某厂采用消失模铸造工艺可行性研究.docx

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某厂采用消失模铸造工艺可行性研究

某厂采用消失模铸造工艺可行性研究

：

摘要

消失模铸造（又称实型铸造）是用泡沫塑料（EPS、STMMA或EPMMA）高分子材料制作成为与要生产铸造的零件结构、尺寸完全一样的实型模具，经过浸涂耐火涂料（起强化、光洁、透气作用）并烘干后，埋在干石英砂中经三维振动造型，浇铸造型砂箱在负压状态下浇入熔化的金属液，使高分子材料模型受热气化抽出，进而被液体金属取代冷却凝固后形成的一次性成型铸造新工艺生产铸件的新型铸造方法。

　　对于消失模铸造有多种不同的叫法，国内主要的叫法还有“干砂实型铸造”“负压实型铸造”，简称EPS铸造。

国外的叫法主要有：

lostfoamprocess（USA）、policastprocess（Italy）等。

与传统铸造技术相比，消失模铸造技术具有无与伦比的优势，被国内外铸造界称为“21世纪的铸造技术”和“铸造工业的绿色革命”。

消失模铸造的模样是泡沫塑料做成的，因此模样的精度直接影响到成型零件的精度，所以要得到好的产品其制作模样的成型模具就显得尤为重要，而本文就是介绍弯管接头消失模成型模具的制作。

弯管接头大都是用于管道在所要弯曲处的连接，一般都是用铸铁制造的。

它可以用砂型模进行铸造，但是因消失模铸造在许多方面都比砂型模铸造优越，如除以上介绍的消失模的特点外还有对工人的技术要求不高、成本底、一次精确成型等特点。

关键词：

高分子材料三维震动造型一次成型成本低泡沫革命

Abstract

Epc（alsocalledofepc）istousefoamplastics（EPS,STMMAorEPMMA）polymermaterialswithproductioncastingproductionbecomepartsstructure,sizeexactlythesamesolidmould,aftersoakingandcoatingrefractorycoating（onstrengthening,brightandclean,breathablerole）anddrying,buriedindryquartzsandthree-dimensionalvibrationhitchesmodelling,castingmodellingsandboxinnegativestatepourintothemoltenmetalunderliquid,makepolymermaterialsmodel,andthenbeoutheatedgasificationliquidmetalsolidificationformedafterreplacingcoolingnewcraftproductionone-timemoldingcastingfoundrymethodofcastingnew.

Foravarietyofdifferentofepchyphenates,domesticmainepithetand"drysandofepc""negativepressureofepc",theabbreviationEPScasting.Foreignhyphenateslostfoammainlyare:

process（USA）,policastprocess（ii）,etc.

Comparedwiththetraditionalcastingtechnologyofepctechnology,unparalleledadvantage,byhomeandabroadcastingboundedcalled"21stcenturycastingtechnology"and"castingindustry'sgreenrevolution".

Epcappearanceismadeofplasticfoam,sotheshapeofprecisiondirectlyaffecttheaccuracyofitsmoldingpart,sotogetagoodproductmaketheshapeofmoldingisparticularlyimportant,andthispaperistointroducebendpipejointLFFmoldingmouldmaking.Bendpipejointsismostlyusedforpipedesiretobendconnection,aregenerallymadeofcastiron.Itcanusesandcasting,moduleofepcbutbecauseinmanywaysofsandcastingsuperiorthanintroducedabove,suchasexceptthecharacteristicsofdissolvedmoldtoworkersoutsidethetechnicalrequirementsandnottall,costbottom,apreciseformingetc.Characteristics.

Epchasthefollowingcharacteristics:

1,castingsareofgoodqualityandlowcost;2,materialunlimited,sizeallappropriate;3,highprecisionandsurfaceisbrightandclean,reducecleaning,savethemachineadd;4,internaldefectsdecreasegreatly,castingcompactstructure;5,canrealizelarge-scale,high-volumeproduction;6,applytothesamecastingswiththemassproductionofthecasting;7,applicabletoartificiallyoperationandautomaticassemblylineproductionoperationcontrol;8,productionlineproductionconditionaccordwithenvironmentalprotectiontechnologyparametersrequirements;8,cangreatlyimprovecastinglinesworkingenvironmentandproductionconditions,thereductionoflaborintensity,thedecreaseoftheenergyconsumption.

Keywords:

polymermaterials,3dvibrationmolding,Oncemoldings,Costislow,Foamrevolution.

目录

摘要I

AbstractII

目录IV

前言1

1绪论2

1.1消失模铸造工艺2

1.2消失模铸造的工艺流程3

1.2.1预发泡3

1.2.2模型成型3

1.2.3模型簇组合4

1.2.4模型簇浸涂4

1.2.5浇注4

1.2.6落砂清理5

1.3是否采用消失模铸造的几个因素5

1.3.1铸件的批量5

1.3.2铸件材质6

1.3.3铸件大小6

1.3.4铸件结构6

1.4国内外发展6

1.4.1消失模铸造在中国的发展简史6

1.4.2国外消失模铸造的发展简史7

1.5消失模铸造的应用现状7

1.6中国EPC技术的发展与特点8

1.7我国消失模技术的发展方向9

2消失模与砂型铸造的对比分析10

2.1.1传统粘土砂型铸造工艺特点10

2.1.2消失模铸造工艺特点12

2.2砂型铸造与消失模铸造设备的比较15

2.3砂型铸造与消失模铸造质量、成本、经济性对比分析16

2.3.1消失模铸造与砂型铸造生产铸铁件的质量比较16

2.3.2消失模铸造与砂型铸造生产铸铁件的成本比较21

总结23

致谢26

参考文献27

前言

在现在的铸造行业中消失模铸造因其在许多方面的优势在铸造行业中发挥的作用越来越大。

消失模铸造是一种进无余量精确成形的工艺。

其特点是采用遇金属即消失的泡沫塑料做模样，既无分型又无分型芯。

容易实现清洁生产，由于采用的是干砂，砂的回收率高。

为主见结构设计提供了充分的自由度。

原先要由多个零件加工组装的构件，采用此工艺后可以通过分片制模然后粘合的办法整体铸出。

消失模铸造的模样是泡沫塑料做成的，因此模样的精度直接影响到成型零件的精度，所以要得到好的产品其制作模样的成型模具就显得尤为重要，而本文就是介绍弯管接头消失模成型模具的制作。

弯管接头大都是用于管道在所要弯曲处的连接，一般都是用铸铁制造的。

它可以用砂型模进行铸造，但是因消失模铸造在许多方面都比砂型模铸造优越，如除以上介绍的消失模的特点外还有对工人的技术要求不高、成本底、一次精确成型等特点。

1绪论

消失模铸造（Expendablecastingproces简称EPC）是泡沫塑料模采用无黏结剂干砂结合，抽真空技术的实型铸造（简称FM）由于这种铸造方法投资少，成本少，铸造尺寸精度高和表面光洁，大大降低劳动强度和改进作业环境实现铸造车间清洁生产，近年来发展很快成为今日铸造的热点。

从总体上看，目前我国消失模技术还处在较低的水平上在铸造复杂程度上以及质量水平方面。

在技术程度性，商品化以及机械自动化程度等方面与先进工业国还有较大差距。

先进工业化国家已经成功的大批量生产了汽车的四缸体，缸盖等复杂铸件，生产率达180型/小时。

而我国目前稳定投入生产的仅仅是一些排气管，壳体类等比较简单的铸件，生产率仅30型/小时以下。

所生产铸件的精度和表面粗糙度也有相当大的差距，但是消失模铸造这项新技术在我国的发展前景是非常乐观的

1.1消失模铸造工艺

在生产实践中，消失模铸造的浇注过程，实际上就是模型气化消失的过程。

在普通砂型铸造中是将模型取出，在空腔中浇入金属液冷却后形成铸件。

而消失模铸造是采用特定的泡沫塑料制成模型，然后将其埋入型砂中（一般为干砂或含有粘接剂的型砂），经过一定的处理（主要是振动和抽负压），然后浇入金属液，金属液使泡沫塑料模型逐步软化、液化、分解和气化，直到完全替代泡沫模型，冷却后形成由模型所形成的空腔型态——铸件。

因此，消失模铸造也称为气化模铸造、实型铸造、无型腔铸造。

消失模铸造法是20世纪60年代出现的，到80年代得到蓬勃发展。

自从此方法应用于工业生产以来，因其具有许多优点，也由于消失模铸造技术本身的独特优势，在世界范围内获得了很大的发展，在我国应用普及速度也越来越快。

在我国经过40年的发展，特别是最近5年，消失模铸件产量成倍增长，到2005年我国消失模铸件产量达到20000t，跃居世界消失模铸造业的第3位，铸造厂点数已是世界第1位。

从总体上看，目前我国的消失模铸造技术还处在较低的水平。

在铸件复杂程度、质量水平，以及在技术成套性、商品化和机械化自动化程度等方面，与先进工业化国家相比还有较大的差距。

先进工业化国家已经成功地大批量生产汽车缸体、缸盖等复杂铸件，生产率达180型/h。

而我国目前稳定投入生产的仅仅是一些排气管、壳体类等比较简单的铸件，生产率仅30型/h以下，所生产铸件的精度和表面粗糙度也有相当大的差距。

但是，消失模铸造这项新技术发展前景在我国是十分乐观的。

1.2消失模铸造的工艺流程

1.2.1预发泡

模型生产是消失模铸造工艺的第一道工序，复杂铸件如汽缸盖，需要数块泡沫模型分别制作，然后再胶合成一个整体模型。

每个分块模型都需要一套模具进行生产，另外在胶合操作中还可能需要一套胎具，用于保持各分块的准确定位，模型的成型工艺分为两步，第一步是将聚苯乙烯珠粒预发到适当密度，一般通过蒸汽快速加热来进行，此阶段称为预发泡。

1.2.2模型成型

经过预发泡的珠粒要先进行稳定化处理，然后再送到成型机的料斗中，通过加料孔进行加料，模具型腔充满预发的珠粒后，开始通入蒸汽，使珠粒软化、膨胀，挤满所有空隙并且粘合成一体，这样就完成了泡沫模型的制造过程，此阶段称为蒸压成型。

成型后，在模具的水冷腔内通过大流量水流对模型进行冷却，然后打开模具取出模型，此时模型温度提高且强度较低，所以在脱模和储存期间必须谨慎操作，防止变形及损坏。

1.2.3模型簇组合

模型在使用之前，必须存放适当时间使其熟化稳定，典型的模型存放周期多达30天，而对于用设计独特的模具所成型的模型仅需存放2个小时，模型熟化稳定后，可对分块模型进行胶粘结合。

分块模型胶合使用热熔胶在自动胶合机上进行。

胶合面接缝处应密封牢固，以减少产生铸造缺陷的可能性。

1.2.4模型簇浸涂

为了每箱浇注可生产更多的铸件，有时将许多模型胶接成簇，把模型簇浸入耐火涂料中，然后在大约30～60℃的空气循环烘炉中干燥2～3个小时，干燥之后，将模型簇放入砂箱，填入干砂振动紧实，必须使所有模型簇内部孔腔和外围的干砂都得到紧实和支撑。

1.2.5浇注

模型簇在砂箱内通过干砂振动充填坚实后，铸型就可浇注，熔融金属浇入铸型后（浇注温度铸铝约在760℃,铸铁约在1425℃，模型气化被金属所取代形成铸件。

图1.1所示是消失模工艺的砂箱和浇注示意图。

在消失模铸造工艺中，浇注速度比传统空型铸造更为关键。

如果浇注过程中断，砂型就可能塌陷造成废品。

因此为减少每次浇注的差别，最好使用自动浇注机。

图1.1消失模工艺的砂箱和浇注示意图

1.2.6落砂清理

浇注之后，铸件在砂箱中凝固和冷却，然后落砂。

铸件落砂相当简单，倾翻砂箱铸件就从松散的干砂中掉出。

随后将铸件进行自动分离、清理、检查并放到铸件箱中运走。

干砂冷却后可重新使用，很少使用其他附加工序，金属废料可在生产中重熔使用。

1.3是否采用消失模铸造的几个因素

消失模铸造工艺与其他铸造工艺一样，有它的缺点和局限性，并非所有的铸件都适合采用消失模工艺来生产，要进行具体分析。

主要根据以下一些因素来考虑是否采用这种工艺。

1.3.1铸件的批量

批量越大,经济效益越可观。

1.3.2铸件材质

其适用性好与差的顺序大致是：

灰铸铁-非铁合金-普通碳素钢-球墨铸铁-低碳钢和合金钢；通过必要的准备以不致使工艺实验、调试周期过长。

1.3.3铸件大小

主要考虑相应设备的使用范围（如振实台，砂箱）。

1.3.4铸件结构

铸件结构越复杂就越能体现消失模铸造工艺的优越性和经济效益,对于结构上有狭窄的内腔通道和夹层的情况,采用消失模工艺前需要预先进行实验,才能投入生产。

1.4国内外发展

1.4.1消失模铸造在中国的发展简史

1979年，由我国著名消失模铸造专家、中国科学院长春光学精密机械研究所研究员黄述哲教授领导的课题组，在中国最早开始了消失模铸造的原理性试验。

同年，黄述哲教授在全国铸造工艺学会上发表了“消失模铸造基本特性的研究”论文报告，在国内首次系统阐述了这一方法的特点和规律性。

1982年，在大量实验室试验的基础上，黄述哲教授主持在光机所工厂建成了一条消失模铸造实验生产线。

黄述哲教授主持完成的“消失模铸造技术开发及工业化应用”于1997年、1998年分获中科院科技进步二等奖和国家科技进步三等奖，这是我国铸造工业界科技成果中获得的最高奖项。

1998年被国家科技部列为“九五国家科技成果重点推广项目”（99010202A）。

黄述哲教授主持完成了数十个技术先进、功能完备、配置合理、生产高效的消失模铸造流水生产线工程。

　　八十年代后期郑州机械所也开始了消失模铸造的试验性应用研究。

　　九十年代开始以来，清华大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、西安交大等也纷纷加入了消失模铸造的研究。

1.4.2国外消失模铸造的发展简史

1956年美国人H.F.SHOYER开始了将聚苯乙烯泡沫塑料用于铸造的试验，并获得成功,引起了人们极大的兴趣，1958年以专利的形式公布于众，当时称之为“无型腔铸造”。

起初，该法只是用来制造金属雕像等艺术品铸件，以后经过许多实践和探索，1962年西德从美国引进专利，消失模铸造法才开始被开发，并在工业上得到应用。

　　1964年美国的T.R.SMITH发表了使用无粘结剂干砂造型生产消失模铸件的专利。

到了1967年,采用普通粘土砂和自硬砂的消失模铸造法获得了成功,并在许多国家得到了应用,生产了成千上万吨铸件,但无粘结剂干砂实型铸造却没得到发展,仍处于探索阶段。

在整个六十年代直至七十年代,消失模铸造法仅限于单件小批生产,典型产品是汽车模具、机器底座、艺术品等。

1968年，德国人E.KRYZMOWSKI在砂箱内抽成负压进行浇注,取得了专利，即现在的消失模铸造。

　　八十年代以前，由于专利的制约，生产中使用无粘结剂干砂消失模铸造受到限制；铸造界与其他产业部门协调不够；由于工艺不当、型砂和涂料不合适以及模型质量不高所导致的实型铸件外观及内在质量不够好，造成了一部分人的等待、观望甚至怀疑的态度，使得消失模铸造法发展缓慢。

　　1981年以后由于相应专利技术失效，再加上经过几年努力，发泡聚苯乙烯原料珠粒有了很大进步、模型组合粘结剂质量改善、高质量涂料被研制成功等工艺技术的进步，消失模铸造法得以迅速发展，并很快在生产上得到应用。

1982年美国首先公开了世界上第一条生产复杂铝铸件的消失模铸造生产线。

至此，消失模铸造作为一种全新的铸造工艺方法被应用于生产。

1.5消失模铸造的应用现状

目前，中国消失模铸造生产厂达200余家。

其中一大批工厂利用国产设备和技术，建成年产几百吨至几千吨铸件的简易型生产线及采用机械、液压和电动方式的闭环型生产线。

如：

新兴铸管集团、大连机车车辆厂、四川省川建管道有限公司等，建成了年产达3000~5000t铸铁件生产线。

又如华中科技大学为武钢烧结配件加工厂等6家工厂建造的年产千吨铸铁件和铸钢件生产线。

也有一些工厂引进国外先进设备和技术，如第一汽车集团公司铸造公司从美国福康公司引进造型用振动台、生产EPS（ExpendablePlayStyren），称为可发性聚苯乙烯，简称：

EPS）模型的预发泡机和成型机及发泡模具，国内配套组成生产线，生产汽车进气管；长沙发动机总厂从意大利法塔铝公司引进自动化消失模铸造生产线生产铝合金缸体、缸盖铸件；赤峰富龙集团铸业有限公司引进日本2条气化模生产线，生产排气管等球铁铸件。

近年来，中小企业广泛采用简易生产线或单机型消失模铸造生产工艺，通常是在铸造工部设置1台造型用振动台，数个专用砂箱，或设带辊道的砂箱简易输送线，干砂一般采用自然冷却或简易砂冷却装置，另加一套真空系统。

该种生产模式投资少、见效快。

生产厂家可依据资金状况选择，投资少则20~30万，多则几十万和上百万元,但生成模样的模具的制造是一个必不可少的前题。

1.6中国EPC技术的发展与特点

现阶段中国消失模铸造技术的发展有以下特点：

1.中国的LFC技术首先是由乡镇企业、中小型铸造配件厂带头开发的。

但到前为止，我国还没有一家企业可以与北美、欧洲的消失模铸造十大企业媲美。

总体上看。

我国的消失模铸造厂规模小。

产量低，经济效益尚未充分显现出来。

主机制造厂（特别是汽车制造）采用这一新技术的厂家还太少。

2.目前我国生产的EPC产品仅停留在中等难度以下的铸件，如磨球，炉蓖条，热处理框架等耐热、耐磨件，球铁管件，灰铸铁箱体件等，难度大的复杂铸件（如汽车缸体、缸盖）还不能批量生产出来。

铸钢件、球铁件受碳缺陷和黑渣、气孔的困扰，废品率还比较高。

EPC技术上还不够成熟，有许多技术难关有待攻克。

3.在每年68000t消失模铸件总产量中，铝合金铸件产量不到2%（美国的铝合金铸件产量将近50%），与铸件“轻量化”的发展趋势有较大差距。

4.某些规模较大的生产线，由于前期工艺论证不够，技术难关还没有攻破而迟迟不能投产，使巨额投资得不到即时回报；一些规模小的生产线，由于市场波动，产品对象不稳定，经济效益时好时坏。

从总体（总产量、经济、效益）上看，我国消失模铸造技术还处于初级发展阶段（相当与AFS分析的“技术革命期”），与美国的水平有10~15年的差距，要达到世界先进水平，还要艰苦努力。

1.7我国消失模技术的发展方向

1.产品必须对路，项目的前期工艺论证必不可少。

2.脚踏实地地攻克消失模铸造技术的每一道难关。

3.围绕“白区”薄弱环节，加大研究开发力度。

（“白区”是一个多科学交叉领域，涉及模具的CAD/CAM，高分子发泡材料和成形发泡工艺以及相关的预发、成形、粘合设备等多个方面）。

4.实现铸件的“轻量化”、精确化。

大力发展铝合金消失模铸造。

5.实现消失模铸造的清洁发展。

6.协同作战，发挥产学研结合的总体优势。

从新技术成长的规律看，我过的消失模铸造技术还处于技术革新期，还需要有一个艰苦的技术积累过程，需要付出艰辛的劳动，针对一个一个具体产品对象攻克难关，不可能坐享其成或操之过急。

2消失模与砂型铸造的对比分析

2.1.1传统粘土砂型铸造工艺特点

粘土湿砂型铸造的优点是：

①粘土的资源丰富、价格便宜。

②使用过的粘土湿砂经适当的砂处理后，绝大部分均可回收再用。

③制造铸型的周期短、工效高。

④混好的型砂可使用的时间长。

⑤砂型舂实以后仍可容受少量变形而不致破坏，对拔模和下芯都非常有利。

制造砂型的基本原材料是铸造砂和型砂粘结剂。

最常用的铸造砂是硅质砂。

硅砂的高温性能不能满足使用要求时则使用锆英砂、铬铁矿砂、刚玉砂等特种砂。

为使制成的砂型和型芯具有一定的强度，在搬运、合型及浇注液态金属时不致变形或损坏，一般要在铸造中加入型砂粘结剂，将松散的砂粒粘结起来成为型砂。

应用最广的型砂粘结剂是粘土，也可采用各种干性油或半干性油、水溶性硅酸盐或磷酸盐和各种合成树脂作型砂粘结剂。

砂型铸造中所用的外砂型按型砂所用的粘结剂及其建立强度的方式不同分为粘土湿砂型、粘土干砂型和化学硬化砂型3种。

（1）适应性广。

适应铸铁，碳钢，有色金属等材料；铸件大小，形状和重量几乎不受限制；壁厚1mm到1m，质量零点几克到数百吨（三峡的水轮机叶轮重达430T）。

（2）可复杂成形。

适合形状复杂，尤其是有复杂内腔的毛坯或零件。

（3）成本较低。

可直接利用成本低廉的废机件和切屑，设备费用较低；在金属切削机床中，铸件占机床总重量75%以上，而生产成本仅占15-30%

（4）但也存在一些不足，如组织缺陷，力学性能偏低，质量不稳定，工作环境较差。

因此，铸件多数做为毛坯用。

组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性能较低.（发展了铸锻联合工艺）

污染环境。

铸造生产会产生粉尘、有害气体和噪声对环境的污染，比起其他机械制造工艺来更为严重，需要采取措施进行控制。

砂型铸造工艺流程图如图2.1所示，其工艺简图如图2.2所示。

图2.1砂型铸造工艺流程图

工艺三大块：

冶炼，造