經過近半個多世紀大力推廣和迅速發展,消失模鑄造工藝技術逐步邁入成熟階段,其產品由簡單的鑄件發展到可生產形狀複雜的鑄件,材質種類也越來越多,質量從幾十克至幾十噸。消失模鑄造工藝的特點之一就是集體作業團隊協作,一個合格毛坯的誕生都必須經過數道工序和數個工人的默契配合才能實現。所以鑄件毛坯缺陷的產生是在整個的工藝流程過程中一步步積累﹑放大﹑延伸﹑ 最終導致鑄件毛坯報廢。
要根本解決鑄件毛坯報廢,首先要對飛輪殼體鑄件變形、夾渣,鐵包砂,冷隔缺陷產生的原因進行認真仔細分析,並通過工藝試驗逐步改進和優化,使生產工藝和生產流程更合理更科學,並用科學合理的工藝作為執行標準,嚴格執行,認真控制與監督,才能保證產品的質量穩定及高工藝成品率和產品合格率。
2 變形缺陷及控制
2.1 原因
圖2.1所示為三種規格的飛輪殼體,其材質為HT250,主要壁厚為6mm。飛輪殼體鑄件為薄壁類殼體鑄件,內腔較大,鑄件結構不連續,在成型﹑乾燥﹑組裝﹑浸塗和裝箱振實過程中易產生變形,在試生產過程中其廢品率高達35%左右。鑄件變形主要是因為模型在成型﹑乾燥﹑組裝﹑塗覆和振實裝箱等過程操作不妥和控制不嚴所致。如泡沫模型在出模時的操作控制﹑乾燥時的擺放形式和塗料塗敷的操作都要有嚴格操作工藝和控制措施,振實裝箱時型砂在不同方向施加給泡沫模型的力大小不一致而導致。
2.2 控制
通過分析,認為首先對泡沫模樣的預發泡的密度和粒度進行嚴格的質量控制﹑要求使用高強度低密度的發炮珠粒進行成型;其次對塗料的配製工藝進行改進增加塗料對泡沫模樣的抗變形能力和附著力;提高泡沫模樣的強度;同時在泡沫模樣殼體上口增加支撐筋, 利用支撐筋對泡沫模樣的反作用力來平衡浸塗和振實中塗料和型砂對模型的作用力,從而起到防止變形作用。
3夾渣缺陷及控制
3.1 原因
飛輪殼體鑄件初期夾渣缺陷廢品率高達45%,產生夾渣缺陷的來源一方面是在澆注鑄件時,模型產生大量固相和液相產物,當固相和液相產物不能及時排出,殘留在鑄件內部,就會形成消失模特有的夾渣缺陷。模型密度越大產生的固相和液相產物就越多;另一方面,澆注過程中鐵水滲入模型的塗料沖刷進入液態金屬,鑄件凝固後形成夾渣缺陷,兩種原因產生的夾渣缺陷外觀特徵都為黑色塊狀分佈。圖3.1為鑄件夾渣缺陷,圖3.2為鑄件碳缺陷圖。
3.2 控制
可通過採用低密度高強度的泡沫模樣、設置合理澆冒口系統和正確的澆注操作、提高澆注溫度、增加塗層和型砂透氣性、提高泡沫模樣的表面質量以防止塗料滲入泡沫模樣等措施來防治夾渣缺陷的產生。然而如果增大負壓、提高澆注溫度和塗層及砂型的透氣性又會引起滲鐵、粘砂等其他缺陷,所以須在泡沫模樣密度控制和澆冒口系統設計方面突破。
3.2.1 採用低密度高強度泡沫模樣
模型密度越小產生的固相和液相產物越少,模型密度的大小是通過預發珠粒的密度來控制。飛輪殼體鑄件主要壁厚為6毫米,屬薄壁件,因此,預發泡珠粒密度過小勢必影響模型的表面的質量,同時,塗料更易滲入泡沫模樣中,反而增加夾渣的機率。通過分析,選取24~26g/ L,26~28g/L,28~30g/L等三種珠粒預發密度對模型質量和夾渣缺陷進行對比。對各種密度進行小批量試驗,結果發現預發泡密度在26-28g/L 時,其各項技術指標相對較好,通過使用26-28 g/L的預發泡珠粒其箱體的夾渣廢品率小於5%。
3.2.2 採用合理澆注系統
澆注系統是消失模鑄造的關鍵工藝,經過初步計算確定澆注系統各組元的截面積,然後經工藝試驗進行改進和優化處理,使之合理正確。目前多數澆注系統採用EPS 泡沫板材經手工切割粘接而成,加工以及使用當中有相當大的侷限性,表現在:
(1)採用電阻絲切割,切割面粗糙,且原材料為泡沫板材,主要使用的包裝材料,預發泡密度小(18~20g/L),造成成型過程中的珠粒間隙大,易滲入塗料;
(2)由板材切割成的澆注系統形狀為實心正方體,有稜有角,澆注時鐵水沖刷大,高溫鐵水不能直接進入澆道底部,鐵水降溫大,在澆注初期反噴現象嚴重。
鑑於以上原因,改進直澆道成型,改用中空圓柱形直澆道, 設計模具,直接通過成型機成型,使澆注系統的製造與泡沫模樣的製造有了相同的過程,通過控制預發泡密度來控制表面粗糙度。其次,優化直澆道形狀,為保證鐵水溫度以及減小鐵水對塗層的沖刷,在形狀上採用圓柱形直澆道。再者,根據消失模鑄造原理,在澆注過程中高溫鐵水要將EPS泡沫氣化,此過程勢必會造成鐵水溫度的損失,因此在保證強度的情況下,EPS泡沫使用越少越好,為此將其做成中空。
中空圓柱形直澆道具體有以下優點:圓柱形表面積小且成型製造,表面平整光滑,減少鑄件形成夾渣的傾向;澆注初期,鐵水直接進入澆道底部,鐵水溫度損耗少,縮短了澆注時間。
4 鐵包砂缺陷分析及控制
鑄件死角是鑄造的一大難題,不論是溼型砂鑄造還是消失模鑄造,砂子都不易填補該區,消失模鑄造中,在造型時砂子不易流入死角區,砂子的緊實度降低,沒有足夠的型砂支撐塗層,在鐵水的高溫度、高密度、高流量,極易衝破塗層產生滲鐵等缺陷,圖4.1為鑄件鐵包砂缺陷圖。
針對此種情況,根據經驗調整振動頻率,採用三維振實臺,振動加速度的範圍在1-2g,根據不同鑄件調整振實時間和振實頻率。振實時間短、振實頻率低時,振實效果不理想;振實時間長,振實頻率高時,往往會把已經振實的型砂又再次振松。經過試驗將振實時間控制在20s,振實頻率為45-50Hz,振幅在1~1.5mm範圍。
埋砂方式為加入底砂然後振實, 先放入泡沫模樣,然後分兩次進行填砂,第一次填砂的高度和箱體平或略高一些,目的是將各個不易進砂的位置,通過人工輔助埋砂手段加滿加實型砂,確保死角處的砂子緊實高。第二次填砂是覆蓋砂,覆蓋砂要有足夠的厚度,從而保證足夠的吃砂量。型砂的緊實度高,滲鐵的問題基本得到解決,鐵包砂的缺陷得到控制。
5 冷隔缺陷分析和控制
冷隔是飛輪殼體薄壁鑄件的又一個主要缺陷。薄壁的殼體鑄件在澆注時,鐵水流動速度比厚大
鑄件慢,流動時間長,溫度降低快,在鐵水最後到達的地方,因溫度消耗熱量過大,出現不能完全融合,而形成冷隔。
針對此缺陷,採可通過提高鐵水的出爐溫度和澆注溫度以及澆注速度來解決。將鐵水的出爐溫度提高到1560℃,澆注溫度不低於1480℃,同時在澆注過程操作上下功夫制定了快速澆注的操作原則, 使冷隔缺陷的問題達到了解決。
通過大量的生產試驗證明,使用支撐筋可以防止泡沫模樣變形, 選用預發泡密度為26-28 g/L的泡沫模型以及用成型的中空圓柱形直澆道有效的解決了夾渣缺陷,通過調整振實參數和人工輔助埋砂解決了鐵包砂缺陷,提高鐵水的出爐溫度﹑澆注溫度和合理正確的澆注操作使冷隔缺陷問題達到了有效的控制。
來源：四川省成都市鑄造行業協會 江陰市飛旺機械製造工程有限公司
作者：高成勳、劉偉明、胡雪飛、高遠
