特种铸造设备-铸造成型设备

第七章特种铸造设备特种铸造系指不同于普通砂型铸造的其他铸造方法。特种铸造是多种铸造工艺方法的统称，它主要包括以下几种方法：(1)压力铸造；(2)低压铸造；(8)熔模铸造；(4)离心铸造；(5)壳型铸造；(6)连续铸造；(7)金属型铸造；(8)液态金属挤压铸造；(9)陶瓷型铸造；(10)真空吸铸等。与普通砂型铸造相比，特种铸造方法具有许多明显的优点：(1)铸件的尺寸精确，表面光洁，可节省大量的机加工和装配工时。如熔模铸件及压铸件的尺寸精度可达7 8 级，表面粗糙度达1.6um (Ra) 。(2)铸件的力学性能好。如低压及金属型铸造铝硅合金铸件抗拉强度比砂型铸件高20，延伸率高25%，冲击值增加一倍。(3)绝大多数特种铸造方法的工艺流程较短，工序少，因此具有较高的生产率，便于机械化和自动化生产。(4) 劳动条件一般都有所改善，大大节省了生产及辅助面积。当然，特种铸造也有许多缺点，主要是应用范围有一定的限制，设备也较复杂，生产所需的工装准备时间较长，对铸件的产量也有一定的要求等。随着科学技术的进步，有些原来用砂型生产的铸件将不断改用特种铸造方法。但特种铸造也不可能完全取代砂型铸造。本章介绍前四种方法常用的特种铸造设备一、压力铸造压力铸造是指高压压力铸造，简称压铸，这是一种先进的少无切削铸件成形工艺。其实质就是使液态合金以高速 (3570m/s) 充 满 铸型 型腔 并在 充满 型腔 的瞬 间施 以高 压 (20100MPa) ，液态合金在此高压下凝固成形。这一成形特点使压铸件具有尺寸精确、表面光洁、铸态力学性能好及铸件壁厚薄而又外形可很复杂等优点。压铸件可不经加工或只经精加工即可直接装配使用。因而节省了大量的机加工工时和设备。据统计，每使用一台压铸机可节省1560 台金切机床。因此，压铸生产在各工业国家得到了广泛的应用和迅速的发展。压铸设备是指压铸生产所需要的各种机械与装置。它主要包括压铸机和其他辅助机械；如自动定量浇注机、自动取件机械手、压铸模自动喷涂料装置、压射头自动润滑装量及自动切边压力机等。此外还有合金熔炼与保温用的加热炉等。(一)压铸机压铸机是压铸生产最重要的基本设备，压铸件的质量也取决于压铸机的性能。根据压铸机的结构和工作原理，它可分为冷室压铸机和热室压铸机两大类。其中冷室压铸机又分为：卧式冷室压铸机、立式冷室压铸机及全立式冷室压铸机三种类型；而热室压铸机也分为普通热室压铸机和卧式热室压铸机两种。卧式热室压铸机系国外最近研制出的新产品，国内现在尚未进行开发。1、立式冷室压铸机（1）工作原理 (图 7 1)其工作过程是：合型完成后，将液态金属浇入垂直安装的压射室中，由于反料冲头此时处于封住嘴孔的位置，故液态金属不会流入压铸型型腔。压射冲头向下运动进行压射，先封闭压射室上口，进而施压于金属液表面并压迫反料冲头下降打开喷嘴6 的通孔，金属液立即被压入压铸型腔，型腔充满后在高压下凝固成形，然后压射冲头返回，反料冲头上升切断余料饼的直浇道并将余料饼顶出压射室、开型、反料冲头下降到浇注位置，完成一个工作循环。(2)立式冷室压铸机的优缺点由于充型是从金属液柱的底部开始和完成，故可避免浮于金属液表面的夹渣进入铸件，有利于提高压铸件的质量。合金液进入型腔时要经过90运动转向， 加之喷嘴部分的直浇道直径不允许很大，所以金属液的运动阻力大，压头损失增加，为保证必要的充型时间，就要比卧式冷室压铸机更大的压射力。另一方面，因增加了切反料工序，不但使机器的生产周期加长，而且受压射机构结构特点的影响，不便于实现自动化。（3）立式冷室压铸机的选用1)J1516 型立式冷室压铸机(图 72)是压铸机系列新产品，主要由底座、合型机构、压射机构、切反料机构、防护门及液压、电气、冷却和润滑系统等部分组成。采用电气和液压联合控制，具有点动和联动两种工作程序。联动工作时根据抽、插芯的动作顺序，可选择三种循环程序以适应不同压铸件的工艺要求。其结构特点是：合型采用曲肘扩力机构，具有运动平稳、锁型可靠和节能等优点。动型板开挡距离的调节采用手动。在动型板上可安装液压抽芯器以满足抽芯要求。2)J1525 型立式冷室压铸机(图 73)也是压铸机系列产品之一，它与 J1516 型压铸机一样适用于铝、铜、锌和镁合金等中心浇口压铸件的生产。其结构特点：合型机构主要由液压驱动的机械曲肘扩力机构、顶出机构以及开档调节机构等组成。开档调节机构是由摆线针轮减速器和一组齿轮组成，不但保证了四根大杠受力均匀及机器的精度，而且减轻了劳动强度，提高了工作效率。为了便于大型具的安装， 设有大杠抽出机沟， 可将前上方的大杠抽出。2卧式冷室压铸机(1)工作原理卧式冷室压铸机的压射室是水平安装的，其工作原理及过程见图7 4 所示。机器合型后，将液态合金浇入压室2中，压射头 l 前进将液态合金经浇道压入型腔 6 中，合金凝固后开型，压射头同时跟出将余料 8 与铸件一起推离静型，然后顶出铸件并取走，完成压铸循环。立式、卧式两种压铸机比较，在结构上仅仅压射部分不同，立式压铸机有切断、 顶出余料的下油缸， 结构比较复杂。增加了维修困难，而卧式压铸机则较简单，维修也方便。在工艺上立式压铸机压室内的空气不会随液态金属进入型腔，便于开设中心浇口，但由于浇口长，液体金属耗量大，充填过程能量损失也较大。对比之下卧式压铸机液体金属进入型腔流程短，压力损失小，有利于传递最终压力，便于提高铸件致密度。卧式压铸机由于生产率较高，容易实现自动化生产，因而使用越来抛广泛。3热室压铸机(1)热室压铸机工作原理见图75。热室压铸机的压射室与压射头浸在保温炉坩埚内的液态合金中，压射机构装在坩埚的上部。当压射头3 位于上面原始位置时， 液态合金1 通过进口 5 流入压室 4 内，合型液，压射头向下运动先封闭进口5，继而迫使剩余的合金沿通道6 经喷嘴 7 注入压铸型型腔8，充满型腔后保压到凝固成形，然后开型取出铸件，完成一次工作循环。这种压铸机的优点是工序简单，生产效率高和金属消耗少，由丁合金是从液面以下充入型腔，故避免了浮渣进入铸件的可能，保证了压铸件质量。另外，工作也较稳定，改善了劳动条件并便于实现自动化生产。其缺点是压射室和压射头长期浸在液态合金中，工作条件十分恶劣，其寿命也受到很大影响。故热室压铸机目前还只限于压铸锡、锌、镁等熔点较低的合金4电机转子压铸机用压铸工艺将高纯度铝充满感应电机转子导线槽并同时铸出其端部的通风叶轮，这是一种先进的电机转子生产工艺。它具有生产率高、劳动条件好，不需预热等优点。为了加快这一新工艺的推广，我国已研制出ZJ024 型卧式冷室电机转子压铸机、ZJ034 型和 245kN 全立式冷室电机转子压铸机。二、熔模铸造熔模铸造是一项少无切削的铸造工艺，通常是在蜡模表面涂上数层耐火材料，待其硬化干燥后，将其中的蜡模熔去而制成模壳，再经过焙烧，然后进行浇注而获得铸件的一种方法。它获得的铸件具有较高的尺寸精度、表面光洁，因而熔模铸造应用范围不断扩大。如在航空、船舶、汽车、拖拉机、机床、农机、汽轮机、电讯机械、仪表、刀具、武器等制造行业中，都得到了广泛的应用。为了减轻工人的劳动强度，提高蜡模质量， 保证工艺的均匀一致性， 降低生产成本，提高生产率，目前正向着机械化、自动化方向发展。熔模铸造设备大致可分为：(1)蜡料制备及蜡处理没备；(2)制模及蜡模焊接设备；(3)制壳及硬化设备；(4 脱蜡设备；(5)模壳焙烧浇注设备；(6)铸件清理设备。(一)蜡料制备及蜡处理设备蜡料制备是熔模铸造的第一道工序，蜡料的好坏对铸件表面质量影响很大。目前我国常用的蜡料是石蜡、硬脂酸组成的低温蜡料，本章介绍的设备多用来制备低温蜡料，粘度不大的中温蜡料也可用此设备。年产量小于的200t 的小型熔模铸造车间可选用M 214 型蒸汽熔蜡炉、 M 223 型搅蜡机及M292 型简易压蜡机等，而年产量大于200t 的熔模车间可采用XM 255 型蜡料制备线，它是由熔蜡、搅蜡及压蜡机等组成。如果一条线满足不了要求，可选用二条。使用它可减轻劳动强度，提高蜡模质量及生产率。1M214 型蒸汽熔蜡炉 (图 77)该炉为小型熔模铸造车间成套设备之一，主要用于低温或中温蜡料的熔化。它是由盛蜡桶及水槽等组成，热源为蒸汽。蜡料破成碎块装入盛蜡桶内，然后通入蒸汽使水温上升，直至将蜡料熔化为止。该炉可直接安放在水泥地面上使用。2XM255A 型蜡料制备线 (图 7 8)它是由熔蜡槽、高速搅蜡机、压蜡机、压蜡头、工作台、管路及电气系统等组成。它完成熔蜡、搅蜡、压蜡等工序。其工作原理是将块状固态蜡，置于四周加温和封闭的熔蜡器内。块状蜡在通蒸汽的管状栅格上，迅速熔化成液态蜡，并经滤网漏于保温槽内。蜡液经过过滤，用泵输送至高速搅蜡机内，加入一定比例的小块固态蜡，在高速叶片打击和搅拌下，搅成膏状蜡料。压蜡机将膏状蜡抽吸至压蜡缸内后即可进行压蜡，将蜡料压送至各个压蜡头以压制蜡模。该线是在国内熔模车间生产实践基础上，由机电部济南铸造锻压机械研究所设计。其特点是：(1)操作方便，适应性强，可制备通用低温蜡料和熔点较低的中温蜡料，满足年产量250t 的熔模铸造车间的需要。(2)熔蜡槽内具有通蒸汽的管状栅格熔蜡器，蜡料熔化效率高。(3)蜡料输送管道化，实现了流水生产，防止了蜡料受污染的可能性。(4) 全部的制蜡及输蜡均采用热水保温，保证了蜡模质量。除搅蜡机需采用地脚螺栓外，其余部件均安放在水泥地面上。根据工艺要求，溶蜡槽、高速搅蜡机、压蜡机的保温水槽先通蒸汽或用电加热器升温，将残余蜡化清后，再加冷水调至预定温度，用电加热器自动保温。(二)制模设备压蜡机是制模设备，选用时要考虑到采用的蜡料种类(高、中、低温蜡料)及蜡模的形状、重量、批量等。目前国内有简易压蜡机、单工位压蜡机、十工位压蜡机及液态压蜡机等。采用压缩空气直接加压的简易压蜡机，结构简单、使用方便，小型熔模车间可广泛采用，但生产率低。为了提高生产率及蜡模质量，采用液压传动开、合模的单工位及十工位压蜡机，可用来压制低温及中温蜡料。 采用液态蜡料制模时，要选用 M233 液态压蜡机。1M292 型简易压蜡机 (图 7-9)该设备是小型熔模铸造车间成套设备之一，用于压制蜡模。可与 M 214 蒸汽熔蜡炉及M223 搅蜡机配套使用。它是由压蜡桶及压蜡头等组成。使用时将制成的膏状蜡料，放入该压蜡机的压蜡桶内，用压缩空气将蜡料经压蜡头压入压型内，压注成表面光洁的蜡模。该机结构简单，操作方便。适于生产批量不大的小型熔模铸造车间及试验室。该机可直接安放于地坪上。（三）制壳设备制壳是熔模铸造的一个重要的工序，壳的质量好坏会接影响到铸件的质量，废品率多半于模壳质量有关，目前制壳的方法有二种，一种是手工制壳，雨淋撒砂机适用于手工制壳撒砂。另一种是机械化制壳可采用悬链制壳线或脉动式制壳机。只要将模组挂在吊具上，就可以完成模组的涂料、撒砂、硬化及干燥等工序。悬链线适用于小件的制壳。脉动式制壳机适用于中件 (小于 30kg) 制壳。它结构紧凑、占地面积小，但必须采用快速硬化的新工艺。制壳机械手适用以上模壳的制备，它能减轻体力劳动，并使模壳涂挂均匀1M394 型雨淋撒砂机 (图 710)50kg它是由提升机、摆动筛和机架等部分组成。其工作过程是打开上部储砂斗闸门，砂经摆动筛筛分后，形成均匀的砂幕落下，人工将挂有涂料的模组，在砂幕中上、下、左、右摆动撒砂，直至达到要求为止。该机是小型熔模铸造车间成套设备之一。结构简单、操作方便、可大大减轻体力劳动强度。(四)脱蜡设备熔模车间的脱蜡一般有两种方式即采用热水或蒸汽脱蜡。蒸汽脱蜡效率高，适合于中温蜡料的脱蜡。而目前国内大部分熔蜡车间的脱蜡是采用热水脱蜡。它结构简单适用于低温蜡料及水玻璃模壳。M 4716 型热水脱蜡槽 (图 7 11)它是由吊篮、支架、手动升降机构、蒸汽加热管、热水槽、蜡水分离器等组成。其工作原原理是将挂有涂料的模组放在吊篮内，吊篮由手动升降机构带动，下降至热水槽内， 进行脱蜡。 脱蜡完毕，吊篮升起，取出模壳。该机操作方便、结构简单，但蒸汽消耗量较大。它适用于低熔点蜡料及水玻璃模壳的脱蜡。是年产 100t 的熔模车间的配套设备。(五)模壳焙烧浇注设备目前焙烧炉的种类有电阻炉、油炉和煤气炉等几种。推荐采用煤气炉，它适用于连续生产，比电炉和油炉操作、维修方便，改善了劳动条件，提高了模壳质量。XM519A 型模壳焙烧浇注线(图 712)它是由焙烧炉、焙烧小车、挡车机构、环形浇注单轨及铸型输送机等组成。共有四个工位：图中I 为装壳工位。 II为焙烧工位。 III为浇注工位。 IV 为冷却落砂工位。在装壳工位将模壳装于焙烧小车上，铸型输送机载焙烧小车进入炉中进行焙烧。模壳焙烧后，输送机将它送至浇注工位进行浇注，然后送至冷却落砂工位进行落砂，落砂后的空焙烧车运至载壳工位待用。焙烧热源为热煤气。 若用冷煤气或天然气为最佳(应换燃烧器 )。该线的特点是生产率高，劳动强度低，适用于大批量、连续生产的熔模车间，不宜用于年产量150 t 以下的熔模车间。三、低压铸造所谓低压铸造就是液体金属在气体压力作用下由下而上地充填型腔， 以形成铸件的一种方法，因所用压力较低(一般2060kPa)，故称之为低压铸造，基本原理见图7 13。在密封的l 坩埚 (或密封罐) 4 中，通入干燥的压缩空气(或惰性气体)，金属液3 在气体压力的作用下，沿升液管2 上升通过浇口5 平稳地进入型腔8，并保持坩埚液面上的气体压力，一直到铸件完全凝固为止，然后解除液面口气体压力，使升液管和浇口中未凝固的金属液由于自重回到坩埚中去，已凝固的金属液便在型腔中形成了所需铸件。这种铸造方法有以下几个特点：(1) 液体金属充型平稳。这是由于低压铸造采取底注充型，液体金属上升速度容易控制，能减少金属液对型壁或型芯的冲刷，可使液流方向与型腔内气流方向一致，易于排出型腔中气体，从而可以减少铸件产生夹渣和气孔的可能性。(2)铸件成形性好。由于是在压力下充型，增强了液体金属充填能力，有利于形成轮廓清晰，表面光洁的铸件。(3)铸件结晶组织致密，力学性能好。因为铸件结晶凝固时受压，补缩效果好，从而提高了铸件力学性能。如抗拉强度和硬度，一般比重力铸造提高10左右，而对要求耐压、防漏的铸件效果更好。(4)提高了金属液的工艺收得率。由于低压铸造利用压力充型和补缩，大大简化了浇注系统和冒口系统的结构，使金属液的收得率大大提高，一般可达90以上。此外，劳动条件好；设备简单；见效快，易实现机械化和自动化，也是低压铸造的优点。目前，国内低压铸造较国外尚有一定控差距，主要是在设备的使用寿命，可靠性，通用性及标准化方面差距较大，多数低压铸造机是由各使用单位根据各自的具体情况，自己设计制造的专用设备，其结构简单，落后，操作不便，性能较差。四、离心铸造离心铸造是将液体金属浇入旋转的铸型中，在离心力的作用下充填铸型并凝固成形的一种铸造方法。离心铸造与其他铸造方法相比较，有如下特点：(1)不使用芯子即可铸出空心筒形或环形铸件，大大减化了生产过程。(2)由于液态金属在旋转铸型中产生离心力，提高了金属的充型能力，故一些流动性较差的金属和薄壁铸件用离心铸造法可得到满意的结果。(3)改善了铸件的补缩条件，铸件结晶细、无气孔、非金属夹杂物少，从而合金组织致密，力学性能较高。(4)节省了浇注系统及冒口，降低铸件成本，提高了成品率。(5)可浇注双金属件。(6)离心铸造容易产生偏析，铸件的内表面较粗糙。由于上述特点，离心铸造适用于铸造一些套件、环形件、管件和筒类铸件。例如：合金套、铁套、铸铁管、铸铁轧辊、双金属离心钢套等。(二 )卧式离心铸造机（1）J514 型卧式离心铸造机(图 7 14)该机采用电磁转差离合控制将控制机械传动，可控硅无级调速电机，主轴转速无级线性调速。适用于浇注各种不同直径、不同材质的铸件，避免了浇注中由于转速不当造成偏析等铸造缺陷。另外，该机还采用了机械自卸机构，减轻了劳动强度，提高了生产率。该机用于离心铸造各种铸件及铜、铝、锌等有色金属合金缸套和筒类件，也可借助砂衬浇注带法兰的零件。适用于单件或批量生产。