V法铸造工艺装备对铸件质量的若干影响

发布时间:2017-11-17浏览次数:

张建满1 涂益明1 张海勋2 朱以松3

1 华中科技大学 全国消失模与V法铸造技术委员会 430074 湖北·武汉)

2 天瑞集团铸造有限公司 467500 河南·汝州)

3 无锡锡南铸造机械有限公司 214142 无锡·锡南

摘要:V法铸造装备是保障工艺过程实施的必要条件,也不同程度的影响着铸型和铸件质量。覆膜架,震实台,起模机构,砂箱等工装设备在造型过程中扮演着重要角色,本文对上述工装设备对铸型铸件质量的影响原因做简要分析,指出其结构性能的重要性。

关键词:V法铸造,覆膜架,震实台,起模、砂箱

V法铸造引入我国至今已有30多年的发展,而V法铸造装备则经历了从无到有以及由对外引进仿制,到自主研发设计的过程。V法铸造装备质量水平的提升,也进一步保障并促进了V法铸造工艺的拓展。据不完全统计,目前国内约有四百多条形式各异的V法铸造生产线在运行,既有极其简易甚至不配套砂处理的单机造型设备,也有比较常见且配置相对全面的半自动铸造生产线,更有机械化,自动化程度较高,投资规模庞大的现代化V法铸造车间。但是根据大量的调研与实践,发现部分设备和工装难以满足铸件产品的生产工艺要求,致使生产受阻或产品质量难以保证。尤其是造型过程中覆膜成形,加砂震实,抽真空起模工序,相应设备工装的特点明显影响着铸型和铸件质量。

1、覆膜架设计对覆膜成形的影响

烤膜覆膜作为V法铸造的第一步,直接影响着整个造型的质量和效率。EVA薄膜只有在加热烘烤到一定程度的时候,其延伸性也就是通常所说的覆膜成形性能才能达到最佳状态。然而,从烘烤结束到薄膜下降至模具的过程中,EVA薄膜由于逐渐远离热源,会很快冷却,脱离最佳覆膜状态。这就要求覆膜架在极短的时间内,完成覆膜动作。大量的工艺实践表明,覆膜架在5s内下行到位是最为合适的,时间越长,对薄膜原有的热态延伸性削减越大。一个简单的公式:T=S/V;(T—覆膜框行走时间;S—覆膜框行程,即EVA薄膜加热位置与模具台面的距离;V—覆膜框下降的平均速度)显然,覆膜框行程和下降的速度直接影响着行走时间,也就影响着覆膜成形的质量。

 

1 覆膜成形瞬间

覆膜架带动EVA薄膜下降过程中与空气产生的对流运动必然形成对整张薄膜的浮力,进而造成薄膜的向上运动,并使薄膜自身产生一定的张力,即薄膜内部区域对外部区域的拉力作用(图1)。根据空气动力学原理,对流速度越快,也就是覆膜架下降的速度越快,这种浮力越大,整张薄膜向上浮动的速度也就越大,同时,对薄膜的拉伸作用也越明显。这种浮力不但会使EVA薄膜容易上浮并接触到红热的电热丝或者电热管烫破,也有可能使热态强度很低的薄膜在拉力作用下直接拉裂;采用数学模型去定量的给出覆膜框下行速度的参考值是很困难的,因为柔性极强的薄膜在覆膜框带动下运动的受力状态极其复杂,直接的生产调试控制速度过快是比较现实的办法。值得注意的是,覆膜架下行过程中加速度太大会造成EVA薄膜强烈颤动,这往往源于气动控制装置稳定性太差、速度变化过分强烈。这种不必要的震荡对于热态下强度很低的薄膜也是非常危险的。图2则为某生产现场因为覆膜框震荡造成EVA薄膜破裂的现象。

 

2 覆膜过程振荡及破裂瞬间

 

3 覆膜架行程过高案例

为了保证在足够短的时间内覆膜完成而又不至于因速度过快对EVA薄膜造成不必要的影响,覆膜行程高度的设计也是很重要的一方面。而覆膜行程高度过高(如图3),也正是是造成覆膜下降时间过长的主要原因。当然,覆膜行程高度,不仅要考虑覆膜时间,也要考虑模具的高度,甚至有时候也要考虑完成其他工序时工人的作业空间。这需要根据具体的铸件产品和其他工装设备的因素去综合衡量。但是,保证覆膜框在5s内下行至模具是明确的,

也是合理的。

2震实台震实效果的不理想造成铸件尺寸或重量精度超差

 

4 砂子紧实度与铸型强度和硬度的关系

V法造型过程中,震动是获得高紧实度砂型的重要环节。V法铸型的硬度和强度,不仅与我们常规理解中的砂箱的真空度有关系,震实效果也是很重要的一方面(如图4所示)。在震实不够的情况下,有时候通过高的真空度,可以获得较高的铸型硬度,但这只是一种假象,砂型强度往往是不足的。在砂型抽真空,翻转,转运,合箱,浇注等过程中产生的波动又会造成铸型内砂子形位的重新排布进而引起铸型强度,结构尺寸等的变化。而这些变化反映到铸件上,则表现出铸件尺寸或者重量精度超差等质量问题。目前在震实台设计中,对于振幅,震动频率,激振力及如何配置振动电机等问题往往模棱两可,缺乏基本的核算依据。可借鉴的参考数据是,振幅0.5mm左右,频率不低于1500/min可以达到比较好的震实效果。不太理想的是,部分震实台的设计参数并不满足推荐的经验数据。而铸造企业在使用的过程中则常常发现,震实台激振力不够或过强,振幅不足或过大等一系列问题。这就是为什么同样的铸件,同样的砂箱,同样的模具,在不同的厂家,震实时间,震实效果有差异的原因。更有甚者,震实台振动电机缺乏基本的变频功能;哪怕具备变频特性,也不根据震实台负载的变化合理调整频率,激振力等参数,以至于震实台发挥不了应有的作用。随着V法铸造向复杂结构铸件的延伸和拓展,原有的一维震实台显然已经难以保障横向纵深部位的填充紧实(如图5),必须采用更为可靠的三维震实台。但是部分企业始终意识不到这个问题,而因为这个问题而出现的粘砂或者尺寸失准问题比比皆是。

 

5 铸件横向纵深部位的粘砂

3 起模机构对铸型质量的影响

V法造型过程中,EVA薄膜与模具之间有一定的粘附力存在。再加上砂型的挤压作用,使得起模过程中薄膜与模具之间存在明显的摩擦。在提倡V法铸造工艺少无拔模斜度的要求下,无疑对起模机构的平稳性有较为严格的要求。目前,大部分厂家已经采用顶杆起模机(如图6),甚至自动化程度更高的机械手完成起模动作(如图7)。相比之前的行车起模和简单的千斤顶起模方式来说,起模的安全性和稳定性已经有了很大进步。但是,在越来越多精密铸件成形的过程中,逐渐发现部分起模顶杆或者机械手的精度和强度问题。主要反映在起模顶杆导柱导套所用材质的质量和数量不够达标,或者不经过应有的热处理工艺,造型起模顶杆强度和刚性不足。再加上加工或安装精度不够,造成起模过程中顶杆的挠曲变形和起模不稳,致使铸型部分位置擦伤破损,影响铸型完整性,造成铸件粘砂,甚至塌箱等缺陷。对于一些多筋板或具有相当高垂直面的铸件而言,这种擦伤铸型的现象尤为普遍。而个别自动化程度很高的机械手,运转稳定性差,末端柔性不足,在运转过程中产生震荡或者难以急停,甚至不能保证最起码的定位及真空对接精度,直接影响铸型在起模翻转等过程中的安全性。随着V法成套装备生产线自动化和机械化水平的提升,对起模机构的使用要求越来越高。这就需要我们在这些关键的造型设备方面,提高设计,制造,安装的精度和可靠性,以充分保障造型质量和铸型安全。

 

6 液压顶杆起模装置

 

7 机械手起模瞬间

4、砂箱结构对铸型铸件的影响

V法铸造用的砂箱,其结构形式直接决定着砂箱内负压场的形成和分布,也就决定着铸型强度的大小和均匀性。但是,不少观念错误的认为,只要砂箱里面能够抽气就行,至于怎么抽,抽多少,都无关紧要,只要不塌箱即可。所以目前,既有单纯的抽气管抽气的砂箱,也有靠四壁抽气的砂箱,最复杂的则有四壁抽气并外加箱带或抽气管辅助的形式;似乎都达到了同样的目的,都能生产出铸件。然而,产生的影响却是不一样的。生产上习惯了用真空度来衡量或者表征铸型的强度,认为真空度越高,铸型强度越高,塌箱的几率也越小;实际上,对于砂箱来说,真空的形成是气体流动的结果,是型腔内的空气被真空系统抽走之后形成的。而铸型不可能是完全密封的,始终处在一种气体泄入并被抽走的过程中。显然,距离抽气口越近,气体被抽速度越快,那么从气流角度分析,越靠近砂箱四壁和抽气管的地方,真空保持的越稳定,强度也越高。浇注之前,外界气体泄入量往往较小,会被及时抽走,不会对铸型强度造成不利影响。但是,浇注过程中,随着大面积薄膜的烧蚀,外界气体泄入量剧增,如果泄入的气体不能被及时抽走,铸型内部气压上升强度降低,就会造成塌箱。有时候尽管砂箱已经有四壁抽气甚至还有少量抽气箱带或者抽气管,而且真空度还很高,仍然会塌箱。这就是因为局部气体难以迅速逃逸造成局部砂型强度下降的结果。有人提出低负压大流量的说法,明确显示出负压很低但是整个生产过程非常安全。其实这就是砂箱结构布置合理的效果。抽气面积越大,抽气位置越均匀越合理,泄入气体排出越快,真空及铸型强度稳定性越好,塌箱危险性也越低;

另有观点认为,只要整个铸型处在一个负压场下,各点的强度应该是一样的。实则不然。实践表明,同一个铸型,各点的强度是有差异的。如对于一个仅有四壁抽气的砂箱来说,铸型的强度往往由砂箱四周向中心逐渐减弱的趋势,而砂箱轮廓越大,这种趋势越明显。微观上来讲,砂型强度是靠砂子之间以及砂子与砂箱直接的摩擦力建立的。砂箱四壁和箱带都对砂子有较强的摩擦力,也就加强了其附近砂型的强度。某厂在采用V法工艺生产球铁桥壳过程中,由于砂箱未加箱档或抽气管,尽管系统真空度较高,但是铸型强度及刚性不足,完全抵挡不住球墨铸铁凝固过程中的石墨化膨胀,严重胀箱,造成铸件内部组织致密性不够,同时分型面产生极大的飞边,致使铸件报废。砂箱及铸件如图8所示。

  

8 球铁车桥生产用砂箱及废品铸件

铸型强度不够或者不均匀,在有些具有大平面特点的铸件生产上,不能很好的减小或防止铸件在冷却过程中的变形。有时候常常为了落砂的简易性,对于下箱往往不加箱档,以利于铸件直接从砂箱脱出。这是不合理的。上下箱必须都设计抽气箱档,才能有效保障铸型强度的均匀性及上下铸型强度的对等性。图9、图10为某厂生产某种型号的铁路侧架铸件的上下箱结构图。另外值得一提的是,砂箱结构设计合理,对于同一套真空系统来讲,可能同时允许接入的砂箱数量就会增加,意味着真空系统的利用效率明显增强。


9 侧架铸造用上砂箱

 

10侧架铸造用下砂箱

不难看出,工艺装备的结构特性深刻影响着铸型和铸件质量。在装备应该力求为工艺服务的共识下,有必要进一步观察工装特点如何才能更好的满足工艺生产要求,以保障铸型和铸件质量。V法铸造迎来蓬勃发展的今天,需要更为合理可靠的工艺工装来保障,这也需要相关从业人员加强沟通交流,以促进V法铸造健康快速发展。

参考文献:

[1] Herman-Sinto V-Process Company.V-Process Technical Know How Book[M].North American 1977.

[2] 叶升平,周德刚,郝礼. V法铸造图片集[M]. 华中科技大学出版社,2011.

[3] 郝礼.V法铸造工艺关键问题数值分析及生产线设计[D]. 硕士学位论文. 华中科技大学,2011

[4] 张海勋.铸钢件V法铸造工艺设计创新实践[C].第十届消失模与V法铸造学术年会论文集.2011

[5] 张海勋,张建满.中小型铸钢企业V法铸造技术应用注意事项[C].第十一届消失模与V法铸造学术年会论文集.2013

第一作者简介:

张建满,男,19899月生;全国消失模与V法铸造技术委员会秘书;

华中科技大学材料科学与工程学院,材料成形与模具国家重点实验室;

手机:13545239290 E-mailzhangjianman66@163.com