垂直造型线1

垂直分型无箱射压造型线应用中的几个工艺问题

*近30年来，从通过机械化、自动化以求提高劳动生产率，到着重于降低生产成本和提高铸件的尺寸精度，粘土湿砂造型技术有了重大的发展。

目前，又进一步以实现铸造产品的近净形化和改善作业环境为目标，并取得了可喜的进展。

现代粘土湿砂造型工艺和设备是多种多样的，并各有所长，但其共同的特点则是制造高紧实度的铸型、提高生产率和降低造型作业时产生的噪音。

垂直分型无箱挤压造型机是有代表性的现代造型设备中的一种，尤适用于生产小型和中等偏小的铸件，已为世界各国广泛采用。到目前为止，我国采用此类造型设备的铸造厂估计在100家以上。

为使造型设备充分发挥其能力并保证生产高质量的铸件，一切工艺措施和控制都应从设备的特点出发。以下就型砂、模具和浇注系统等三方面，对若干要点加以评述，供有关铸造厂的人员参考。

型砂是影响铸件质量的重要因素之一，型砂控制是铸造厂生产过程控制中的重要环节。

1、对原材料的要求

（1）原砂

垂直分型无箱造型工艺和类似的射压造型工艺，对原砂的粒度并无特别严格的要求。但是，为使铸件表面粗糙度较细，一般不宜采用太粗的原砂。铸型的尺寸愈大，则浇注时铸型中的静压头愈高，为减轻粘砂倾向，反而应采用稍细一些的原砂。我国铸造工人往往持一种似是而非的观点，以为铸件大些就应该用较粗的砂，实际上是不合适的。

对于较小的机型，建议采用平均粒度为0.14~0.20mm的原砂。按我国标准GB9442-88，约相当于15组的原砂，按JB2488-78，则相当于约75/150，且偏粗的原砂。

对于较大的机型，建议采用平均粒度为0.14~0.18的原砂，按我国标准GB9442-88，约相当于15组偏细的原砂，按JB2488-78，则相当于约75/150，且偏细的原砂

原砂的粒度分布，以集中于3~4筛者为好。

对原砂的颗粒形状，一般不作限定，但是，对于有深砂台、脱模困难的铸型，则应采用圆形的原砂。用圆形砂配制的型砂，其脱模性能比用多角形原砂都好得多。

用于制造铸铁件的原砂，烧结温度应不低于1400℃。与此相应，其SiO2含量一般应在90%以上，个别情况下，可允许降到85%。生产铸钢件时，原砂的SiO2含量一般应不低于96%。

原砂的含泥量应在0.5%以下，这对控制型砂的总含泥量是有益的。

（2）膨润土

钠膨润土有很多优异的性能，如膨润值高（用以配成的型砂有较好的抗夹砂能力），热稳定性好（铸型浇注后，型砂中的膨润土因受热而成为死粘土的份额较少，即膨润土的耐用性好）等，都是钙膨润土所不及的。

但是与钠膨润土相比，钙膨润土也有不少长处，如：用钙膨润土配砂时所需的混砂时间较短，型砂的湿抗压强度较高，型砂的流动性较好，铸型浇注后落砂性能较好等。

因此，不能笼统地说钠膨润土比钙膨润土好，要视具体情况和特定要求有分析地选用。即使在钠膨润土资源丰富的美国，采用粘土湿砂工艺的铸造厂，一般也不全用钠膨润土，通常多同时采用两种膨润土，适当地配用，以各取其所长。

对于制造高紧实度的铸型，型砂的流动性和浇注后的落砂性能是十分重要的，选用钙膨润土作粘结材料显然是适宜的。特别是垂直分型无箱造型设备，每一造型循环终了，都要经过刚制成的铸型推动线上的一组铸型前进，故要求型砂的湿抗压强度高。新型设备两侧装有夹紧板，将一组铸型夹紧后推进，不由铸型推动铸型，采用这种方式，也对铸型强度有很高的要求。在此种条件下，采用钙膨润土就更有其独到之处。

在我国目前尚缺乏钠膨润土的条件下，建议选用质量优良、性能稳定的钙膨润土作型砂粘结剂。具体要求是：

蒙脱石含量不应低于75%；

水分不高于12%；

95%（重量）以上能通过0.075mm的标准筛；

膨润质（或胶值价）和试样的强度性能稳定；

吸蓝量数值稳定。

（3）煤粉

型砂中的煤粉应符合以下要求：

灰分      ≤10%；

水分      ≤3%；

挥发分    30~40%；

含硫量    ≤1%；

关于煤粉的粒度要求，我国机械行业标准JB/T9222-1999中规定：“应有95%以上的颗粒通过0.106mm的筛孔”。实际上，采用这种细粉的负面作用很多，**采用粒度在0.425mm筛和0.075mm之间的粒状煤粉，以不同的粒度级配适应不同的生产条件。

2、对型砂性能的要求

此种造型设备所用的型砂，对其性能的要求是由此种工艺的特点所决定的。在许多方面都不同于一般使用的粘土湿型砂。确保型砂性能符合要求，是保证铸件质量并使设备在良好的状态下运行所必需的。

为确保型砂的质量稳定、一致，还需严格规定各项性能的检测频次。

（1）型砂的性能

各种型号的造型设备对型砂性能的要求基本上是相同的，但是，制造的铸型尺寸不同，性能要求也随之小有差别，见表1。

表1    造型设备对型砂性能的要求

（2）各项性能的检测频次

根据型砂性能检测的常规和应用此种造型设备的经验，作如下规定。

每小时检测一次的项目：

可紧实性；

湿抗压强度；

水分。

每一工作日检测一次的项目：

活性膨润土含量；

湿抗拉强度可抗劈强度；

透气性。

每周检测一次的项目：

含泥量；

灼烧减量；

挥发分；

基砂粒度（积累数据，供分析研究用）。

3、对一些主要性能的说明

（1）可紧实性

粘土湿型砂的可紧实性直接反映型砂的混制程度，其测定方法简便，可得到量化的数据以代替手感，是广泛采用的控制型砂性能的重要指标之一。

使型砂通过3mm的筛网松散地填入Φ50mm，高100mm的试样筒，将试样筒上端的余砂用刮板刮去，然后用压头给型砂施以1MPa的压力或用标准重锤打击3次，测定试样筒内型砂经紧实后高度下降的毫米数。由于试样筒高100mm，这一读数也就是其高度下降的百分数，即可坚实性数值。

在不同的造型条件下，对型砂可紧实性的要求是不同的。

用射压造型机造型时，填砂空间的容积是固定的，压实时压头的行程基本上也是一定的。如果型砂的可紧实性太高，则会出现压头加压行程已经到位而铸型仍未达到预期紧实度的情况，这就会导致铸件上产生冲砂或粘砂等缺陷。

用垂直分型造型机造型时，虽然射砂后压实的行程并不固定，而是以一定的压强压实铸型，但是，即使在此种情况下，型砂的可紧实性太高，除导致铸型厚度减小外，也会使铸型的紧实度降低，在砂台部位及射砂的盲区尤为显著。

按照实际生产经验，型砂可紧实性的指标**是40±2%。在实际生产条件下，将可紧实性控制在如此窄的范围内是有困难的，但无论如何都应控制在40±5%的范围内。

如果回收旧砂的温度、水分变化较大，混砂条件又不尽相同，则型砂自混砂机放出后，在输送及存贮过程中，其可紧实性会有颇大的改变。通常，在铸造厂的生产条件下，型砂自混砂机放出后，在用皮带输送器送到造型机的过程中，可紧实性的数值会因输送距离不同而降低3～6个单位，如旧砂温度太高，还可能降低 6~10个单位。如果型砂的水分太高，也有在型砂输送过程中可紧实性增高的情况。

如果铸造厂在混砂机放出口取砂样检测型砂的可紧实性，并控制其值在40%左右，实际上进入造型机的型砂的可紧实性，却可能与规定值有颇大的差别。这样，从记录上看，型砂的可紧实性符合要求，而实际上造型所用的型砂却是不合格的。不少铸造厂对此种情况未予注意，这往往是铸件产生冲砂或粘砂等缺陷的原因。

因此，铸造厂应规定在造型机上方取样测定型砂的可紧实性，并控制其值符合表1的规定。如果受条件的限制，只能在混砂机放出口取样，则控制值的具体数据应由多次试验求得，务使进入造型机的型砂的可紧实性符合表1的要求，且应经常校核。

（2）湿抗压强度

采用此种造型设备时，型砂的湿抗压强度应比一般的粘土湿型砂高很多。这里，决定的因素不是铸型脱模所需的强度，不是铸型耐受搬运所需的强度，也不是浇注时耐受液态金属作用所需的强度，而是型块传送过程的需求。

在造型线上，全部铸型（包括浇注带上和冷却带上的铸型组）的运行，是通过制成的型块推动的，型块所受的压力甚高，故型砂必须有相当高的湿抗压强度。可以根据浇注带的长度、型块的尺寸，在浇注带上推动时的磨擦系数、冷却带的长度、推动冷却输送器所需的力、型块实际可承受压力的面积（型块截面积减去其中空腔的投影面积）核算型砂应具有的湿抗压强度。由两侧夹紧板夹紧后推动，铸型也要承受夹紧板的压力。

（3）水分

粘土湿型砂中，实际上起粘结作用的是粘土和水经调制而成的膏状物质，水分是使粘土具有粘结能力和可塑性的要素。

加入不同量粘土的湿型砂，得到峰值的水分是不同的，

1--加膨润土7.45%   2--加膨润土10%

如果将型砂中的水分换算为粘土膏的水分，则无论型砂中粘土含量如何，强度峰值所对应的粘土膏的水分基本上是相同的。

当水分很少，不足以充分浸润膨润土时，水分增加有利于粘土膏的形成，型砂的强度也随之提高。水分增加到刚能完全浸润膨润土时，全部膨润土和水成为粘稠的粘土膏，涂布于砂粒表面，型砂的强度达到峰值。超过这一点后，继续增加水分，则粘土膏变稀了，粘度下降，抗剪强度下降，型砂的强度也随之急剧下降。

试验证明，用膨润土配制湿型砂时，在常规加入范围内，不管膨润土加入量如何，型砂湿抗压强度峰值大致都出现在粘土膏的水分为25%时，即含水量和有效粘土含量之比大体上是1：3。

采用此种造型设备时，基本上应使型砂的湿抗压强度在峰值附近，所以，水分大致上应是型砂中有效膨润土含量的三分之一。型砂中含有死粘土，还要增加一点为死粘土所吸收的水分。

水分为上述值时，型砂比较松散，流动性良好，也容易控制可紧实性在规定的范围内。死粘土所吸收的水分见下节。

（4）活性膨润土含量

活性膨润土是相对于受热后失效的死粘土而言的。

铸型浇注后，靠近铸件的型砂受热，其中部分膨润土因脱除了结晶水而失去粘结能力，成为惰性的粉状物质，通常称之为死粘土。

死粘土是多孔性物质，因有毛细管作用，吸水能力很强，其所需的水量大约是其量的20%。

规定型砂中的活性膨润土含量，是为了保证型砂有必要的强度和较好的抗夹砂能力。

如只从满足强度要求来考虑，型砂中的活性膨润土含量，是可以低于规定值的。规定活性膨润土的*低含量，更重要的是为了确保型砂有足够高的抗夹砂能力，以免铸件上出现膨胀缺陷（夹砂或鼠尾纹）。

所以，不可以用“型砂的强度够高”作为容允活性膨润土含量不足的借口。

死粘土没有吸附能力，故可以用吸附亚甲基蓝的方法测定型砂中的活性膨润土含量。

（5）湿抗拉强度和抗劈强度

评定型砂的粘结状况，*直接的办法是测定其抗拉强度。抗拉强度值只决定于型砂粘结的强弱，可以综合地反映紧实状况（粘结桥的数量）。粘结剂的分布和粘结剂对砂粒的附着等因素，基本上不受砂粒形状的影响。

但是粘土湿型砂的抗粒强度值很低，不及其抗压强度1/10，测定时对操作者的要求甚高，稍一不慎，就会导致很大的误差。而且，一般的型砂强度试验机不能用来测定抗拉强度，需配备专用的装置。实际上，生产现场很少测定湿抗拉强度，多用于研究工作。

粘土湿型砂的湿抗劈强度值与湿抗拉强度值有很好的相关性，且其试验筒简便易行，可用生产条件下的型砂强度试验机测定，因而，可以用湿抗劈强度试验机代替湿抗拉强度试验。

用Φ50×50标准圆柱体试样，横置于测定湿抗压强度的压头之间，在其直径方向加压。起始时，试样与压头之间为线接触，其接触面积甚小，稍稍施压，就会使接触处的型砂受很大的压实力，结果，该条接触带上的型砂被压平，试样两侧各形成紧实度很高的三角形压实区。继续施压，这两个三角形砂条就起尖劈的作用，将试样沿直径方向劈开，试样是受拉应力而被劈开的。

试验时，应使试验的直径与两端压头的中心线对准，为此，可用一定位支承楔块托住试样，然后加一很小的预负荷，待试验机上压应力读数到3kPa时，即可取下支承楔块，并继续加负荷，直到试样破裂。*后，将试样破裂时所受的总负荷除以破裂处的截面积（即试样直径×试样高度），求得型砂的湿抗劈强度。

1963年，F. Hofmann开始测定型砂抗劈强度，随后，H.W. Dietert和A.L. Graham等研究了粘土湿型砂抗劈强度与抗拉强度的相关性。

D. Boenisch由试验求得湿抗拉强度=0.65湿抗劈强度。

浇注系统

对于垂直分型的铸型，有多种浇注系统可供选用。

有的企业根据多年的实际生产经验，设计了一套专供垂直分型无箱铸型用的封闭浇注系统，现已成为此种造型工艺的重要组成部分。采用此种浇注系统，有以下优点：

·能制造致密的铸件；

·工艺出品率高；

·浇注时间可满足生产节拍的要求；

·铸件的显微组织均匀；

·清磨内浇口的工作量小；

·铸件的尺寸精度高；

·适用于各种铸造合金。

建议铸造厂认真地理解并正确地采用各种浇注系统。

1、浇注系统的基本特点

认真地理解此种浇注系统的基本特点，才能在实际生产中正确的加以利用，从而取得应有的效果。

（1）严格的封闭式浇注系统

封闭式浇注系统大家都是知道的，塞流组元必定是内浇口。在封闭式浇注系统中，内浇口的截面面积*小，由内浇口逆推到浇口杯，浇注系元各组元的截面积依次增大。

我们在这里说“严格的封闭式浇注系统”，意思是：必须确保浇注时整个浇注系统很快充满。

为此，除设计浇注系统时满足上述条件外，还应该把浇包的流嘴视为浇注系统的一部分，在流嘴结构上和浇注操作方面，都应保证浇注时很快使整个浇注系统充满金属液。

如果浇注时液流不够大，则塞流组元是浇包的流嘴而不是内浇口。在此情况下，不管如何精心设计浇注系统，都不能实现封闭，封闭式浇注系统的各种优点荡然无存。图5a）的情形是正常的，浇包供给的金属液保证了系统的封闭，从而也保证了铸件的质量。图5b）的情形是：浇包流嘴供给的金属液不足，浇注系统实际上是开放的，脏物和气泡会进入铸件。

因此，采用此种工艺时，除正确设计浇注系统各组元外，要特别注意浇包流嘴的修筑，并严格要求浇注作业符合要求。

（2）一个铸型中的多个型腔同时充满

采用此种造型系统的铸造厂中，相当多的工厂都是用以生产小型铸件的，为充分利用设备的能力，往往在一个铸型中制多个铸件。在此种情况下，浇注系统应保证浇注时各个型腔都同时充满，这对于缩短浇注时间和保证铸件质量的一致都是重要的。

现以图6为例，说明如下：

在同一铸型中，安排了12个相同的铸件。在浇注系统充满而且封闭的情况下，要使各个型腔同时注满，就必须使通过各内浇口进入各型腔的金属液的体积流率相同。

金属液的体积流率=v·F

式中v—金属液的流速（mm/s）

     F—内浇口的截面积（mm2）

铸型中处于不同高度的内浇口，由于金属液的压头不同，通过的金属的流速各不相同，大体上可用下式表述：

式中h为金属液的平均压头（mm）。

要使进入各内浇口的金属液的体积流率相同，就应满足

v1F1=v2F2=v3F3

由此可知，要使各型腔同时充满，在铸造相同的铸件时，应使各处内浇口的截面积与该处金属液的平均压头成反比。

如一个铸型中安排不同的铸件，则应根据各铸件的重量和内浇口的位置进行计算，此处不再举例。

2、确定浇注系统各组元的截面积

为便于生产现场确定浇注系统的尺寸，已有人根据前节所选的原理，制成了查定内浇口截面积的列线图，规定了根据内浇口截面积推算浇注系统中其他组元的方法。

（1）由列线图查定内浇口的截面积

图7是确定内浇口面积的列线图。确定内浇口的截面积，需用以下的数据：

a.每一个铸件的重量G（kg），由计算或称样件求得；

b.充满每型腔所需的时间T，因为各型腔同时充满，T也是整个铸型的浇注时间，一般应比生产每一铸型的节拍短4秒左右；

c.因金属液与铸型间的摩擦而致的流速损失，简称摩擦系数的，一般可取值0.5；

d.内浇口处的金属液平均压头h（mm）。

现仍以图6所示的铸型为例，说明如何用图7确定内浇口的截面积。

由图6得知：

G=2kg

T=6s

m 取0.5；

h1=100mm；h2=250mm；h3=350mm

首先，在左边的座标上找到G=2kg的一点。

从这一点顺斜线向右下方移动，到与T=6s的垂直线交于一点。

由此交点水平向右移动，到与m =0.5的垂直线交于一点。

再由此交点顺斜线向右下方移动，到与h1=100，h2=250和h3=350等垂直线相交，由各交点分别水平向右移动，即得到处于不同位置的内浇口的截面积：

F1=70mm2；F2=45mm2；F3=38mm2

实际上浇注时，有向下引流的作用，如按这些理论值定内浇口截面积，则下层型腔的充填会稍快一些，而上层则稍慢。为弥补这种差异，下层型腔的内浇口可取稍小的值，而上层内浇口的截面则取稍大的值。图6所示的铸型，实际上宜选取的F值如下的内浇口截面积：

F1=80mm2；F2=45mm2；F3=30mm2

（2）直浇道

图6所示铸型，共设2个直浇道，每一直线道供给6个内浇口。这6个内浇口的总截面积

∑F=2F1+2F2+2F3

=2×80+2×45+2×30

=310mm2

每一直浇道的截面积比内浇口总面积增加20%。

F直=1.2×310=370 mm2

（3）横浇道

一般情况下，横浇道的截面积比其供给的直浇道的总截面积大30%。

如横浇道距铸型顶部的距离小于75mm，固其中金属液的压头小，截面积应比直浇道大100%。

（4）内浇口的形状

为使铸件致密，对于铸铁件，应充分利用石墨化膨胀而产生的自补缩作用。因此，内浇口应在铸件发生石墨化膨胀前凝固，以免石墨化膨胀时将铁水从内浇口挤出。

建议采用薄内浇口，其厚度视铸件壁厚而定，参见表2.

表2    按铸件壁厚选定内浇口厚度

采用薄内浇口，也利于铸件与浇注系统分离，并可减轻打磨浇口的工作量。

3、浇注系统的结构和标准化组件

根据实际生产的经验，设计了典型的浇注系统，对于采用垂直分型无箱造型设备的铸造厂，是方便而实用的。

在此基础上还设计了浇注系统各组元的标准。

（1）浇口杯

浇口杯有两种形式：一种供自动浇注用，见图9；另一种供人工浇注用，见图10。

每种浇口杯各有4种规格，供选用，以保证金属液的流率与铸件相适应。

图9和图10中的浇注流率都是铸铁的质量流率，其他铸造合金可参照，并按相同的体积流率核算。

图9    自动浇注用浇口杯（本图只表示一半）

图10       人工浇注用浇口杯（本图只表示一半）

（2）内浇口

由图7确定内浇口面积后，请参照图11选定其具体结构。

对于灰铸铁件，应力求不用冒口，以提高工艺出品率，并减少铸件修整的工作量。为此，**采用顶注方案，在采用顶注方案有困难时，建议采用侧注方案。

（3）直浇道

直浇道的截面积算出后，可根据铸型中安排铸件的情况，选用图12或图13中的直浇道。

（4）T形接头

直浇道选定以后，可按直浇道相同的序号自图14中选取下列T形接头。

（5）横浇道

横浇道的结构和尺寸。直浇道选定后，按直浇道的序号选横浇道。

四、模具

1、模板

造型系统所用的模板，一般用灰铸铁铸造，也可以用钢制或铝合金制的模板。为减轻重量，厚模板宜用铝合金制造，其外框镶钢。

厚模板也可以用焊接结构件制成，一定条件下还可采用框架结构，中间用石膏或环氧树脂填充。

模板工作面和底面的不平行度一般应不大于0.05mm。

2、模样

（1）模样材料

模样可用多种材料制造，常用的材料及模样的使用寿命如下:                   

如采用环氧树脂模样，则型砂的温度应严加控制，不得超过40℃。

（2）取模斜度

建议采用的取模斜度见表3.

为不致对铸件尺寸有太大的影响，建议的取模斜度以尺寸为基础，较高的模样取模斜度的角度较小。

要求取模斜度特别小时，模样**用铜合金制造，且应注意使表面光滑。

（3）模样上深模腔的处理

模样上有深模腔时，可能产生两个问题：一是射砂时有气垫作用，型砂在其中的分布不匀；二是脱模困难，砂台容易破断。

为使型砂能均匀填入模腔，可在其中装设通气塞，如图16所示。

深模腔砂台取模很困难时，可在模腔底部装一橡胶半球。压实时，橡胶半球受压变形，取模时，橡胶半球推动砂台，使其方便地脱出模腔，

橡胶半球可用不同的方式固定在模板上，表示了常用的两种，a是用预埋于半球内的螺钉固定，b是用过盈配合的尾部塞入模样上的孔中。

3、模样的装设

（1）铸型边缘的吃砂量

吃砂量应根据模样高度和铸件的壁厚确定，表4中的数据可供参考。

表4    铸型边缘的吃砂量

（2）模样与模板的装配

通常直接用螺钉将模样固定在模板上，如图19所示。

这种方法虽然简便，但模样与模板之间的形成夹角，且两者的缝隙间可能保留液体（如脱模剂）。

这种会导致角部有型砂粘附，从而使铸件上产出表面缺陷。

欲避免引种缺陷，可采用模样在模板上下沉的结构，

也可以在模样与模板的结合处抹胶，使其形成r=0.5mm左右的圆角，