在鑄造復(fù)雜程度上以及質(zhì)量水平方面,在技術(shù)程度性,商品化以及機(jī)械自動(dòng)化程度等方面與先進(jìn)工業(yè)國(guó)還有較大差距。
先進(jìn)工業(yè)化國(guó)家已經(jīng)成功的大批量生產(chǎn)了汽車(chē)的四缸體,缸蓋等復(fù)雜鑄件,生產(chǎn)率達(dá)180型/小時(shí)。
而我國(guó)在排氣管,殼體類(lèi)等比較簡(jiǎn)單的鑄件,生產(chǎn)率僅30型/小時(shí)以下。所生產(chǎn)鑄件的精度和表面粗糙度也有相當(dāng)大的差距,但是消失模鑄造這項(xiàng)新技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展前景是非常樂(lè)觀的。
工藝分類(lèi)
1. 用板材加工成形的氣化消失模鑄造
用板材加工成形的氣化模鑄造的主要特點(diǎn)是:
模樣不用模具成形,而是采用市售的泡沫板材,用數(shù)控加工機(jī)床分塊制作,然后粘合而成。
通常采用樹(shù)脂砂或水玻璃砂作填砂,也有人采用干砂負(fù)壓造型。
這種方法主要適用于中、大型鑄件的單件、小批生產(chǎn),如汽車(chē)覆蓋件模具、機(jī)床床身的生產(chǎn)等。通常稱(chēng)這種方法為 Full Mould Casting,簡(jiǎn)稱(chēng)FMC法。
2.用模具發(fā)泡成形的消失模鑄造
用模具發(fā)泡成形的消失模鑄造的主要特點(diǎn)是,模樣在模具中成形和采用負(fù)壓干砂造型。它主要使用于中、小型鑄件的大批生產(chǎn),如汽車(chē)和拖拉機(jī)鑄件,管接頭,耐磨件的生產(chǎn)。通常稱(chēng)這種方法為L(zhǎng)ost Foam Casting,簡(jiǎn)稱(chēng)LFC法。
1、預(yù)發(fā)泡模型生產(chǎn)是消失模鑄造工藝的一道工序,復(fù)雜鑄件如汽缸蓋,需要數(shù)塊泡沫模型分別制作,然后再膠合成一個(gè)整體模型。每個(gè)分塊模型都需要一套模具進(jìn)行生產(chǎn),另外在膠合操作中還可能需要一套胎具,用于保持各分塊的準(zhǔn)確定位,模型的成型工藝分為兩步,一步是將聚苯乙烯珠粒預(yù)發(fā)到適當(dāng)密度,一般通過(guò)蒸汽快速加熱來(lái)進(jìn)行,此階段稱(chēng)為預(yù)發(fā)泡。
2、模型成型經(jīng)過(guò)預(yù)發(fā)泡的珠粒要先進(jìn)行穩(wěn)定化處理,然后再送到成型機(jī)的料斗中,通過(guò)加料孔進(jìn)行加料,模具型腔充滿(mǎn)預(yù)發(fā)的珠粒后,開(kāi)始通入蒸汽,使珠粒軟化、膨脹,擠滿(mǎn)所有空隙并且粘合成一體,這樣就完成了泡沫模型的制造過(guò)程,此階段稱(chēng)為蒸壓成型。
成型后,在模具的水冷腔內(nèi)通過(guò)大流量水流對(duì)模型進(jìn)行冷卻,然后打開(kāi)模具取出模型,此時(shí)模型溫度提高且強(qiáng)度較低,在脫模和儲(chǔ)存期間必須謹(jǐn)慎操作,防止變形及損壞。
3、模型簇組合模型在使用之前,必須存放適當(dāng)時(shí)間使其熟化穩(wěn)定,典型的模型存放周期多達(dá)30天,而對(duì)于用設(shè)計(jì)獨(dú)特的模具所成型的模型僅需存放2個(gè)小時(shí),模型熟化穩(wěn)定后,可對(duì)分塊模型進(jìn)行膠粘結(jié)合。分塊模型膠合使用熱熔膠在自動(dòng)膠合機(jī)上進(jìn)行。膠合面接縫處應(yīng)密封牢固,以減少產(chǎn)生鑄造缺陷的可能性。
4、模型簇浸涂,為了每箱澆注可生產(chǎn)更多的鑄件,有時(shí)將許多模型膠接成簇,把模型簇浸入耐火涂料中,然后在大約30~60℃的空氣循環(huán)烘爐中干燥2~3個(gè)小時(shí),干燥之后,將模型簇放入砂箱,填入干砂振動(dòng)緊實(shí),必須使所有模型簇內(nèi)部孔腔和外圍的干砂都得到緊實(shí)和支撐。
5、澆注模型簇在砂箱內(nèi)通過(guò)干砂振動(dòng)充填堅(jiān)實(shí)后,鑄型就可澆注,熔融金屬澆入鑄型后(澆注溫度鑄鋁約在760℃,鑄鐵約在1425℃,模型氣化被金屬所取代形成鑄件。
在消失模鑄造工藝中,澆注速度比傳統(tǒng)空型鑄造更為關(guān)鍵。如果澆注過(guò)程中斷,砂型就可能塌陷造成廢品。因此為減少每次澆注的差別,好使用自動(dòng)澆注機(jī)。
6、落砂清理澆注之后,鑄件在砂箱中凝固和冷卻,然后落砂。鑄件落砂相當(dāng)簡(jiǎn)單,傾翻砂箱鑄件就從松散的干砂中掉出。隨后將鑄件進(jìn)行自動(dòng)分離、清理、檢查并放到鑄件箱中運(yùn)走。干砂冷卻后可重新使用,很少使用其他附加工序,金屬?gòu)U料可在生產(chǎn)中重熔使用。
EPC是一種接近無(wú)余量成形的工藝。其特點(diǎn)是采用遇金屬即消失的泡沫塑料做模樣,既無(wú)分型又無(wú)分型芯。模樣無(wú)起模斜度,鑄件無(wú)飛邊毛刺,還減小了由于型芯塊組合而造成的尺寸誤差。鑄件尺寸精度和表面粗糙度可分別達(dá)到IT5-IT7,Ra=6.3~12.5μm,接近熔模精密鑄造水平。由于采用干砂,根除了由于水分,粘結(jié)劑和附加物帶來(lái)的缺陷,鑄造廢品率顯著下降,鑄件質(zhì)量顯著提高。該工藝對(duì)工人的操作水平要求不高,對(duì)鑄造行業(yè)很有吸引力。
該工藝容易實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。低溫下聚苯乙烯(EPS)對(duì)環(huán)境完全無(wú)害,澆注時(shí)排出的有機(jī)物也少;EPS有機(jī)物的排放量?jī)H占澆注鐵液質(zhì)量的0.3%。而自硬砂為0.5%。同時(shí)生產(chǎn)有機(jī)排放物的時(shí)間短,地點(diǎn)集中,易于收集,可以采用負(fù)壓抽吸式燃燒凈化處理,燃燒產(chǎn)物凈化后對(duì)環(huán)境無(wú)公海,舊砂回用率在95%以上。與傳統(tǒng)鑄造方法相比。EPC法的噪聲,一氧化碳?xì)怏w和硅石粉塵危害明顯減小,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低,勞動(dòng)環(huán)境顯著改善,容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化,自動(dòng)化的清潔生產(chǎn)。
為主見(jiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了充分的自由度。原先要由多個(gè)零件加工組裝的構(gòu)件,采用EPC工藝后可以通過(guò)分片制模然后粘合的辦法整體鑄出,而且型芯可以省去,孔、洞可以直接鑄出,這就大大節(jié)約了加工裝配的費(fèi)用,同時(shí)也可以減少加工裝備的投資。一般說(shuō)來(lái),與傳統(tǒng)鑄造工藝相比,EPC技術(shù)設(shè)備投資可減少30%~50%,鑄件成本可下降10%~30%。
金屬液的流動(dòng)前沿是熱解的消失模產(chǎn)物(氣體和液體)。它會(huì)與金屬液發(fā)生反應(yīng)并影響到金屬液的充填。如果金屬充型過(guò)程中熱解產(chǎn)物不能順利排除,就容易引起氣孔、皺皮、增碳等缺陷。這就要求工藝師掌握消失模鑄造成形原理,正確設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng),制定合理的工藝方案。
模具的制造成本較高,要求有一定的生產(chǎn)批量。否則很難獲得好的經(jīng)濟(jì)效益。
綜上所述,消失模鑄造符合當(dāng)今鑄造技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì),有著廣闊的發(fā)展前景。其優(yōu)越性不容質(zhì)疑,但是它不是的它有特定的應(yīng)用范圍。具體的產(chǎn)品對(duì)象采用什么鑄造工藝合適,必須經(jīng)過(guò)技術(shù)上的可行性以及經(jīng)濟(jì)上的合理性的充分論證,切不可盲目從事。
EPC適應(yīng)的合金種類(lèi)
幾乎所有的鑄鐵、鑄鋼和非鐵合金(即有色合金,如鋁合金、鎂合金、銅合金等)都可以采用EPC法生產(chǎn)。在我國(guó)2001年生產(chǎn)的68,000t消失模鑄件中,絕大部分是鑄鐵和鑄鋼件,鋁合金鑄件微乎其微,而美、德、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家鋁合金鑄件卻占主導(dǎo)地位。
由于消失模樣熱解產(chǎn)物會(huì)造成增碳、黑渣等缺陷,在鑄造低碳鋼鑄件以及要求致密度極高的汽車(chē)球鐵保安件時(shí),廢品率還比較高,選用時(shí)應(yīng)該特別慎重。
2.鑄件大小和壁厚
EPC法一般都在流水線上組織批量生產(chǎn),鑄件的大尺寸收模具和砂箱大小的限制,適合的鑄件質(zhì)量通常從幾公斤至幾百公斤,如果采用專(zhuān)用砂箱,也可以鑄造成噸的大件。如果單件、小批生產(chǎn),則可以生產(chǎn)質(zhì)量為幾噸甚至幾十噸的大件。
鑄件的壁厚受泡沫塑料粒度大小的限制,一般要求小壁厚的截面上至少有3顆粒度,因此鑄件的小壁厚應(yīng)大于3mm。
3.生產(chǎn)批量
由于模具的設(shè)計(jì)、制造周期長(zhǎng),成本高,因此要求鑄件有一定得生產(chǎn)批量,不然分?jǐn)偟矫總€(gè)鑄件上的費(fèi)用將使鑄件價(jià)格變得昂貴,難為用戶(hù)所接受。通常要求EPC法的生產(chǎn)批量為數(shù)千件或者更多。批量較小或單個(gè)試制件的模樣可以通過(guò)板材數(shù)控加工的辦法分塊制造粘合而成。
4.結(jié)構(gòu)形狀
EPC法對(duì)對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)形狀的適應(yīng)性比其他方法都強(qiáng),而且越是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,原來(lái)用砂型鑄造時(shí)需要使用的砂芯越多、機(jī)加工量越大的鑄件,采用消失模鑄造技術(shù)的優(yōu)越性就越突出,經(jīng)濟(jì)效益也越顯著。譬如,美國(guó)Mercury Marie公司曾生產(chǎn)一種新型的三缸兩沖程缸體鑄件,包含缸蓋和排氣循環(huán)系統(tǒng),原先是由13個(gè)零件組裝而成,還用了12個(gè)密封墊和42個(gè)緊固螺釘。重新設(shè)計(jì)后,變成一個(gè)消失模鑄件,有6個(gè)模片粘合而成,整體鑄出,大大減少了加工工時(shí)和裝配工作量。
EPC法可以大大擴(kuò)展鑄件形狀結(jié)構(gòu)范圍,給設(shè)計(jì)師更大的自由度。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)上有窄槽、夾層通道的鑄件處理措施,不然容易產(chǎn)生夾砂等缺陷。
現(xiàn)階段中國(guó)消失模鑄造技術(shù)的發(fā)展有以下特點(diǎn):
中國(guó)的EPC技術(shù)首先是由鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)、中小型鑄造配件廠帶頭開(kāi)發(fā)的。但到前為止,我國(guó)還沒(méi)有一家企業(yè)可以與北美、歐洲的消失模鑄造十大企業(yè)媲美。總體上看。我國(guó)的消失模鑄造廠規(guī)模小。產(chǎn)量低,經(jīng)濟(jì)效益尚未充分顯現(xiàn)出來(lái)。主機(jī)制造廠(特別是汽車(chē)制造)采用這一新技術(shù)的廠家還太少。
目前我國(guó)生產(chǎn)的EPC產(chǎn)品僅停留在中等難度以下的鑄件,如磨球,爐蓖條,熱處理框架等耐熱、耐磨件,球鐵管件,灰鑄鐵箱體件等,難度大的復(fù)雜鑄件(如汽車(chē)缸體、缸蓋)還不能批量生產(chǎn)出來(lái)。鑄鋼件、球鐵件受碳缺陷和黑渣、氣孔的困擾,廢品率還比較高。EPC技術(shù)上還不夠成熟,有許多技術(shù)難關(guān)有待攻克。
在每年68,000t消失模鑄件總產(chǎn)量中,鋁合金鑄件產(chǎn)量不到2%(美國(guó)的鋁合金鑄件產(chǎn)量將近50%),與鑄件"輕量化"的發(fā)展趨勢(shì)有較大差距。
某些規(guī)模較大的生產(chǎn)線,由于前期工藝論證不夠,技術(shù)難關(guān)還沒(méi)有攻破而遲遲不能投產(chǎn),使巨額投資得不到即時(shí)回報(bào);一些規(guī)模小的生產(chǎn)線,由于市場(chǎng)波動(dòng),產(chǎn)品對(duì)象不穩(wěn)定,經(jīng)濟(jì)效益時(shí)好時(shí)壞。
從總體(總產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)、效益)上看,我國(guó)消失模鑄造技術(shù)還處于初級(jí)發(fā)展階段(相當(dāng)與AFS分析的"技術(shù)革命期"),與美國(guó)的水平有10~15年的差距,要達(dá)到世界先進(jìn)水平,還要艱苦努力。
產(chǎn)品必須對(duì)路,項(xiàng)目的前期工藝論證必不可少。
腳踏實(shí)地地攻克消失模鑄造技術(shù)的每一道難關(guān)。
圍繞"白區(qū)"薄弱環(huán)節(jié),加大研究開(kāi)發(fā)力度。("白區(qū)"是一個(gè)多科學(xué)交叉領(lǐng)域,涉及模具的CAD/CAM,高分子發(fā)泡材料和成形發(fā)泡工藝以及相關(guān)的預(yù)發(fā)、成形、粘合設(shè)備等多個(gè)方面)。
實(shí)現(xiàn)鑄件的"輕量化"、化。大力發(fā)展鋁合金消失模鑄造。
實(shí)現(xiàn)消失模鑄造的清潔發(fā)展。
協(xié)同作戰(zhàn),發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的總體優(yōu)勢(shì)。
從新技術(shù)成長(zhǎng)的規(guī)律看,我國(guó)的消失模鑄造技術(shù)還處于技術(shù)革新期,還需要有一個(gè)艱苦的技術(shù)積累過(guò)程,需要付出艱辛的勞動(dòng),針對(duì)一個(gè)一個(gè)具體產(chǎn)品對(duì)象攻克難關(guān),不可能坐享其成或操之過(guò)急。
EPC(Event-Process Chain)模型化方法 是完全支持顧客的過(guò)程建模方法,它是由Keller等人提出基于有向圖模型的建模方法,其描述形式類(lèi)同程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的語(yǔ)義機(jī)構(gòu),是集成信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(ARIS)的建模工具。ARIS方法是現(xiàn)代企業(yè)建模方法之一,是由德國(guó)Saarland大學(xué)的Scheer教授提出的一種面向過(guò)程的集成化信息系統(tǒng)框架。它定義了功能試圖,并用獨(dú)特的控制視圖來(lái)維護(hù)功能、組織和數(shù)據(jù)3個(gè)視圖間的關(guān)系,控制視圖是其區(qū)別于其它結(jié)構(gòu)的重要特征。EPC是ARIS中用來(lái)描述控制視圖的方法之一,它兼顧了模型表達(dá)能力強(qiáng)和模型易讀性?xún)蓚€(gè)方面的優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于業(yè)務(wù)過(guò)程建模、工作流定義與控制和基于活動(dòng)的成本分析等領(lǐng)域,以及與未受過(guò)專(zhuān)業(yè)建模訓(xùn)練的普通用戶(hù)討論經(jīng)營(yíng)過(guò)程的場(chǎng)合。
1.業(yè)務(wù)事件,當(dāng)過(guò)程的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)即產(chǎn)生業(yè)務(wù)事件,通常是對(duì)完成某一功能而做的相應(yīng);
2.功能,通常是一個(gè)活動(dòng)或一項(xiàng)任務(wù),有組織單元中負(fù)責(zé)此功能的人來(lái)完成,當(dāng)然在工作流系統(tǒng)中也可能通過(guò)激活應(yīng)用來(lái)自動(dòng)完成;
3.控制流,連接功能與事件的有向弧,用以表示過(guò)程的控制邏輯;
4.邏輯操作符,用來(lái)實(shí)現(xiàn)控制流的分支與匯合,主要包括與、或、異或3類(lèi)簡(jiǎn)單的邏輯操作;
5.信息對(duì)象,完成功能時(shí)及所需的數(shù)據(jù)信息,他們既可以作為功能的輸入,也可以是功能輸出地結(jié)果。類(lèi)似于工作流管理聯(lián)盟所定義的工作流相關(guān)數(shù)據(jù);
5.組織單元,負(fù)責(zé)執(zhí)行功能單元的組織。