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2.3 铸造工艺与设备

2.3.1 造型与制芯

1. 造型

造型就是用型砂和模型制造铸型的过程。造型方法分手工造型和机器造型两大类。手工造型主要用于单件和小批生产,也用于形状复杂和大型铸件的生产。在大量生产时,主要采用机器造型。

1)各种手工造型方法的特点和应用

手工造型时紧砂和起模是用手工来进行的,其操作灵活,适应性强,模型成本低、生产准备时间短,但铸件质量较差,生产率低,且劳动强度大。因此,主要用于单件、小批生产。

在实际生产中,由于铸件的尺寸、形状、生产批量、铸件的使用要求,以及生产条件的不同,手工造型有着各式各样的造型方法。合理地选择造型方法,对于获得合格铸件、减少制模和造型工作员,降低铸件成本和缩短生产周期是非常重要的。

表2-3为常用手工造型方法的特点及其适用范围。

表2-3 常用手工造型方法的特点及其适用范围

2)机器造型及其工艺特点

机器造型是现代化铸造车间生产的基本方式。它可大大提高劳动生产率,铸件尺寸精确,表面光洁,加工余量小。同时,可大大改变铸造车间的落后面貌,改善工人劳动条件。在大批量生产中,尽管机器造型所需要的设备、专用砂箱和模板投资较大,但铸件的成本还能显著的降低。

(1)紧砂方法。机器造型紧实型砂的方法见表2-4。

表2-4 常用的砂型铸造机器造型比较

(2)起模方法。除抛砂机外,退型机大都装有起模机构,其动力也多是应用压缩空气。起模机构有顶箱、漏模和翻转三种。

(3)工艺特点。机器造型是采用模板进行两箱造型的。模板是将模型、浇注系统沿分型面与底板连接成一整体的专用模具,造型后底板形成分型面,模型形成铸型型腔。

机器造型多采用单面模板造型,其特点是上、下型以各自的模板,分别在两台配对的造型机上造型,造好的上、下半型用箱锥定位而合箱。对于小铸件生产有时采用双面模板进行脱箱造型。双面模板是把上、下两个半型及浇注系统闭定在同一模板的两侧,此时,上、下两型均在同一台造型机上制出,铸型合箱后将砂箱脱除,并在浇注前在铸型上加套箱,以防错箱。

机器造型是不能进行三箱造型的,同时也应避免活块,因为取出活块费时,使造型机的生产率显著降低。因此,在设计大批量生产的铸件及确定其铸造工艺时,须考虑机器造型这些工艺要求,并采取措施予以满足。

目前造型多采用高速高压造型机,其比压为10~30kg/cm 2 ,以生产密实度高的砂型,可显著提高铸件的尺寸精度。这种造型机的生产率极高,造型速度可达300~360箱/h。砂箱尺寸可至1200mm×1300mm,能对各种铸件施行一箱多铸生产,并能在几分钟之内更换模型。砂型硬度与模型至砂箱间距离、铸件形状、砂箱尺寸、造型比压等因素有关,应根据实际情况来确定。由于型砂配比和混拌情况对铸件质量有很大影响,必须认真研究,严格管理。壳型造型是以复膜树脂砂或粉末树脂砂用翻斗法或喷吹法成型的。喷吹法的优点在于可以控制壳层厚度,壳层的紧实度好、强度高。

2. 制芯

和制造砂型一样,可用手工造芯、机器造芯。在大量生产中多采用机器造芯。手工造芯方法也有很多种,但主要是用芯盒造芯。

为了提高砂芯的强度,造芯时在砂芯中应放入铸铁芯骨(大型芯)或铁丝制成的芯骨(小型芯)。为了提高砂芯的透气能力,在砂芯里应做出通气孔,做通气孔的方法有:用通气针扎孔,埋蜡线形成复杂通气孔,在大型芯内部填放焦炭等。为了提高砂芯的退让性,大型芯可做成空心的,或在芯骨上缠上草绳。

制芯一般使用吹芯机或射芯机。吹芯机是以5~7 kg/cm 2 的压力将油砂、CO 2 干燥砂吹入芯盒,制成砂芯。壳芯制造可使用高效壳芯吹芯机。射芯机是靠安装在储气罐和砂斗之间的射芯阀的开合,将砂射入芯盒内制芯,流动性差的砂也能使用。

2.3.2 熔化

汽车铸件壁薄而形状复杂,容易发生铸造缺陷。此外,对材质强度与抗压性的要求高,必须以高超的铸造技术进行生产。所以,熔化时除应注意材料管理外,必须使熔化炉经常保持恰当的熔化条件。熔化可单独采用冲天炉,近来也多采用冲天炉与低频感应电弧相结合的双联熔化方式。最近,由于30~40t大型坩埚低频感应电炉制造技术的完成,可单独使用坩埚低频感应电炉进行熔化,或是与槽型低频感应电炉结合进行双联熔化。低频电炉中的铁水成分与熔化温度容易控制,铸件质量稳定。

1. 普通铸铁熔化

表2-5(1)列举了各种熔化法所用的材料配比。不论采用哪种熔化方法,都应尽量防止高温熔化时铁水被氧化以及铁水氧化所引起的铸造缺陷。铁水成分的炉前分析多采用反射光谱分析仪与碳当量仪,必须将分析结果迅速反映到操作条件的控制上去。

2. 球墨铸铁熔化

熔化炉一般使用碱性冲天炉、无衬冲天炉与低频感应电炉,其原料配比见表2-5(2)。由于冲天炉与电炉都能单独熔化回炉料与钢屑,所以无需使用高价生铁。

球墨铸铁熔化时,应尽量降低铁水中的含硫量与含氧量,以及石墨球化所需要的镁合金加入量。因为镁合金加入量过大时,容易发生球铁所特有的缩孔、夹渣等缺陷,对于耐压铸件尤其应注意。

3. 可锻铸铁熔化

熔化炉有冲天炉、电弧炉、反射炉与低频电炉等数种,这些熔化炉虽可单独使用,但多和冲天炉结合进行双联熔化。为使铸件材质稳足,必须严格控制铁水的成分。黑心可锻铸铁(FCMB28)熔化时的炉料配比见表2-5(3)。

2.3.3 铸造类型

1. 砂型铸造

铸件设计对铸件质量的稳定起着重要的作用。例如,应尽量减少铸件壁厚的差别,以及为了防止薄壁端部白口化而采取工艺增厚等措施。汽车铸件常因减轻质量或自身冷却的要求,需用夹层砂芯,这些砂芯的形状应尽量设计得简单些,并便于排气。现在多采用高速高压造型。造型、拆箱和其他工序几乎全部自动化,以节省人力,提高生产率。一般来说,铁水先经孕育处理再注入砂型。孕育处理是为了改善石墨形状,提高质量,防止薄壁部位微冷硬化,改进切削性。使用Fe-Si、Ca-Si等孕育剂。

表2-5 各种熔化方法的炉料配比

以往,浇注工序是用人工操作铁水包。最近,为了节省人力,改善劳动环境,已采用自动浇注装置。其形式可分为:①倾动式自动浇注装置;②柱塞式自动浇注装置;③加压式自动浇注装置;④电磁泵式自动浇注装置。这些装置的可靠性不断提高,可收到预期良好的经济效果。

浇注后,已经冷却的铸件经过捅型机、震动落砂机、除芯机等拆箱、落砂,再经抛丸机和抛丸清理滚筒充分消理后,送去热处理或机械加工。拆箱后的旧砂于分解、冷却之后,经过磁力分离筒和筛砂机,最后送至砂斗储存。

2. 压力铸造

压铸机可分为热压室与冷压室两类。铝合金与镁合金一般采用冷压室压铸机。保温炉装在压铸机近旁,金属液由自动进给装置从保温炉中掏出,送到压室内,然后在高速高压下于压铸型内成型。压铸件表面粗糙度、尺寸精度也比砂型铸件高。此外,由于金属液在金属型内的冷却速度极大,所以铸件机械性能显著提高。表2-6对比了压铸件和砂型铸件的机械性能。

3. 金属型铸造

将液态金属浇入金属型内,靠金属液自身质量充满型腔的铸造方法称为金属型铸造。金属型铸件的尺寸精度高,机械性能好,但因金属型的成本高,故多品种少量生产时的经济性差。与压力铸造相比,其生产率虽较低,但在一人可操作数台自动化铸造机的情况下,能够高效率地生产活塞。

表2-6 各种合金压铸件与砂型铸件的机械性能

4. 低压铸造

使密闭坩埚内的金属液在低压(0.05~0.5kg/cm 2 )下注入铸型内,称之为低压铸造法。由于直到最后凝固时,浇口中的液态金属始终承受着压力作用,所以可以得到非常致密的铸件。这种方法常用于制造汽缸盖、制动鼓之类的铝合金铸件。

2.3.4 热处理

1. 普通铸铁

为了消除铸造应力,可将铸件于500~600℃保温数小时而后冷却。加热温度若高于600℃,将使强度下降,应予注意。此外,为了使合浇铸铁凸轮轴的凸轮硬化,提高耐磨性,可施以高频淬火或火焰淬火。

2. 球墨铸铁

为了得到预期的机械性能,可进行退火或正火。

3. 铁黑心可锻铸铁

是在920~940℃经10~30h保温,随后在700~740℃经20~45h保温的可锻化退火制成的。

2.3.5 落砂清理

1. 落砂与抛丸

铸铁汽缸体与汽缸盖等是采用复杂砂芯的铸件,应在除芯机上去掉砂芯,并在悬链抛丸机上清理。小型铸件则在抛丸清理滚筒内清理。以钢丸为抛射体。

2. 清除披缝

对汽缸体、汽缸盖等主要铸件,应用专用磨床清除披缝。其他小型铸件则可使用悬挂式砂轮机、双头砂轮机与手提式砂轮机清除披缝。铝合金铸件披缝的清理使用的是带锯或双头砂轮机。 oy3xq8/i2CQMO8xYAvtZIPfye54rNAhcPylDLePmWMIAjmEJoLfXTpb3Da1QRTWI

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