安全，凝固迅速，學生可自主操作，石蠟澆注的引入不僅很好地解決了傳統鑄造教學存在的問題，并使學生完整正確地模擬了鑄造的全過程，對鑄造技術工藝的知識有更進一步的理解。

參考文獻:

[1]衛增芬.石蠟模擬鑄造的有關問題[J].河南機電高等專科學校學報,2001,9(2):27-28.

[2]安芬菊.非機械工程類專業鑄造實習教學改革探索[J].實驗科學與技術,2014,12(3):120-122.

[3]汪玲.硬脂酸對石蠟熔點及力學性能的影響[J].西南石油大學學報,2008,30(2):112-115.

[4]馮保成.豐富鑄工實習內容提高學生創新能力[J].太原理工大學學報,2004,22:108-109.

[5]舒正偉.石蠟的耐熱性能及其機理研究[D].四川:成都理工大學, 2010:1-45.

基金項目:鑄造教學中的石蠟澆注研究(2014廈門理工學院教育教學改革與建設項目,JGGX201401)

作者簡介:張猛持(1989—),男,福建廈門人,單位:廈門理工學院,現代工程訓練中心,職稱:助理實驗師,研究方向:材料成型及控制工程。