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[工艺] 输出轴壳体消失模铸造工艺的开发和应用【转载】

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    发表于 2020-2-16 18:19:28 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    输出轴壳体消失模铸造工艺的开发和应用

    作者:刘天平

    输出轴壳体是风电、大型农装、载重汽车及电梯传动等机械装备传动轴(输出)的承载壳体,支承并包容各种传动零件,如齿轮、轴、轴承等,为了能够保持正常的运动关系和运动精度,在使用过程中承受各种载荷,是各种装备的重要关键部件,起到架构支撑的作用,因此其材质、内在质量对其使用性能至关重要。该类输出轴壳体产品为厚大回转体形状,两端法兰结构,单件质量70~150kg,大端法兰直径400~450mm,高度≥300mm,具有对铸造成型不利的“壁厚不均匀、多处环状孤立热节”的工艺难点,输出轴壳体如图1所示。



                                   
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    1  几种成形工艺方案的分析


    针对输出轴壳体成形制造工艺,不同的铸造企业采用不同的造型工艺方法,发挥自身优势以满足该类产品质量要求。根据输出轴壳体产品的使用工况条件,其使用性能要求产品不能有任何缩孔、缩松缺陷。目前输出轴壳体普遍的生产方式主要有黏土砂手工造型、自硬树脂砂手工造型及静压造型等,根据企业自身条件而定。


    1.1  黏土砂手工造型工艺


    黏土砂手工造型目前是输出轴壳体的主要造型生产方式之一 ,该工艺方法生产设施简单、投资小,但是占用场地面积大、劳动强度大、生产效率低,环境条件较差。用黏土砂手工造型生产的输出轴壳体铸件,存在两端法兰盘厚大部位缩孔、缩松缺陷比例高、重量偏差大、尺寸波动大及加工后表面质量差等问题。


    1.2  自硬树脂砂手工造型工艺


    自硬树脂砂手工造型目前也是输出轴壳体的一种主要造型生产方式。该工艺生产的输出轴壳体铸件产品,表面质量好,尺寸稳定。相比较而言,该工艺方法设备投资小,产品质量普遍较好,但由于间歇作业,生产效率低,劳动强度大、占用场地面积大。


    用该自硬树脂砂手工造型生产的输出轴壳体铸件,两端法兰盘厚大部位缩孔、缩松缺陷还是时有发生,且产品内部质量稳定性、一致性有待提高。法兰端铸造缺陷如图2所示。



                                   
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    1.3  静压造型工艺


    静压造型工艺生产输出轴壳体采用的是“静压造型+ 自硬树脂砂制芯”的组合工艺。为了解决法兰盘厚大部位缩孔、缩松问题,在对应的树脂砂芯部位镶嵌圈型冷铁以达到激冷作用,但由于补缩冒口过高的静压头,其工艺出品率相对较低。由于该工艺需要较大的树脂砂芯,砂芯大且重,长期生产,对静压生产线系统型砂质量产生很大影响,要么影响产品质量、要么因旧砂淘汰更换产生生产成本,缘于旧砂“溢仓”造成的砂系统不平衡,固废排放矛盾突出。


    另据统计,开发生产输出轴壳体后,公司静压自动线的一些工部设备,如开箱落砂机、栅格落砂机开裂问题、各级鳞板输送机故障问题明显增多,与输出轴壳体铸件单件重量重有关。


    1.4  横型竖浇成形工艺


    针对输出轴壳体水平造型水平浇注出现的产品内部质量、工艺等问题,设计采用树脂砂“横型竖浇”工艺方法,输出轴壳体水平分型垂直浇注示意如图 3 所示。在单一树脂砂条件下,水平分型、水平下芯不仅操作简单,而且劳动强度较低,保证了生产效率。垂直浇注则极大地提高了产品本身的静压头,同时垂直浇注同压边冒口浇注补缩系统相结合,实现了产品本身在重力状态下成形凝固之自下而上的顺序补缩,且最上端的法兰盘在温度梯度下得到了最益于和最经济的成形凝固补缩,进而从工艺方面解决了输出轴壳体两端法兰盘厚大部位缩孔缩松缺陷,保证了产品内在质量。



                                   
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    该工艺可以有效解决输出轴壳体两端法兰盘厚大部位缩孔、缩松缺陷,但因其基于树脂砂工艺,具有树脂砂工艺成本高、生产效率低,劳动强度大、占用场地面积大及操作环境差等问题。


    1.5  消失模铸造成形工艺


    综合考虑环保治理、产品结构、安全性能、外观质量、生产效率及成本等因素影响,确定开发试验具有优势的消失模铸造成形工艺。


    2  消失模成形工艺方案思路与设计


    消失模铸造工艺,是将与铸件尺寸形状相近的 EPS白模模型粘接组合成模簇,刷涂耐火材料并经烘干后埋置于陶粒砂中振动抽负压紧实,在负压状态下浇注金属液,使模型气化,液体金属占据模型位置,凝固冷却后形成铸件的铸造工艺方法,被称为“二十一世纪的绿色铸造工艺”。


    采用消失模铸造成形工艺,不仅能够发挥其铸件质量好、成本低、清整工作量小、改善作业环境和节能环保等优势,而且还具有铸件组织致密度、力学性能提高、表面质量好等明显的工艺优势。利用真空负压吸附浇注,可以进一步提高充型能力和金属液补缩能力,使铸件内部组织致密,改善和解决缩孔、缩松问题。同时,不用再下整体大砂芯,显著降低生产成本,降低工作量,提高生产效率。

    针对输出轴壳体产品结构,该工艺设计在适当提高真空负压度条件下,采用顶注方式,在内浇口的两侧最高处设置6~8个集渣包。


    3  消失模成形工艺方案实施


    3.1  EPS 发泡白模


    EPS(聚苯乙烯泡沫塑料)充型成型性良好,表面质量好,前期试验模具投入小,开发周期快。根据输出轴壳体结构及其对外观质量的要求,确定采用EPS塑料发泡白模,开发发泡模具,考虑后续的机械加工质量要求,确定采用EPS白模为整体结构,如图4所示。



                                   
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    3.2  白模修饰、设置集渣包,粘结浇注补缩系统


    发泡制成的 EPS 白模,有凹坑、缺肉或磕碰等表面缺陷的,用修饰膏或修饰剂做表面修饰。


    考虑产品结构对加砂流动填充的影响,设计敞口向上、对称的两个内浇口注入的顶注工艺,并在内浇口的两侧最高处顶部位置布置6~8个集渣包。工艺确定后,粘接浇注补缩系统组成白模整样,输出轴壳体白模整样如图5所示。



                                   
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    3.3  蘸刷涂料与烘干


    白模整样完成后,蘸涂或刷涂涂料,或“蘸刷+涂覆”涂料。涂料性能及其蘸刷与烘干会直接影响消失模铸件的表面质量。蘸刷两遍水基复合石英硅砂粉涂料,每次上涂料后自然晒干或在40~55℃的温度经8~10h烘干。在烘干干燥过程中,要将白模整样摆放平稳以防止其变形。


    3.4  填砂装箱造型、负压浇注


    将蘸刷涂料干燥后的整样埋置于宝珠砂中,底砂铺设振实平整。垂直支撑牢靠,加砂时尤其针对不易负压紧实的内腔、死角及阴影部位要填充到位,加砂到与砂箱上面齐,同时三维振动紧实。铺塑料薄膜覆盖砂箱上口,上覆一定厚度的干砂,压护塑料薄膜。


    将填砂造型好的砂箱置于浇注区,接通真空管,打开负压阀门,负压紧实;负压真空度达到0.045~0.06MPa,浇注球墨铸铁金属液。浇注后10~15min,关闭负压,去掉真空。


    3.5  清理


    铸件在砂箱保温2~2.5h,待铸件冷却至 200℃后落砂开箱出件,待铸件冷却后去除浇注系统、集渣包,然后抛丸或喷砂清理表面,再进一步清整处理出完整铸件,输出轴壳体铸件如图6所示。



                                   
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    3.6  质量检验


    在尺寸控制方面,经过修整模具,铸件达到尺寸要求。同时,由于真空负压吸附作用和宝珠砂型腔激冷作用,产品内部组织致密,有效地解决了缩孔、缩松缺陷问题。


    铸件通过表面质量检验、尺寸检验、力学性能检测、探伤及解剖检测,均符合输出轴壳体的质量要求。


    4  结论


    (1)输出轴壳体采用消失模铸造成形工艺是可行的、适宜的。


    (2)采用消失模铸造成形工艺,铸件内部组织致密,有效地解决了缩孔、缩松缺陷问题。同时,铸件表面质量显著提高,达到产品的质量要求。


    (3)充分发挥消失模铸造成形工艺优势,省去砂芯和冷铁,降低生产成本,减少后处理工作量,提高生产效率。

             (来源:铸造工程)


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