消失模铸造工艺设计(内部资料)

确定浇注位置时应注意以下几点： 重要的加工平面要朝下或垂直放置； 模样的大平面应垂直或倾斜放置； 尽量将气化模上具有开口部分（如空穴及 凹槽等）朝上安放，便于填砂紧实； 便于开设浇、冒系统和除渣排气通道； 利于造型材料的填充，避免形成死角区； 尽量满足凝固原则，就是使截面的横截面 积自上而下逐渐增大； 模样在砂箱中的位置应有利于干砂充填， 尽量避免水平面和水平向下的盲孔 。
冒口的补缩距离 铸钢件冒口的有效补缩距离为冒口区与末端 区长度之和。在冒口的有效补缩距离范围内，铸 件实现顺序凝固，铸件致密。 铸钢件冒口区长度和末端区长度都随铸件厚度的 增大而增加，根据铸件的厚度结合图3可以查出冒 口区长度和末端区长度。 冒口的有效补缩距离＝冒口区长度＋末端区 长度 灰铸铁冒口的补缩距离与铁液的共晶度有关。 由于灰铸铁的共晶度低，结晶范围宽，共晶转变 前析出奥氏体阻碍补缩，所以冒口的补缩距离较 小。其冒口的补缩距离从图4中查出；球墨铸铁具 有模糊凝固特性，冒口的补缩效果较差，只有铸 造较厚的球铸铁件时才有必要采用传统的冒口补 缩。其补缩距离约为铸件厚度的4倍左右；可锻铸 铁冒口的补缩距离为4～4.5倍壁厚。
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冒口区长度L/mm
300 250 200 150 100 50 25 50 75 100 125 150 175 铸件壁厚T/mm （a）
末端区长度L/mm
300 250 200 150 100 50 25 50 75 100 125 150 175 铸件壁厚T/mm （b）
图3
冒口有效补缩距离 L/mm
铁水的共晶度
图4
冒口的设计方法：模数法、周界商法、收缩模数法 和热节圆法。（详细推倒原理、公式见论文） 1、模数法:根据铸件顺序凝固原理，保证冒口的凝 固时间晚于铸件的凝固时间，这就要求冒口的 模数大于铸件的模数，一般取铸件的1.1～1.2倍。 模数法计算冒口的一般步骤为： a. 根据铸件的特征划分几个基本形状，并确定冒 口的补缩区域； b. 计算每个补缩区域的铸件模数； c. 根据铸件的结构特征和补缩区域，选择合适的 冒口类型和冒口数量，并计算冒口尺寸，如采 用边冒口，需要计算冒口颈尺寸； d. 根据冒口补缩距离，验算冒口数量，根据冒口 的最大补缩能力验算冒口容量
→浇注系统各单元界面积的比例 在消失模铸造中，大多采用封闭式浇注系统。 在实际生产中内浇道总截面积、横浇道总截面积和 直浇道截面积之比为： 对铸铁来说，
1.2： 1.4 F ： F ： F ＝1.1：
直 横 内
对铸钢来说，
1 : 1.1 : 1.2 F ： F ： F ＝
直 横 内
→直浇道与模样体之间的距离 模样与直浇道的距离S，与铸件的材质、大小有关， 可按下面的经验公式计算：
→消失模铸造的产品质量主要决定于：“白区”、“黑区” 生产线的方案设计和设备配套水平；消失模铸造工艺及 浇注系统设计；消失模涂料的品质和浸涂、烘干工艺。 消失模铸造工艺流程为： 1）制作泡塑气化模； 2）组合浇注系统； 3）气化模表面刷、喷特制耐火涂料并烘干； 4）将特制隔层砂箱置于振动工作台上； 5）填入底砂（干砂）振实，刮平； 6）将烘干的气化模放于底砂上，填满干砂，微振适当 时间刮平箱口； 7）用塑料薄膜覆盖，放上浇口杯，接真空系统抽真空， 干砂紧固成型后，进行浇注，气化模气化消失，金属液 取代其位置； 8）释放真空，待铸件冷凝后翻箱，从松散的砂中取出 铸件。
二、制模工艺
目前，消失模模样所用的原材料主要有可发泡聚 苯乙烯（EPS）、可发泡聚甲基丙烯酸甲酯 (EPMMA)、苯乙烯和甲基丙烯酸甲醋的共聚物 （STMMA）等。EPS模样发气量 低，残留物量 少，密度小、气化迅速、价格适中等优点，但 EPS模样容易引起铸铁件表面产生光亮碳缺陷和 使铸钢件表面增碳，而采用EPMMA模样对解决 增碳、皱皮、黑渣等缺陷非常有效，但是， EPMMA的发气量大，约是EPS的1.5倍。 STMMA是苯乙烯和甲基丙烯酸甲醋的共聚物，兼 有前两者的优点。
→浇道的结构与形状 内浇道应设计成由橫（或直）浇道到铸型方 向呈逐渐减小的喇叭形，使得内浇口始终充满状 态，防止模样气化的气体反喷。其截面呈长方形 或圆形。 对于必须采用的阶梯浇注的较高大铸件是， 其浇口宜采用向上倾斜的形式，倾斜角度为20～ 30°。这样可以使金属液自上而下的注入型腔。 浇口的作用很大程度上取决与它的形状。为 有利于减少金属液的热损失和充型，保证浇注系 统在铸件凝固后凝固，直浇道和横浇道宜选用圆 形截面，也可以是方形截面。内浇口一般采用矩 形浇口，而且浇口的截面厚度不应小于5mm。
消失模铸造工艺设计
安徽工程科技学院 王仲珏 教授
2007年6月
消失模铸造工艺设计
一、总论 二、制模工艺 三、浇注系统设计 四、涂料 五、填砂与浇注
一、总论
消失模铸造工艺设计目的：获得表面和内 部质量较好的优质铸件。 消失模铸造工艺特点：消失模的型腔是实 型的，且有泡沫塑料模样，高温浇注时， 模样气化消失。 消失模铸造优点：精度高、污染小、低成 本 ，可以铸造各种材质、大中小型、形状 复杂的铸件。
→浇注系统设计的原则： 保证金属液能充满型腔。（如图1） 浇注系统的安排要考虑到模样束在砂箱中的 位置，便于填砂紧实。 浇注系统的设计要保证模样束的整体强度。 内浇道的个数、位置对金属液充型方向的影 响。 浇注系统多采用简单的形式。 金属液压头应超过金属前沿的界面气体压力， 以防呛火（反喷）。
→冒口的设计
冒口设计的一般原则 （1）冒口应就近设在铸件热节的上方或侧旁； （2）冒口应尽量设在铸件最高、最厚的部位； （3）冒口不应设在铸件最重要、受力大的部位,以 免组织粗大降低强度； （4）冒口位置不要选在铸造应力集中处,应注意减 轻对铸件的收缩阻碍,以免引起裂纹； （5）尽量用一个冒口同时补缩几个热节或铸件； （6）冒口布置在加工面上,可节约铸件精整工时,零 件外观好； （7）不同高度上的冒口,可应用冷铁将各个冒口的 补缩作用范围隔开。
→浇注系统形式的选择 按金属液注入铸型（或内浇道）位置的不同， 浇注系统可分为以下几种（如图2.所示）：顶注； 上（侧）注；下1/3处浇注；阶梯浇注；底注；下 雨淋浇注。其中，下1/3浇注较为常用。 顶注式浇注系统的优点是，充型时间最短、 浇速快，防止塌箱；满足顺序凝固要求，补缩作 用好，而且有利于防止浇不足和冷隔缺陷。缺点 是难以控制流速，容易使残留物卷入，对型腔的 冲击大，飞溅大。 侧注式浇注系统的优点，液体从模样中间引 入，可缩短内浇道的距离。侧柱金属液一进入型 腔就可以在360°角范围内向四周扩散，充型速 度快。
→无论采用哪一种珠粒制模，其制模工艺过程都是相 同的。其工艺过程如下： 原料 → 预发泡 → 珠粒熟化处理 → 制模 → 模 样的熟化 →模样组合 （1）原料(EPS、EPMMA、STMMA等)采用聚苯乙 烯珠粒，聚苯乙烯塑料具有发气量 低，残留物量少， 密度小、气化迅速、价格适中等优点。 （2）予发泡：聚苯乙烯在制模之前，必须经过予发 泡处理，来调整并获得所需的粒度和密度。
S——直浇道与模体之间的距离（mm）； K——常数，浇注铝合金时＝60mm；浇注铜合金 时＝80mm；浇注铸铁件时＝120mm；浇注铸钢 时＝140mm； H——铸件高度（mm）； G——铸件重量（kg）； ——修正系数，为0.08mm/kg； ——修正系数，为0.06。
S K G H
铸件的大小和壁厚不同，采用的浇注系统也 有所不同。对于大型铸件大多采用底注式浇注系 统，这样可以使气化模的分解气体处于抑制状态， 保证真空系统的有效抽气量大于模样气化生成的 气体。对于薄壁、矮小的铸件可以采用顶注式浇 注系统。薄壁矮小的铸件模样，气化后生成的气 体量也就相应的较少，同时气化的气体由真空泵 强行抽离砂箱。采用这种浇注系统对薄壁矮小铸 件进行浇注，其充型速度快，金属温度高，不仅 成型好，而且可以得到表面光洁、内部质量也好 的铸件。这类铸件采用顶注式浇注系统不存在塌 箱问题，因为尽管气化也是在整个铸型内进行， 但是浇注可以在短短的几秒内就结束，砂箱内的 真空度下降到临界值之前就充满型腔，而且表面 已经凝固结壳。
液态金属 注入
抽真空
气
金

图1.浇注过程各种压力平衡 Ph—砂型对涂料的压力； P气—泡沫塑料分解物气体压力； P金—液态金属对涂料及砂型的压力
→浇注位置的设计 确定浇注位置在很大程度上着眼于控制 铸 件的凝固。实现顺序凝固的铸件，可以 消除缩孔、缩松，保证获得致密铸件，在 这种条件下，浇注位置的确定应有利于安 放冒口。 埋型操作时，需考虑气化模在砂箱中的 合理位置，使它与箱壁之间有合理的距离， 即吃砂量。只要具备一定厚度的吃砂量， 在抽真空后才能产生足够的强度，形成坚 固的铸型，使其能承受住金属液静压力的 作用。
→内浇道截面大小的计算 计算浇注系统时，可以借鉴砂型铸造的计算 方法，采用水力学公式计算：
F
内

G
t 0.31 H P
式中 G——流经内浇道的液态金属重量（kg） （包括铸件重和浇注系统重量）； ——流量系数，可参考传统工艺查表，一般取 0.3～0.4之间； H ——压头高度，根据模样在砂箱中位置确定； t ——浇注时间 。
消失模铸造中的冒口除补缩和调整温度场 外，还有集渣、排气的作用。在浇注过程中， 远离浇道位置和铸型的死角、顶端部位，经常 容易出现夹渣、冷隔等缺陷，可以在这些部位 设置集渣或收集过冷金属液的冒口。 在消失模铸造中，大都采用圆柱形或球形 暗冒口。这样可以保证铸型在整个浇注的过程 中处于真空密封状态，抑制气化模的气化率； 有利于改善浇注环境，提高铸件的内外质量。 冒口一般可粘结在泡沫塑料模样上，也可 将冒口模样嵌入到在铸件泡沫塑料模样的凹穴 部位。
（3）熟化：予发泡后的珠粒在使用前需在空气中 进行十几小时的熟化处理，让空气渗透到珠粒的 泡孔内，使其状态稳定，恢复弹性和再膨胀能力。 （4）制模：制模在制模机上进行，将熟化后的聚苯 乙烯珠粒用压缩空气发送到模具内，通入蒸汽使 其软化膨胀，珠粒间受热融合，黏结成型，模具 冷却后开模，取出模样。 （5）组模：将制成的模样与切割的浇道、浇口等粘 接在一起，形成浇注模。
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图2.浇注系统的形式 a)顶注 b)上注 c)下1/3处浇注d)阶梯浇注 e)底注 f)下雨淋浇注
底注式浇注系统充型时内浇道处于被淹没状态，金 属液流平稳，不易氧化，也没有激溅；可以抑制气化 模的发气量，同时金属液上升的方向与泡沫分解气化 的方向一致，有利于浮渣。缺点是当铸件高度较高时， 越往上升金属液的温度越低，不利于顶部冒口的补缩； 金属液上升速度慢，铸件表面易出现碳缺陷，尤其是 厚大铸件。 阶梯式浇注系统兼有顶注和底注两种浇注方式的 优点，有利于铸件的顺序凝固和排气浮渣。但浇注系 统的模样制作复杂，塑料模样成品率低，浇注时易引 起冷隔缺陷，一般用在高大的铸件上。 在实际的生产中，应根据铸件的特点和金属材质 进行合理选择浇注系统。比如，铸钢的流动性差，收 缩大，在最后凝固冷ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的部位易出现缩松、缩孔等铸 造缺陷。为了消除或避免这些缺陷，大多数铸件采用 顶注式（对小铸件）和阶梯式（大铸件）浇注系统， 让直浇道或内浇道通过冒口，提高冒口的补缩能力。
三、浇注系统的设计
→铸件典型浇注系统由浇口杯（外浇口）、直浇道、 直浇道道窝、橫浇道和内浇道等部分组成。能否 获得健全的铸件，与浇注系统结构和形式有很大 的关系。如果设计不合理，就可能使铸件产生气 孔、缩孔和冷隔等缺陷。消失模铸造还会出现特 有的皱皮、冷隔状夹杂和铸钢件的渗碳等瑕疵。 →浇注系统的设计应该有利于金属液顺利平稳地充 满整个型腔，而且具有良好的浮渣和排气能力， 以获得无缺陷的优质铸件。消失模浇注系统的位 置安放自由，不受起模、合箱、抽芯的限制。因 此可以放在最理想的位置上。对各种大、中、小 型，各种材质、形状复杂的铸件都适用。