《复合精铸工艺技术研究与应用--20131021》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复合精铸工艺技术研究与应用--20131021（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1复合精铸工艺技术研究与应用东风精密铸造有限公司 蓝勇 陈辉 陶思波 周春燕 华中科技大学 叶升平摘摘 要：要：本文介绍了一种新型的复合精铸工艺，系统研究了 EPS(可发性聚苯乙烯)模样制作与表面光洁化处理和制壳等相关工艺技术，解决了 EPS 模样表面质量差、模样收缩变形、制壳涂挂性差、模壳焙烧破损等技术难题，实现了 EPS 模复合精铸技术在汽车低合金复杂碳钢件中的大批量生产应用。结果表明，与低温蜡模料工艺对比，制模效率提高 2 倍以上，制壳模组总重量减少一半，免脱蜡，铸件尺寸精度达到 CT6 级，表面质量达到 Ra6.3，满足汽车铸件质量要求，技术与经济效益显著。关键词：关键词：复合精铸 碳
2、钢件 应用Research and application of composite investment casting techniqueDongfeng Investment Casting Co., ltd. Lan Yong Chen Hui Tao Sibo Zhou ChunyanHuazhong University of Science and Technology Ye ShengpingAbstracts: This paper presents one new composite investment casting technique and systematical
3、ly studies the related processes including pattern making, surface smoothing disposal and shell-making, etc. It has solved the following technical problems including poor surface quality, pattern contraction distortion, poor shell-making coating property and destroy in shells roasting. The EPS inves
4、tment casting has achieved volume-production in complicated automobile lower alloy carbon steel castings. Compared with lower temperature wax process, it shows that: the pattern-making efficiency is increased by 2 times; total shell weight is decreased by 50%; it is free of dewaxing process; the dim
5、ension precision degree reaches CT6; surface quality reaches Ra 6.3. The quality specification of automobile casting is assured and technical and economical benefits are obviously improved.Key words: composite investment casting; steel casting; application前言前言东风精铸公司是国内规模最大的精铸企业之一1，主要以生产汽车零部件为主，开发 的产
6、品覆盖重、中、轻、轿、微、农、特的全系列车型，同时也包含部分铁路、农用、矿 山等机械产品。东风精铸近年来致力于为用户提供产品轻量化设计及制造服务，为整车减 重、减排及削减成本提供有利支撑，得到广大用户的认可，从而拓展了精铸件的市场份额。2随着轻量化工作的深度展开，产品功能集成度得到了提高，精铸件逐渐朝着大型化方面发 展，产品的大型化势必要求模组的大型化。另一方面，为了提高工艺出品率及生产效率， 削减制造成本，也要求模组朝着大型化方向发展。公司现有的工艺为硅溶胶水玻璃复合 型壳工艺，10kg 以下的小件需要涂制 68 层的型壳，大件则需要涂制 9 层以上。如此多的 制壳层数，带来的诸如原辅材料消
7、耗过多、制壳劳动强度大、制壳效率低和焙烧能耗高等 系列问题，大型铸件由于模壳太重（50kg 以上） ，制壳操作问题更为突出。 现有工艺制约了精铸件模组大型化的发展，不利于大件产品的开发及铸件制造成本的 削减。为此，公司提出用 EPS(可发性聚苯乙烯)模代替蜡模，采用 35 层复合型壳，焙烧 后埋砂负压浇注或热壳浇注的新型铸造工艺，相关的研究工作也随之展开。1 1 国内的研究国内的研究本课题所研究的复合精铸工艺是一种集成消失模铸造和熔模精密铸造两种工艺优势, 通过融合与创新后开发出的新型铸造工艺 2，国外称 Replicast CS 工艺，本文将其简称为 EPS 模复合精铸工艺。该工艺主要应用于
8、各种少无切削精密铸件的生产，它可以有效的克 服了熔模铸造难以用于大件以及成本高、工艺复杂的不足，采用负压造型实现了无粘结剂 干砂造型，浇注前失模技术解决了铸钢件增碳问题，提高了铸件质量，减少了污染物的排 放。因而它适用于包括低碳钢和合金钢在内的所有合金的铸造。这种工艺具有许多显而易 见的优点，赢得了铸造界的关往，被认为是铸造行业具有广阔发展前途的一项突破性铸造 工艺。但由于专利保护方面的因素，该工艺在国内外并没有得到广泛应用。 沈阳铸造研究所、清华大学和沈阳第一阀门厂曾于 1991 年开发出了“塑料模精铸 负压”复合铸造工艺，相当于 Replicast CS 工艺，但在 10 年的时间里该工艺
9、仅应用于生产 G125Q4lF16P-l 型不锈钢球阀铸件34。安徽应流集团直接引进英国 Replicast CS 工艺的专 利，在消化吸收的基础上于 2008 年 3 月申报名为“一种陶瓷壳消失模精密铸造工艺”的 发明专利，由于生产成本高于熔模精铸的硅溶胶水玻璃复合工艺铸件的成本，批量应用 的产品较少。 在国内，对 EPS 模复合精铸工艺进行大批量工业化应用研究的企业很少，具体的工艺 技术还有待开发。本课题所研究的工艺是一种有别于 Replicast CS 的新型 EPS 模复合精铸 工艺，它在成本方面更具有优势。2 2 工艺路线工艺路线工艺总体技术思路：采用消失模成型模样代替蜡模，按熔模精
10、铸复合制壳工艺制备型 壳，型壳焙烧后振动造型负压浇注或直接在线热壳浇注，生产出精度与熔模精铸相当的铸 件。以下为具体工艺流程图：图图 1 工艺流程图工艺流程图预发泡 EPS珠粒 熟化 模样成型发泡 干燥 表面处理 组装 35 层复合工艺制壳 失模 型壳焙烧 埋砂振实 负压浇注 砂处理 倒箱落件 热壳浇注 方案 1 方案 2 落件 33 3 制模制壳工艺研究制模制壳工艺研究3.13.1 制模工艺制模工艺3.1.13.1.1 聚苯乙烯珠粒的选择聚苯乙烯珠粒的选择相对于消失模铸造，EPS 模复合精铸工艺要求铸件有更好的表面光洁度和更高的尺寸 精度，这就要求 EPS 模具有强度高、表面质量好和收缩量小
11、而且稳定等特点。通过对国产 现有 EPS 珠粒比较，选择的珠粒规格如表 1 所示： 表表 1 EPS 珠粒规格珠粒规格项目粒径（mm）相对分子量可发倍率（倍）指标0.30.50（4.05.5）1041530前前期期资资源源筹筹划划与与准准备备 EPS 珠粒预发及模 样制造工艺研究 预发密度 及成 型工艺研究 EPS 珠粒规格型号 对模样质量的影响 EPS 模与蜡模表面质 量分析，寻求提高EPS 模表面精度方案 EPS 模表面处 理工艺研究 工位器具的设 计与选择 高强度薄 壳制备技术 研究 制壳工艺参数 的优化 模壳强化剂的 类型与加入量 热 壳 浇 注工艺 研究 焙烧温度对型壳 收缩率的影响
12、 失模方案研究及温 度对 EPS 模的影响 型壳失模方案及 焙烧工艺研究 负压 度和浇注 温度 对金属 液 充型的影响 热壳浇注对铸 件缩尺的影响 工工业业化化应应用用 埋砂 负压 浇注工艺 研究 图图 2 技术研究路线示意图技术研究路线示意图43.1.23.1.2 EPSEPS 模成型工艺模成型工艺EPS 模成型工艺是 EPS 模复合精铸的关键技术之一，只有高质量的 EPS 模才能生产出 高精度的铸件。 采用蒸汽预发机对 EPS 珠粒进行预发泡，预发温度为 85100。预发后的珠粒放到 硫化床中干燥，待熟化 4h 后可进行成型发泡。 根据公司的实际情况，采用蒸汽加热式半自动成型机作为成型发泡
13、设备。通过试验， 确定 EPS 模成型工艺如下： 表表 2 EPS 模成型工艺参数模成型工艺参数注料压力 （MPa）蒸汽压力(Mpa)模具预热时间(s)入料时间(s)加热时间(s)冷却时间(s)0.30.50.070.0910158123040801003.1.33.1.3 EPSEPS 模表面处理工艺模表面处理工艺国产的 EPS 珠粒价格只有进口的三分之一，但带来的问题是生产的模样表面存在网纹， 无法达到蜡模的水平。若采用进口的 EPS 珠粒，模样的表面质量提高了，但成本太高，无 法批量应用。如何提高 EPS 模的表面光洁度决定着 EPS 模复合精铸工艺的成败，目前国 内外尚无可推广应用的处
14、理工艺。 当小量生产时，国内厂家偶尔用表面光亮剂对 EPS 模进行表面处理，但效率很低，而 且焙烧残留物较多，不适合于批量应用。 经过多轮的试验，项目组最后开发出石蜡基表面处理剂和相关处理设备，经过表面处 理后的 EPS 模，表面光洁度与蜡模相当，效率满足批量生产要求。处理效果见图 3 和图 4。 3.23.2 超薄型壳制备工艺超薄型壳制备工艺超薄高强度型壳制备是 EPS 模复合精铸工艺的另一项关键技术，国内外采用的是全硅 溶快速制壳工艺5-9，制壳成本相对较高，而且国内外都申请了专利保护。东风精铸公司 目前制壳采用的是硅溶胶水玻璃复合型壳工艺，制壳成本较低，铸件表面光洁度满足 技术要求，但型
15、壳强度比全硅溶胶型壳低。通过在涂料中加强化剂，提高现工艺型壳强度 是比较可行的方案。经试验及批量验证确定的制壳工艺如下：表表 3 制壳工艺参数制壳工艺参数涂料层次涂料类别强化剂涂料粘度 （S）撒砂备注面层硅溶胶+石英粉60-6580-120 目莫来石砂第二层硅溶胶+石英粉高聚物 18-2230-60 目莫来石砂第三层水玻璃+莫来石铝、硅、30-3616-30 目莫来石砂用水玻璃预湿，三层处理前的 EPS 模表面图图 3 表面处理前后表面处理前后 EPS 模之间和铸件之间对比图模之间和铸件之间对比图处理后的 EPS 模表面未处理的铸件表面EPS 模处理过铸件表面5半模壳第三层撒 10- 20 目
16、莫来石砂第四层10-20 目莫来石砂半层粉硼系材料不撒砂制壳层数一般为三层半至四层半，比传统精铸型壳减少三层，型壳厚度仅为原工艺的 一半，制壳材料可减少 50%，制壳劳动强度可降低 40%，创新效果显著。4 4 失模和焙烧工艺研究失模和焙烧工艺研究4.14.1 EPSEPS 模加热温度与尺寸变化特性模加热温度与尺寸变化特性了解 EPS 模随温度升高其尺寸变化的规律，是制定合理的高低温失模工艺的前提条件。 通过千分尺测出 EPS 试样在各温度点的尺寸值，并绘出相应的膨胀与收缩曲线。测试过程 采用的试样尺寸为 202025mm，密度为 35kg/m3。从图 4 的曲线可以看出，EPS 试样在 80左右开始膨胀，在 108附近膨胀达到最大 值（约 15%） ，之后急剧收缩，在 130时收缩率达到了 45%。4.24.2 失模工艺研究失模工艺研究将 EPS 模去除掉的工艺称为失模工艺，失模是为了解决铸件增碳问题，同时可以减少 碳缺陷。电阻炉（或焙烧炉）焙烧、点火燃烧、有机溶
