有箱造型技術(shù)的探討

付延軍，趙林棟，朱小鋼，張國(guó)輝

粘土砂型鑄造是最經(jīng)濟(jì)、最廣泛應(yīng)用的一種鑄造方法，工業(yè)化國(guó)家中65%～70%的鑄件是用粘土砂工藝生產(chǎn)的，因此，以粘土砂作為造型材料，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍將占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。粘土砂型鑄造的核心工序是造型，造型技術(shù)是關(guān)系到砂型鑄造產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。自從1921年德國(guó)BMD公司生產(chǎn)了世界上第一臺(tái)震實(shí)造型機(jī)以來(lái)，各種有箱造型新技術(shù)層出不窮。

1 有箱造型技術(shù)分類(lèi)及其特點(diǎn)

1.1 微震壓實(shí)造型

微震壓實(shí)造型的原理是通過(guò)微震機(jī)構(gòu)將砂箱舉升到一定高度然后下落與機(jī)體發(fā)生撞擊，從而使砂箱中的型砂下落速度變成很大的沖擊力，使型砂層層得到緊實(shí)，然后平板二次壓實(shí)補(bǔ)壓，微震壓實(shí)后的緊實(shí)度分布呈現(xiàn)分型面和砂型背面硬度高，砂型中間硬度低的特點(diǎn)[1]，如圖1所示。微震振幅為5～25mm，頻率為 500～1000 次/min，壓實(shí)比壓約為（2～3）kgf/cm2。

微震壓實(shí)造型機(jī)一般采用幾組造型機(jī)配備輸送線，組成機(jī)械化生產(chǎn)線。由于微震壓實(shí)造型機(jī)噪音大于90分貝，壓實(shí)比壓低，目前在全自動(dòng)造型線上很少采用。

1.2 高壓造型

圖1 不同的微震壓實(shí)方法緊實(shí)度分布1-微震 2-微震后壓實(shí) 3-壓震 4-預(yù)震加壓震

高壓造型是五十年代初期發(fā)展起來(lái)的，高壓造型工作原理是重力加砂后通過(guò)高壓壓頭二次緊實(shí)砂型，為了提高壓實(shí)效果，在壓實(shí)的同時(shí)增加微震。

高壓造型按壓頭的形狀來(lái)講，有平壓頭、成形壓頭和多觸頭之分。由于多觸頭類(lèi)型具備隨模型形狀能自動(dòng)調(diào)節(jié)壓頭行程的特點(diǎn)，故其適用范圍寬。

高壓造型機(jī)壓實(shí)比壓為（10～15）kgf/cm2，微震頻率約為500～1000次/min，微震振幅約為5～25mm。

高壓微震壓實(shí)后的緊實(shí)度分布呈現(xiàn)分型面和砂型背面硬度高，砂型中間硬度低的特點(diǎn)[2]，如圖2所示。

高壓造型由于比壓過(guò)大，造成砂型密度過(guò)大、砂型排氣困難、砂型回彈大以及易產(chǎn)生夾砂等缺陷，逐漸被其它的造型方法取代。

1.3 射壓造型

射壓造型是通過(guò)射砂方式使型砂快速填充砂箱，一般射砂壓力在（2～4）kgf/cm2，砂型預(yù)緊實(shí)度不高，只有1.2kg/cm2左右，需要用壓板或多觸頭進(jìn)行二次壓實(shí)，壓實(shí)比壓約為10kgf/cm2，適用于中小規(guī)格有箱造型機(jī)型。

圖2 幾種造型的緊實(shí)度分布

圖3 ACE鑄型緊實(shí)強(qiáng)度分布

目前只有日本新東公司80年代推出的ACE還在銷(xiāo)售。ACE鑄型緊實(shí)強(qiáng)度分布如圖3所示。

1.4 真空壓實(shí)造型

德國(guó)KW公司在1979年國(guó)際鑄造博覽會(huì)上第一次展出了真空壓實(shí)造型機(jī)，它是采用定量斗和多觸頭壓頭可以在真空腔內(nèi)移動(dòng)的結(jié)構(gòu)。

真空造型的原理是先在砂箱與模板之間產(chǎn)生真空，在真空狀態(tài)下進(jìn)行填砂，型砂被吸入砂箱并高速?zèng)_向模板，從而產(chǎn)生預(yù)緊實(shí)，然后，在真空狀態(tài)下進(jìn)行壓實(shí)，完成造型。壓實(shí)比壓約為10kgf/cm2以上，真空度約為0.04MPa。

根據(jù)濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所的試驗(yàn)，真空造型時(shí)在壓實(shí)比壓5kgf/cm2下，真空度和砂型硬度的關(guān)系[2]，如圖4所示。

真空壓實(shí)造型機(jī)需要增設(shè)真空系統(tǒng)、對(duì)抽真空時(shí)的造型室結(jié)合面密封要求高，造型密封室體積過(guò)于龐大。目前的有箱造型很少采用此技術(shù)。

1.5 氣流沖擊造型

圖4 真空度和砂型硬度的關(guān)系

所謂氣流沖擊造型是指用具有一定壓力的氣流直接對(duì)裝填在砂箱中的型砂進(jìn)行瞬間的沖擊，使型砂緊實(shí)的方法。最初采用燃?xì)獗_擊造型，后來(lái)逐漸被更為安全可靠的空氣沖擊造型機(jī)取代，目前仍有使用。

根據(jù)研究，空氣沖擊動(dòng)壓緊實(shí)過(guò)程分為砂粒加速及初步緊實(shí)和砂層沖擊緊實(shí)2個(gè)階段：

氣流沖擊后砂型緊實(shí)度分布特點(diǎn)是靠近模樣表面的砂層緊實(shí)度分布均勻，緊實(shí)度最高，向鑄型背面逐漸減少[3]，如圖5所示。

氣流沖擊造型在生產(chǎn)使用過(guò)程中也存在一些工藝上的弊端：

（1）在高模樣、大深凹比情況下，氣流沖擊造型砂型邊角處及深凹部出現(xiàn)緊實(shí)度不良的現(xiàn)象，即“拱效應(yīng)”問(wèn)題。

（2）砂型背面總存在30～50mm未緊實(shí)的松散砂層，這部分型砂在造型后必須刮掉。這一方面造成型砂的嚴(yán)重浪費(fèi)，同時(shí)使氣流沖擊造型砂箱高度方向的有效利用率降低，這樣就制約了氣流沖擊造型的適用范圍，使氣流沖擊造型砂箱的高度必須大于250mm，才能獲得合格的砂型。

（3）對(duì)氣流沖擊時(shí)的造型室結(jié)合面密封要求高

圖5 氣流沖擊造型緊實(shí)度分布

1.6 靜壓造型

靜壓造型在1976年起源于日本新東（Sinto）公司，經(jīng)過(guò)多年的完善，使這一工藝技術(shù)的許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)顯現(xiàn)出來(lái)，得到了全世界鑄造工作者的普遍認(rèn)可與青睞。

目前，靜壓造型國(guó)際市場(chǎng)的典型代表是德國(guó)HWS公司和KW公司，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的典型代表是濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所、蘇鑄成套裝備制造有限公司、保定維爾鑄造機(jī)械有限公司，其它單位如濰坊市凱隆機(jī)械有限公司也陸續(xù)涉足了這一領(lǐng)域。

靜壓造型原理是利用壓縮空氣瞬間向砂型增壓，壓縮空氣從砂型背面穿過(guò)型砂流向模樣，通過(guò)模樣上的排氣塞排出，完成氣流預(yù)緊實(shí)，利用第二工序壓實(shí)完成砂型最終緊實(shí)，壓實(shí)比壓為高壓（10～12）kgf/cm2，氣流預(yù)緊實(shí)所需壓力大于4kgf/cm2，如圖2所示。

靜壓造型吹氣后模板需要排氣才能完成氣流預(yù)緊實(shí)，因此，模板上需開(kāi)設(shè)砂型面積1%～2%的排氣塞。

1.7 高速多觸頭沖擊造型

高速?zèng)_擊多觸頭造型機(jī)是1989年BMD公司根據(jù)粘土砂造型動(dòng)壓緊實(shí)原理開(kāi)發(fā)的高速?zèng)_擊多觸頭（Dynapulse）技術(shù)并在GIFA89國(guó)際展覽會(huì)上亮相。迄今為止，世界上已有近20條高速?zèng)_擊多觸頭造型線正在運(yùn)行使用，其優(yōu)越性逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。

高速?zèng)_擊多觸頭緊實(shí)機(jī)理是利用高速氣液缸推動(dòng)多觸頭和舂實(shí)板高速?zèng)_擊型砂，在多觸頭、舂實(shí)板和砂層沖擊力同時(shí)作用下，使砂型得到緊實(shí)。

根據(jù)沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)陳士梁教授的研究，沖擊緊實(shí)過(guò)程分為3個(gè)階段：砂層加速及初步緊實(shí)、砂層沖擊緊實(shí)、多觸頭和舂實(shí)板沖擊緊實(shí)。

圖6 高速?zèng)_擊多觸頭造型緊實(shí)度分布

高速?zèng)_擊壓實(shí)在沖擊速度不同時(shí)的砂型緊實(shí)度分布如圖6所示。

由于高速?zèng)_擊驅(qū)動(dòng)裝置是采用氮?dú)飧邏号蛎浤茯?qū)動(dòng)的原理，受氮?dú)鈿鈮汉透讖降挠绊懀?qū)動(dòng)速度＜5m/s，因此，緊實(shí)面積＜1.2m2，緊實(shí)行程＜400mm，只適合中小規(guī)格砂箱砂型緊實(shí)。此外，由于高速?zèng)_擊驅(qū)動(dòng)能量有限，多觸頭桿徑較小，對(duì)型砂的擾動(dòng)面積小。沖擊型砂預(yù)緊實(shí)的效果不理想，必須通過(guò)上端液壓缸驅(qū)動(dòng)多觸頭和舂實(shí)板完成最終砂型緊實(shí)。

2 結(jié)論

當(dāng)今世界鑄造生產(chǎn)總的發(fā)展趨勢(shì)是在提高綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的前提下，提高鑄件質(zhì)量，重視表面粗糙度和幾何精度，在這一趨勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生的幾類(lèi)粘土砂型有箱造型技術(shù)各有千秋，不斷朝著精確、高效、節(jié)能和環(huán)保的方向發(fā)展和提高。

[1] 十四院校鑄造專(zhuān)業(yè)教材聯(lián)合編寫(xiě)組,鑄造生產(chǎn)機(jī)械化[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979:15-15.

[2] 王德勝,于正仁.真空壓實(shí)造型技術(shù)的研究[J].中國(guó)鑄機(jī),1993(6):12-14.

[3] 徐順慶,曹立人.國(guó)外鑄造機(jī)械[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1987:26-26.