第一讲 造型机和造芯机的工艺基础

铸造机械化主讲人：孙清洲课程简介课程简介：本课程是材料成型与控制工程专业的一门专业课。主要介绍铸造车间造型制芯设备，砂处理设备，落砂清理设备，冲天炉熔化工部配料及加料设备，机械化运输设备，铸造车间给料及定量设备，常用除尘设备的原理、结构以及选用。教学基本要求：掌握各种设备的工作原理，了解设备的基本结构。考核形式：闭卷笔试+作业、考勤+随堂测试教材及主要参考书：《铸造机械化》、《铸造设备选用手册》、《铸造设备》序机械：人们在改造自然的过程中总结和创造出来的，用于代替或帮助人们完成某项工作的设备的总称分类：专用机械、通过机械铸造机械：为铸造生产工艺服务的机械设备的总称实现铸造机械化的意义：提高铸件质量；减轻工人劳动强度；提高劳动生产率铸造机械和其它机械的关系：1.各种机械所基于的传动原理、控制原理等各方面具有共性2.为了满足铸造生产的需要，铸造机械在其工艺适应性上有其特殊性，共性和特殊性的结合就构成了各种设备。第一讲粘土砂造型机和制芯机工艺基础粘土砂造型机和制芯机工艺基础粘土砂造型机和制芯机工艺基础粘土砂造型机和制芯机工艺基础本讲所要解决的主要问题1.对铸型的工艺要求是什么？2.如何获得满足铸造工艺要求的铸型？3.铸型紧实与否如何衡量？4.紧实铸型的方法有几种？其实砂原理是什么？5.不同实砂方法所获得的紧实度分布规律及影响紧实度大小及分布的因素。第一节型砂的紧实度及实砂要求一、铸造工艺方法及工艺过程铸造工艺方法主要分为两类：砂型铸造：用砂型及砂芯形成铸型的型腔特种铸造：除砂型铸造之外的铸造方法的总称二、铸造对砂型的工艺要求①成型：形成具有一定的强度、尺寸精度和表面精度的型腔；②工艺性能：透气性、耐火度、溃散性使铸型成型的方法：紧实型砂粘土砂造型机和制芯机工艺基础三、紧实度紧实度：砂粒间排列及堆积的紧密程度紧实度的表达方式：1.容重法：δ=m/v(g/cm3)用容重法表征的造型材料的紧实度：松散型砂：1.2~1.3g/cm3；一般紧实型砂：1.55~1.7g/cm3高紧实度型砂：1.6~1.8g/cm3非常紧实型砂：1.8~1.9g/cm3粘土砂造型机和制芯机工艺基础2.硬度法：用砂型的表面硬度表征型砂的紧实度硬度的测量：采用硬度计硬度计分类：A、B型：压头为球形，用于测量一般砂型的表面硬度C型：压头呈锥形，用于测试硬度高的砂型用硬度法表征的砂型紧实度：一般为60~80；高压造型可达到90常用实砂方法：压实、震实、气流紧实等粘土砂造型机和制芯机工艺基础第二节压实实砂一、压实实砂的原理：直接加压使型砂紧实粘土砂造型机和制芯机工艺基础压实实砂根据压实速度不同分为慢速压实(加压速度＜0.01m/s，一般压实((压实速度0.5~1m/s)、高速压实(压实速度7m/s)，一般压实造型机上均为一般压实，因此，在此仅讨论一般压实实砂的情况。粘土砂造型机和制芯机工艺基础一般压实的紧实过程：工作台自下向上运动，压头从上向下压入铸型⑴工作台从静止开始上升⑵砂型碰到压头，上层砂子受撞击而紧实，并将紧实力向下传递。上层砂子受到的冲击力及压力大，紧实度高粘土砂造型机和制芯机工艺基础⑶在砂型紧实的未尾，铸型、砂箱、模板具有较大的速度，最终和铸型发生撞击。二、压实所得紧实度平均分布靠近压板处最高，中间有所降低，而靠近模板处又有所提高。1.砂型中心紧实度分布2.砂型角上紧实度分布3.砂型边上中间紧实度分布粘土砂造型机和制芯机工艺基础三、影响压实法实砂紧实度大小及分布的因素1.压实比压的影响压实比压：型砂单位面积上受到的压实力压实比压高，紧实度高，紧实度的均匀性提高粘土砂造型机和制芯机工艺基础粘土砂造型机和制芯机工艺基础2.砂箱高度的影响在砂箱的高宽比(砂箱高度/窄边宽度)小于1时，砂箱中心部位紧实度上下均匀。当砂箱高宽比大于1时，只有在接近1的范围内砂箱中心部位上、下坚实度均均，远离压板处紧实度降低。右图：断面为100×100mm，不同高度砂箱中心部位紧实度在高度方向的分布。粘土砂造型机和制芯机工艺基础3.模型的影响1)具有模型时砂型的紧实过程2)具有模型时铸型的紧实度分布粘土砂造型机和制芯机工艺基础3)影响因素●压缩比的影响A、压缩比的产生B、压缩比的概念(H+h)δ0=Hδ1(H+h-m)δ0=(H-m)δ2δ1=δ0+(h/H)δ0δ2=δ0+〔h/(H-m)〕δ0h/H及h/(H-m)称为压缩比粘土砂造型机和制芯机工艺基础●模型顶上砂柱的高宽比B砂柱高宽比的概念：minbshB模样顶上窄边宽度模样顶上砂柱高度当B≥1~1.25时，压缩比的影响小，反之则大粘土砂造型机和制芯机工艺基础●深凹比A的影响深凹比的概念：minBH深凹处短边的宽度深凹处的高度或深度A当A小于0.8时深凹处易紧实粘土砂造型机和制芯机工艺基础四、提高压实法实砂紧实度的措施1.提高压实比压：压实比压高，紧实度高并且分布均匀。2.减小压缩比的差别：紧实度均匀措施：●应用成型压头●应用多触头压头●压膜造型粘土砂造型机和制芯机工艺基础应用成型压头(目的是使各处的压缩比相同)粘土砂造型机和制芯机工艺基础粘土砂造型机和制芯机工艺基础多触头压头(万能式成型压头)粘土砂造型机和制芯机工艺基础压膜造型(万能式成型压头)粘土砂造型机和制芯机工艺基础3.模板加压与对压法●压板加压法：压板压入砂箱紧实度分布：靠近压板处高，远离压板处低●模板加压法：压实时压板不动，模板压入砂箱紧实度分布：靠近模板处高，远离模板处低粘土砂造型机和制芯机工艺基础●对压法：压板和模板从两个方向同时加压紧实度分布：较均匀粘土砂造型机和制芯机工艺基础4.控制型砂的紧实率：在满足要求的情况下选择较低的紧实率的型砂，一般机器造型型砂的坚实率为45-55%，高压造型35-45%5.提高压前型砂的紧实度：进行压前预紧实，如：射砂加砂、负压加砂、压前震击预实砂等)(0212Hm粘土砂造型机和制芯机工艺基础第三节震击及微振实砂一、震击实砂1.震击实砂原理惯性紧实粘土砂造型机和制芯机工艺基础2.震击实砂的紧实度分布：紧实度下高，上低3.影响震击实砂紧实度的因素●震击次数：一般为20~50次，随震击次数的增加，紧实度提高。●震击高度：一般为20~50mm，最大不超过80mm，震击高度大，紧实度高。粘土砂造型机和制芯机工艺基础●模型上尖角的影响：在水平的尖角处紧实度明显降低4.使震击实砂紧实度均匀化的措施●震击＋压实●动力补充紧实●人工辅助紧实5.震击法实砂的应用●单纯用震击实砂时，应和辅助人工紧实相结合●大多数情况下是做为对型砂进行预紧实的手端粘土砂造型机和制芯机工艺基础二、微震实砂微震实砂是相对普通震击实砂而言的，普通震击实砂时，其震幅一般为20～50mm，频率为200～500次/分，而微震实砂时其震幅一般在5～25mm，频率在500～1000次/分。1.微震实砂紧实度分布：类似于普通震击实砂，靠近模板处高，远离模板处低2.影响紧实度大小的因素：同普通需击实砂粘土砂造型机和制芯机工艺基础3.改善微震法实砂紧实度分布的措施微震和压实相结合●微震+压实：微震起到预实砂的作用●微震+压震：预紧实+压实粘土砂造型机和制芯机工艺基础●压震压实的同时进行震击的实砂方法称为压震进行实震，强化了压实实砂的效果原因：由于动压实力的存在使实际压实力大大增加粘土砂造型机和制芯机工艺基础粘土砂造型机和制芯机工艺基础第四节射砂法实砂一、射砂法实砂的工作原理1.射砂的过程及原理射前期：压缩空气快速进入射砂筒，射砂筒内压力升高，但砂子还没有射出，射前期约需0.008～0.011s粘土砂造型机和制芯机工艺基础自由射砂阶段：砂粒由气流推动形成气固两相流射入芯盒，时间约为0.3～0.5s，近80～90%的砂子在这一阶段射入芯盒压砂团紧实：将稀疏的气砂流变为密集流，最后被推入芯盒，称为“压砂团”粘土砂造型机和制芯机工艺基础气流流过砂层而形成渗透压，当渗透压大于砂粒之间的阻滞力时，砂子以气固两相流的方式被气流射出。粘土砂造型机和制芯机工艺基础形成气压梯度（顶上进气、和均匀进气形成的气压梯度不同）粘土砂造型机和制芯机工艺基础2.射砂实砂的紧实原理气砂流受滞止时形成的高气压的作用(动压+静压)气压砂团的紧实作用粘土砂造型机和制芯机工艺基础☆芯盒的排气方式上排气：排气孔设在射砂头上，射砂气体由芯盒的上方排出下排气：将排气孔设在芯盒的下部，射砂气体由芯盒的下方排出综合排气：即有上排气，也有下排气粘土砂造型机和制芯机工艺基础3.射砂所得紧实度分布在芯盒高度方向上：靠近射孔及远离射孔处高，中间低在芯盒的横断面上：中心高，周边低δC：中心处的紧实度δP：靠近芯盒壁处紧实度粘土砂造型机和制芯机工艺基础4.影响射砂法实砂紧实度的因素1)射砂筒内的气压梯度及射砂气压气压梯度及气压高则紧实度高控制气压梯度的方法：快速进气、射砂筒的结构、射砂气压2）芯盒上排气孔的位置和大小一般排气孔的总面积为芯盒截面的0.3～0.35倍。3）射孔的面积一般射孔面积为射筒面积的0.2～0.5倍；射孔面积与排气孔面积之比约为1：3三、射砂法实砂的应用特点：填砂和紧实一次完成，紧实度低1、在化学硬化砂中用于填砂和紧实2、在粘土砂中用于填砂和预紧实粘土砂造型机和制芯机工艺基础第五节气流渗透压实砂法1.气流渗透压实砂的原理将型砂加入砂箱之中，将吹气头压到砂箱之上，迅速通入压缩气体，使气体的升压速度达到5-7MPa/s，气流迅速作用于砂子的表面，并产生从砂层表面到模板(模型)之间的渗透，砂层中形成渗透压，最终气体从模板上的排气孔排出。在渗透压的作用下，使型砂获得紧实。粘土砂造型机和制芯机工艺基础2.气流渗透实砂的紧实度分布：靠近排气塞处紧实度高，上部的紧实度低3.影响气流渗透实砂紧实度的因素工作气压：工作气压高，紧实度高；升压速度：升压速度高，紧实度高，一般升压速度为5～7MPa/s排气孔的面积及位置：排气孔面积大紧实度高，但排气孔面积占模板面积的2.5~3.5%之后，面积再增加，强度增加较少。砂箱高度：砂箱高度大，紧实度高。粘土砂造型机和制芯机工艺基础4.气流渗透实砂的应用型砂的紧实度低，主要用于型砂的预紧实，通常气渗紧实后再加压实方能达到铸造工艺要求，这种先气渗紧实再加压实的实砂方法称为“静压造型”5.气流渗透压实砂和射砂实砂的异同点：相同点：均利用有压气体进行实砂不同点：实砂机理不同。射砂实砂时形成气砂两相流，靠气砂流受滞止时的动压+静压以及最后的气压砂团原理紧实；气流渗透压实砂是靠渗透压实现实砂工作过程不同：射砂实砂将填砂和实砂溶为一体，渗透压实砂时应先填砂，然后再进行渗透压紧实。粘土砂造型机和制芯机工艺基础第六节气流冲击实砂1.气流冲击实砂的工作过程将砂箱加满型砂并压到气冲头上，开启快速进气阀，压缩气体以80~100MPa/s的升压速度作用于型砂的表面，由于升压速度高，气体来不及向砂层内渗透，在砂层表面形成冲击波，使上层砂子首先受到冲击预紧实，预紧实层逐渐向下扩展，直到模板。经预紧实的型砂和模板冲击，将冲击能转变为压力能而获得终紧实，终紧实层从下向上逐层紧实直至砂层的顶面，实砂过程结束。粘土砂造型机和制芯机工艺基础2.气冲法实砂的工作原理气冲实砂的过程就是初实层的形成、扩大及冲击的过程粘土砂造型机和制芯机工艺基础3.气冲紧实所得紧实度分布在高度方向上：靠近模板处紧实度高，远离模板处紧实度低，最上层的砂子紧实度最低。在铸型的横断面上：紧实度相对均匀粘土砂造型机和制芯机工艺基础4.影响紧实度大小的因素☆砂层表面的升压速度：升压速度高，初实层簿，更有利于气冲紧实，型砂的紧实度高。一般气冲紧实时砂层表面的升压速度为80~100MPa/s粘土砂造型机和制芯机工艺基础☆工作气压：工作气压高，在相同的工作设备上可得到较高的升压速度。升压速度高，预实层簿，型砂的紧实度高粘土砂造型机和制芯机工艺基础☆其它因素：●砂箱高度的影响：砂箱高紧实度高●模型的影响：当深凹比大于3时，易出现漏斗堆塞现象，使紧实度分布不均匀粘土砂造型机和制芯机工艺基础粘土砂造型机和制芯机工艺基础☆流态气冲法: