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消失模铸造工艺可行性分析报告

[ 发布日期:2017-03-29 点击:3774 来源:洛阳刘氏模具有限公司 【打印此文】 【关闭窗口】]

一、消失模铸造研究及应用进展

 

消失模铸造又称负压实型铸造,是将泡沫塑料制成的模型埋入无粘结剂的干砂中造型,采用微震加负压紧实,在没有芯子甚至没有冒口的情况下浇入液态金属,在浇铸和凝固过程中继续保持一定的负压使泡沫塑料气化继而被金属取代形成铸件的一种新型铸造方法。消失模铸造是20世纪50年代末发展起来的革命性新技术,因其设计制造灵活,生产工序简洁,产品近无余量、成形,铸件质量好,生产效率高且绿色环保,并可生产非常复杂的铸件,被誉为“21世纪的铸造新技术”、“铸造中的绿色工程”。

 

使用泡沫塑料制造金属零件的方法由美国人H.F.Shroger1958年取得专利,当时泡沫模型还是采用泡沫板材加工的,用含粘结剂的型砂造型。1962年美国M.C.flemings用干砂和泡沫模生产铸件。80年代初这种方法开始应用于工业生产。1982年福特汽车公司建成了一条年产2.5万只铝合金进气歧管生产线,并试验获得成功。紧接着于1984年耗资1100万美元建立了年产100万只铝合金进气歧管的高度自动化生产线,揭开了消失模技术在先进工业国飞速发展的序幕。 1990年通用汽车公司建成年产铸件5.5万吨(24万辆轿车)10万㎡的铸造厂。欧美发达的消失模铸造技术应用已经进入快速增长后的成熟期。目前消失模铸造技术研究及应用的重点是铝合金消失模铸造技术与材料。国外不论在铝合金消失模铸造的基础理论研究和实际生产应用方面都遥遥,在泡沫模样、金属液充型和凝固过程以及铸件缺陷控制等方面都取得了大量成果。

 

20世纪90年代中期以前,我国的消失模铸件产量都很少。进入21世纪以来,我国的消失摸铸造技术发展进入了快速发展期。与先进相比我国消失模铸造产品的形状和品种基本类似,不过复杂程度和质量水平相比差距还是很大。所生产的铸件已从早期的磨球、衬板、管状铸件逐步发展到曲轴、箱体、缸体类零件。在消失模铸造生产的合金种类上,铸铁件的消失模铸造生产技术在我国已基本成熟,铸钢件(除低碳钢件的渗碳缺陷控制外)的消失模铸造技术在我国也基本掌握。我国的消失模铸造在生产方式上也从单件大中型铸件、大批量中小铸件并举发展,进而转向以大批量消失模铸造为主;在技术上以日趋成熟,并具有一定水平;应用上是成功的,已有部分产品如管状铸件、制动盘、机体箱、翼(飞)轮和排气管等铸件进入国际市场。据统计,2007年中国消失模铸件产量达到648万吨,其产量和企业数量均列世界册,2011年我国的消失模铸件产量已达150余万吨。

 

但对我国消失模铸件产量分析看出,中国消失模铸造的生产主要集中在铸铁、铸钢件上,而铝合金等轻合金材质的消失模铸造生产处于刚刚起步阶段。在技术水平上产学研的结合及专业化分工协作程度不高,同时在消失模铸造的基础研究尤其是轻合金材料的研究上还不够深入,生产规模小、铸件质量和复杂程度较低,与国外消失模铸造还具有较大差距。

 

目前,国际市场对我国铸件出口需求量与日俱增,这无疑给适宜采用负压实型铸造的我国广大中小企业带来极好的机遇;可以预料,消失模铸造技术不仅可在我国汽车、柴油机等行业的大中型企业中得到较快发展,而且将在我国广大乡镇和私营中小铸造厂获得广阔发展前景。

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二、消失模铸造的工艺特点

 

消失模铸造的工艺特点有:

 

1、铸件一次成型,尺寸精度高。由于采用极易气化的泡沫塑料作模型,不用造型模具(木模),无分型面,无砂芯,因此产品无飞边毛刺,无拔模斜度,减少了由于砂芯组合而造成的尺寸误差,铸件的尺寸精度和表面粗糙度接近熔模精密铸造。同时,因为采用干砂造型,根除了由于型砂中的水、粘结剂、附加物带来的铸件缺陷,铸件废品率显著下降。铸件尺寸精度和表面粗糙度分别可达到CT5CT7Ra 6.312.5um,接近熔模铸造水平;加工余量最多为1.5~2mm,可大大减少机械加工的费用,和传统砂型铸造方法相比,可以减少40%至50%的机械加工时间;且铸件无飞边毛刺,还减小了由于型芯块组合而造成的尺寸误差。此外这种新工艺对操作工人的技术水平要求不高,对铸造行业有着巨大的的吸引力。

 

2、铸件生产工序简化,实现机械化、自动化生产。消失模铸造工艺采用干砂紧实造型,砂子不用粘结剂,无水分,减少了砂处理对铸件质量的不良影响,大大简化了砂处理过程。型砂几乎可全部回用,节省了成本;并且省去了传统的混砂、紧实、取模、合箱及砂处理整套工序;模样可任意组装,一箱可浇多个铸件。因此,生产效率大大提高,有利于大批量自动化生产。

 

3、容易实现清洁生产。低温下聚苯乙烯(EPS)对环境完全无害,浇注时排除的有机物量极少(只占铁水重量的0.3%),而采用自硬砂浇注时的有机物排放量占到5%以上;同时EPS产生有机物的时间短,易于收集,可以通过对砂箱抽真空进行集中处理,实属对环境的无公害排放。此外用消失模工艺,铸件的清理工作量大大降低,噪声少、一氧化碳和石英粉尘危害小,可以大大改善铸造车间的环境条件,实现无污染生产。

 

4、铸件形状、结构不受限制,为铸件设计提供了充分的自由度。原先由多个零件加工组装的构件,可以通过分片制模然后粘合的办法进行整体浇铸成型。原先需要加工的孔、洞可以直接铸出,这就大大减少了加工装配的工时和费用。

 

5、生产制造成本低,设备投资小。由于气化模的制作成本低(仅为木模价格的1/3),材料来源广泛,所需的成形设备少,投资小。一般说来采用该技术,设备投资可减少30-50%,铸件制造成本可下降25-30%,铸件的成品率99%。因此,消失模铸造技术符合铸造业发展的总趋势,有着广泛的发展前景。

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三、消失模铸造与其他铸造方法的比较

 

(一)消失模铸造与粘土砂及水玻璃砂铸造方法相比较

 

1、不需要粘土砂和水玻璃砂的粘结剂,省去了传统的混砂、紧实、取模、合箱及砂处理整套工序,缩短了铸造工艺流程,提高了生产效率,有利于大批量自动化生产。

 

2、消失模铸造由于采用极易气化的泡沫塑料作模型,不用造型模具(木模),无分型面,无砂芯,因此产品无飞边毛刺,无拔模斜度,减少了由于砂芯组合而造成的尺寸误差,铸件的尺寸精度和表面质量很高。同时,因为采用干砂造型,根除了由于型砂中的水、粘结剂、附加物带来的铸件缺陷,铸件废品率显著下降。

 

3、消失模铸造采用泡沫塑料作模样,无需起模,模样无起模斜度,不需要因拔模而进行工艺补贴,避免了金属液的浪费。

 

4、消失模铸造不需要粘结剂,省去了混砂过程,采用泡沫塑料作模样,无需起模,同时可以省去型芯,可直接铸出孔洞结构,大大节约了加工和装配的时间与费用,减少工人劳动强度和劳动量。

 

(二)消失模铸造与树脂砂铸造方法相比较

 

1、树脂砂铸造对原砂要求较高,如粒度、粒形、 SiO2含量、微粉含量、碱金属盐及粘土含量等都有较严格要求,消失模铸造对原砂要求较低。消失模铸造浇注之后,铸件落砂简单,干砂冷却后可重新使用,很少使用其他附加工序,金属废料可在生产中重熔使用,生产成本大大降低。

 

2、树脂砂铸造由于硬化机理是脱水缩合型,故硬化反应需一定时间,模样的周转率较低,不易适应于大批量铸件的生产; 消失模铸造无树脂砂硬化过程,适于大批量生产。

 

3、树脂砂铸造浇注时树脂分解,有刺激性气味及一些有害气体发生, CO气发生量较大,需有良好的通风条件。消失模铸造浇注无树脂分解,铸造车间的环境条件较好,可实现无污染生产。

 

(三)消失模铸造与失蜡铸造方法相比较

 

1、消失模铸造产品的尺寸精度与表面质量接近失蜡铸造,失蜡铸造工艺繁琐复杂,对设备等要求较高,生产成本高。消失模铸造的生产成本较低。

 

2、消失模铸造无失蜡铸造中的脱蜡、焙烧过程,缩短工艺流程,提高了生产效率,同时节约能源。

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四、消失模铸造的可行性分析

 

1、符合我国产业政策。

 

我国经济快速增长,各项建设取得巨大成就,但也付出了巨大的资源和环境被破坏的代价。要求大力加强节能减排工作,加快产业结构调整,要大力发展高技术产业,坚持走新型工业化道路,促进传统产业升级。同时近净成形作为零件成形后仅需少量加工或不再加工,就可用作机械构件的成形技术,对于自动化生产,提高劳动效率,节能减排具有重要意义。我国正在大力的发展推广近净成形技术。

 

消失模铸造作为革命性新技术,因其设计制造灵活,生产工序简洁,产品近无余量、成形,铸件质量好,生产效率高且绿色环保,被誉为“21世纪的铸造新技术”,对我国节能减排及产业结构调整具有重大意义。

 

2、技术成熟。

 

我国的消失摸铸造技术发展自21世纪以来进入了快速发展期。所生产的铸件已从早期的磨球、衬板、管状铸件逐步发展到曲轴、箱体、缸体类零件。在消失模铸造生产的合金种类上,铸铁件的消失模铸造生产技术在我国已基本成熟,铸钢件(除低碳钢件的渗碳缺陷控制外)的消失模铸造技术在我国也基本掌握。我国的消失模铸造在生产方式上也从单件大中型铸件、大批量中小铸件并举发展,进而转向以大批量消失模铸造为主;在技术上以日趋成熟,并具有一定水平;应用上是成功的,已有部分产品如管状铸件、制动盘、机体箱、翼(飞)轮和排气管等铸件进入国际市场。

 

3、成套设备工艺完善。

 

消失模铸造的专用设备主要分两大类:(1)白区(模样制作)设备,主要有间歇式预发泡机、成型机、蒸缸和电热丝切割机以及涂料搅拌机;(2)黑区设备,主要有振实台、负压系统和EPC 生产线(包括专用砂箱、砂箱输送系统、砂处理和砂冷却系统等)。

 

我国在引进和消化国外预发泡机生产技术的基础上于2000年成功研制开发出第3代间歇式预发泡机,后来又研制成功PLC 控制的全自动间歇式预发泡机,我国自主研制的预发泡机已接近国外同类设备的水平,而且更为经济更为适用。

 

在消失模铸造生产中,型砂的填充与振动紧实是其关键技术之一,而造型用振实台是消失模铸造中最关键和不可缺少的专用设备。振实台的振动效果直接影响到产品的成品率、尺寸精度、表面质量近年来国产振实台有了新的突破和发展,开发成功了垂直圆周运动的新型振实台。目前有些国产设备已基本达到国外设备水平,已经开始出口东南亚。国内部分消失模铸造设备生产企业,比如沈阳中世机械电器设备有限公司、北京天哲消失模铸造有限公司、等都能按用户产品工艺要求来生产制造设备,稳定生产合格铸件。

 

4、具有巨大的社会及经济效益

 

消失模铸造技术作为一种先进的铸件成型方法,近年来在世界上得到了迅速的发展。在西方发达自动化消失模铸造生产线的陆续建成投产,所生产的显著经济和社会效益显著。由于消失模铸造具有设备投资少、工艺路线短、工序简化、占地面积小、铸件尺寸精度和外观精度高等优点,使这项技术呈现出强大的生命力。消失模铸造技术自九十年代开始在我国进入工业化应用,经过十几年的发展,我国的消失模铸造工业具有了一定规模,已经成为铸造工业的重要组成部分。消失模铸造技术也被重点推广而成为改造传统铸造业应用最广泛的高新技术。

 

目前,消失模技术正以其巨大的优越性,引起了我国各界的高度重视,相关企业和研究机构已经纷纷开始了研究和应用,该技术的应用和推广必将使我国古老而悠久的铸造业迈上新的台阶。消失模铸造项目投产后,使资源和能源得到很好利用,可有效减轻环境污染,具有良好的环境效益。项目立足于国内外市场,发展经济增长点,有非常有利的条件和发展前景,同时项目实施后可以解决当地部分人员就业问题,带动当地经济的发展,具有良好的经济效益、社会效益。

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五、结论

 

消失模铸造技术是一种适合大批量生产较复杂箱体、壳体、管状等零件的铸造成形的技术,经过数十年的研究发展,消失模铸造技术已经取得了较大的进展,随着航空航天、汽车、军工、电子等行业的快速发展,将受到越来越大的关注和越来越广泛的应用,具有重大的社会效益及经济效益。