半金属型铸造要点 3


开 发成功的、可靠的且重复性好的浇注技术应用到将铝液浇注进金属型中,并不是件容易的事情。这涉及到金属液和铸型温度、收缩

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图1a-b:球状销(右侧)可用于提升较重的砂芯并将其下入铸型(左)。

系数、铸型涂料、铸造周期和熔炼质量等诸多可变的因素。考虑到已经有诸多因素影响铸件的质量和产量,在金属型铸造中使用砂芯会让问题更加复杂。

除了明显的成本问题和粘结剂问题之外,砂芯会降低导热速率(从而延长凝固时间),改变铸型收缩系数,增加型芯涂料并因此增加额外的排气装置。之所以叫做半金属型,是因为砂芯是一次性的。此外,处理砂芯还会带来其它的问题,如修芯、向金属型中安放和去除砂芯等。砂芯还会带来其它工序,包括检验和维护。芯盒本身只是其中一个问题,其它处理包括修整方法、砂芯组装设备、材料运输、材料处理部件和检验卡具。
对于尺寸精度要求极高的零件  来说,砂芯对尺寸精度的影响是要考虑的关键因素。对于任何给定的铸件都需要知道铸型和砂芯两者之中哪一个对铸件的收缩影响更大。关键因素包括砂芯材料、树脂比例、铸件尺寸、几何形状、壁厚,以及铸件固化后砂芯是取出还是在冷却过程中继续保留在铸型中。此外,有些铸件可能有轴向收缩。

 

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图2:在大批量生产中,可以用修正模板来去除砂芯的飞边和分型线。

气体和排气
由于粘结剂接触金属液后分解,因此所有砂芯都会产生气体,发气量则取决于粘结剂类别和涂料厚度。不同的砂芯粘结剂不仅发气量不同,而且气体逸出方式也不同(即,发气时间和排气速度)。发气量和排气速度受粘结剂种类、熔化温度、砂芯形状和工艺条件的影响。发气量大的粘结剂需要增加排气孔数量或者尺寸让铸型有足够的排气能力。排气孔应放置在便于清除砂芯残余气体的位置。工程师还须确定铸型需要主动排气还是被动排气,要么采取有利于自然排气的铸型设计和充型,要么则采取强制真空加以辅助。气体的产生也与型腔中的冷凝有关。

 

砂芯搬运和下芯
在砂芯的搬运和下入高温金属型的过程中,可能会产生一些问题。建议如下:

 

砂芯定位:冷的砂芯下到热的铸型和冷铸型的配合可能会有所不同。砂芯定位应考虑在浇注时得到足够的支撑力。芯头不应约束砂芯,否则可能会导致砂芯溃散。芯头应易于清洁,并且不易聚集残留物,以免产生误差。芯头需为砂芯涂层预留足够空间,并且芯撑之间应有合理间隙。上下型都需留足砂芯间隙,至少每侧0.005 – -0.015英寸(0.127 – -0.381毫米)。有铸造设备需要提供额外的0.005 – -0.01英寸(0.127 – -0.254毫米)配合间隙。由于芯头磨损很大,因此设计时应考虑便于取放和修复。而且,合型过程中会在砂芯上磨掉一些砂子,要考虑除去掉在铸型中的这些残砂。芯头是排气的理想位置,芯头周围没有液态金属,因此从这里排气更容易,并且不会在铸件表面留下痕迹。

 

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图3 a-b:用金属型生产铝铸件,大型砂芯是特别的挑战。图3a(左侧)砂芯重46 磅 (20.9 kg),芯头距离32英寸(81 cm)。图3(b)高14 英寸(35.5 cm),宽22英寸(55.9 cm),重20磅(9.1 kg)。

砂芯搬运:砂芯重、脆,容易被弄脏且容易损坏导致铸件缺陷,因此搬运时需格外注意。可以在砂芯内放入钢套,并用一个球状销撑住钢套将砂芯提升起来再下入铸型(图1a-1b)。
修芯:少量砂芯用手工修芯比较经济,但数量较大或者想要避免人为因素引起的变数时,可以采用修整模板和更换模具(图2)。砂芯数量较大时也可以考虑自动化设备,如数控机床和机器人。
砂芯涂料:首先要考虑是否需要涂料,砂芯周围铸件的表面质量是基本因素。通常,对铸件表面光洁度要求较高的地方会使用涂料,或者用来防止金属液渗透,以免带来侵蚀、毛刺或粘砂等缺陷。涂料还可以用来将气体引向排气孔。
除芯:如何去除砂芯以及凝固后多长时间除去砂芯将不会影响铸件尺寸。大多数铸造设备用摩擦和振动结合除芯(如锤子、钻头、冲击)或者烘烤炉。除芯速度越快到检查的时间越快。除芯经抛丸后除去残留物。

大型壳芯

大型壳芯是指重量超过10磅(4.54公斤),长度大于24英寸(61厘米)或长度与直径比大于4(图3A-3B)的砂芯,目前存在较大难度,包括砂芯破损、开裂、变形以及气体带来的孔洞缺陷。砂芯损坏后,铸件清理的工作量必然增大,成本显著增加,甚至会完全报废。损坏原因可能是砂芯和金属液的问题,如金属液对砂芯压力过大、砂芯强度不足、金属液过热、热冲击或铸型的问题如芯头过紧。砂芯固化不足或排气不当会导致气孔。大多数大型砂芯的问题都可以通过适当的工艺控制和持续的工序检查来解决。

 

以下为处理大型砂芯的基本步骤:

 

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图4:尺寸约26×6英寸(66.7×15.2厘米)的砂芯大平面会有规律的破裂。

砂芯和铸型对齐:精简砂芯和芯头的接触点以保持恰好对齐。对于所有的金属型设备,建立正规的预防性维护计划。通过冷却装置对壳芯冷却以保持尺寸精度。
砂芯完整性:确定壁厚、固化时间、温度等参数下最佳的树脂含量,以最大限度地提高砂芯的完整性。确保砂芯完全固化。
浇注:检查浇注系统,避免砂芯压力过大。
砂芯排气:设置足够的排气孔,以保证砂芯产生的气体排出。
砂芯强度:根据需要采取措施来提高强度,如U形砂芯中,双侧之间加连接杆以防止变形。调整砂芯粘结剂,并根据需要改变壳芯的树脂组分以提高强度。采用新配方时与型砂供应商密切合作。
即使实施这些建议以后,大型壳芯在金属型中应用仍然存在困难。例如,在威斯康星州马尼托瓦克的威斯康星铝铸造有限公司(WAFCO),由于一些问题导致图3a中大圆柱形砂芯废品率达75%。工程师们用自硬砂做成重46磅.(20.87-kg)的砂芯来生产铸件,但这个过程不仅增加了砂芯的重量,而且增大了除芯成本。同样,图4中尺寸约26×6 英寸(66.7×15.2 cm)的砂芯外形为大平面,会发生有规律的破裂。虽然该圆柱形砂芯不会导致废品,但增加了与砂芯接触的铸件内腔的检验工作量,并且砂芯损坏破裂带来的飞边毛刺也增加清理工作量。
WAFCO继续与供应商合作改进型砂配方,与客户讨论必要的芯头,通过经验避免作业风险,以降低砂型和下芯过程中的波动,提高砂芯的完整性。尽管可以通过与其它铸造厂合作来学习技术克服挑战,但在大型砂芯方面依然需要努力。


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