实验原理

消失模铸造是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模型粘结组合成模型簇,刷涂耐火涂料烘干后,埋在干石英砂中振动造型,在负压下浇注,使模型气化,液体金属占据模型位置,凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。这项工艺最大的特点在于它是一种近无余量、精确成型的新工艺,该工艺为铸件结构设计提供了充分的自由度,可以通过泡沫塑料模片组合铸造出高度复杂的铸件,无需取模、无分型面、无砂芯,因而铸件没有飞边、毛刺和拔模斜度,并减少了由于型芯组合而造成的尺寸误差,铸件尺寸精度高,且可大大减少机械加工的费用。 申报项目面向铸造技术与工程、材料成型及控制工程、机械工程等专业学生和企业技术人员,针对金属消失模铸造过程直观性差、工艺复杂和金属晶粒组织微观化的问题,着力还原真实实验过程中金属流动行为和金属凝固过程,虚拟仿真模样成型机工作过程和液态金属凝固过程,系统构建铸造工艺室和铸造实验室,真实还原铸造工艺设计过程和铸件质量分析,学生在铸造工艺工程师和铸造操作员的指引下完成实验过程,借助虚拟仿真实验切身体验消失模铸件形成实景,使学生有身临其境的沉浸感。

1.泡沫模样成型机

发泡成型机的加工过程可以综合为:合模→填料→返排料→模子预热→加热→预冷→冷却→启模→退出产品等多道工序的顺序动作。其中,合模、启模等由行程开关来确定动作是否完成;加热是使已填入模中的原料发泡、膨胀、成型,退出产品可利用气压或液压方法顶出模中的成品,各工序均可用时间来控制。所需时间可通过面板上的开关由操作员根据工艺要求当场设置或调整.

①珠粒预发机

珠粒加入预发机后,发泡剂受热气化从而使珠粒体积膨胀。预发加热设备可使用红外线灯、水浴或蒸汽加热器。实际生产上预发设备大都采用蒸汽预发泡机。本仿真实验中采用的是间隙式蒸汽预发机。预发泡后的珠粒需要储存一段时间,吸收空气进行熟化,防止成型后的收缩。

②发泡成形机

将模具安装到成形机上,熟化后的珠粒填到金属模具型腔内,再次加热使珠粒发泡成形。发泡成形机工作过程为:将模具预热、射料、通蒸汽二次发泡、通冷却水定形、取出模型。

③模型烘干机

将二次发泡成形的模型放在已预热至50-70℃的烘干室内强制干燥5-6h,快速完成模型熟化,使模型及尺寸稳定。

2.金属消失模铸造过程

按浇注设备的工作过程,一般可将金属消失模铸造过程分为以下四个部分:

①模样准备

泡沫珠粒填入预发机预发涨大,熟化后的预发珠粒金属模具型腔内再次加热发泡成形。二次发泡成形的模型放入烘干室中干燥,使模型熟化,然后粘接成模型簇。并将涂料涂在模型上,干燥后模样埋砂造型。

②金属熔炼

将熔炼工具清理干净,实验用合金配料完成后,放入熔炼炉加热熔炼。合金完全熔化后保持一定时间,合金过热度设定为100-200℃。熔炼完成后的合金进行后续精炼或变质处理,之后金属液出炉准备浇注实验。

③紧实造型

通过雨淋式加砂方式在砂箱底部填砂形成一定厚度的砂床,砂箱放在三维振动台上,放入模样后再边加砂边紧实,直至填满砂箱,紧实完毕。该过程中,砂子的加入速度必须与砂子的紧实过程相匹配。

④负压浇注

将砂箱内砂粒间的空气抽走,使密封的砂箱内部处于负压状态,砂箱内外产生一定的压差。在此压差的作用下,砂箱内松散流动的干砂变成紧实坚硬的铸型,具备抵抗液态金属作用的抗压、抗剪强度,同时可强化金属液浇注时泡沫塑料模气化后气体的排出效果,避免或减少铸件的气孔、夹渣等缺陷。

3.铸造工艺参数

①浇注温度

由于气化泡沫塑料模样需要热量,消失模铸造的浇注温度比普通砂型铸造的浇注温度通常要20-50℃。对于黑色金属,提高浇注温度对获得高质量的铸件十分有利;单对铝合金铸件,浇注温度不宜超过790℃,否则易产生铸件的针孔缺陷。

②浇注速度

为防止塌箱、浇不足和冷隔缺陷,消失模铸造工艺要求浇注速度应尽可能快一些,消失模铸造浇注时间比普通铸造短15%-20%。

③负压度

4.消失模铸造凝固缺陷及产生原因

①气孔和夹渣

铸件上出现的气孔和夹渣缺陷主要来源于浇筑过程中,泡沫塑料模样受热气化生成的大量气体和一定残渣物。采用底注式浇注系统、提高浇注温度和真空度、开设集渣冒口等可消除气孔和夹渣铸造缺陷。

②粘砂

粘砂是指铸件表面粘住砂型而不易清理的铸造缺陷,它是铸型与金属界面动压力、静压力、摩擦力及毛细作用力平衡被破坏的结果。提高砂型的紧实度、降低浇注温度和真空度、增加涂料的厚度和均匀性都有利于防治砂型缺陷。

③塌箱

塌箱是指浇注过程中铸型向下塌陷,金属液不能再从直浇口进入型腔,造成浇注失败。其主要原因是浇注速度太慢、沙箱内的真空度太低、浇筑方案不合理。合理地掌握浇注速度、提高真空度、恰当的设计浇注系统有利于防治塌箱缺陷。

④冷隔

铸件最后被填充的地方,金属液不能完全填充铸型时便出现冷隔。主要原因是浇注温度过低、泡沫模样的密度过高和浇注系统不合理所致。提高浇注温度和真空度、降低泡沫模样的密度、合理设计浇注系统等可克服冷隔缺陷的产生。

⑤变形

铸件变形是在上涂料、型砂紧实等操作时模样变形所致。提高泡沫塑料模样的强度、改进铸件的结构及刚度、均匀地上涂料和型砂紧实等,都有利于克服变形缺陷。

5.制作工艺参考视频