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学习情境三轮毂的熔模铸造成型3．1 任务描述熔模铸造通常是在可熔模样的表面涂覆多层耐火材料，待其硬化干燥后，加热将其中模样熔去，从而获得具有与模样形状相应的空腔型壳，经过焙烧后，在型壳温度很高的情况下进行浇注，最终获得铸件。本学习情境是通过对轮毂零件的铸造了解熔模铸造的全过程。【知识点】◎熔模铸造的工艺过程。◎熔模铸造的特点。【技能点】◎学会用熔模铸造的成型方法生产零件。3．2 任务分析铸造如图３－１所示的轮毂铸钢件，生产类型为大批量生产。图３－１ 轮毂3．3 相关知识一、熔模铸造工艺过程主要的工艺过程如图３－２所示。图３－２ 熔模铸造的主要工艺过程示意图1．熔模的制造制造型壳时，主要有两种方法将模料注入压型，即自由浇注和加压注入（压注）。自由浇注时使用液态模料，浇道的熔模和可溶尿素质型芯都用自由浇注法制造。压注时模料可为液态、半液态（糊状）、半固态（膏状）和固态。半固态和固态（粉状、粒状或块状）挤压成形是利用低温时模料的可塑性，用高的压力使之在压型中形成一定的形状，具有生产效率高、收缩小、熔模尺寸精度高的优点。但只适用于制造厚大截面、形状简单的熔模，且要有专门的压力机。目前生产中主要采用糊状模料和液态模料压注形成铸件的熔模。压注熔模前，需在清洁的压型型腔表面涂抹薄层分型剂。以便自压型中取出熔模以及细化熔模的表面粗糙度。在压注糊状蜡基模料时，常用的分型剂有变压器油和松节油；在压注糊状松香基模料时可用蓖麻油和酒精各半的溶液，含硅油质量浓度为２％的溶液可用于松香基模料的液态和糊状压注。气压法压注熔模如图３－３所示。模料置于密闭的保温罐中，向罐内通入压力为０．２～０．３ＭＰａ的压缩空气，将模料经保温导管压向注料头。制熔模时，只需将注料头的嘴压在压型的注料口上，注料头内通道打开，模料自动进入压型。此法只适用于压注蜡基模料，因其装备简单、操作容易、效率高，故得到广泛的应用。制型壳的主要工序是模组的除油和脱脂，在模组上涂挂涂料和撤砂，将型壳干燥和硬化，在型壳中熔失熔模（脱模），焙烧型壳等。这些工序过程对型壳的综合性能有很大的影响。43 学习情境三 轮毂的熔模铸造成型图３－３ 气压法压注熔模１—密闭保温模料罐；２—导管；３—注料头；４—压型2．熔模的组装熔模的组装是把形成铸件和浇冒口系统的熔模组合成整体模组，目前广泛采用的方法是焊接法，即采用电压电热刀片在熔模焊接处局部加热后，把焊接对象黏合冷接在一起。3．型壳的制造制型壳的主要工序是模组的除油和脱脂，在模组上涂挂涂料和撒砂，将型壳干燥和硬化，自型壳中熔失熔模（脱模），焙烧型壳等。１）模组的除油和脱脂采用蜡基模料制作熔模时，为了提高涂料润湿模组表面的能力，需要将模组表面的油脂除去。可把模组先浸泡在含表面活性剂的水溶液中，例如洗衣粉溶液，其中洗衣粉的质量分数约为０．５％。同时还可利用熔模表面的表面活性剂吸附涂料，进一步改善涂料对熔模的润湿性。质量分数为１％的聚乙烯醇或渗透剂的水溶液也可有效地在熔模表面形成亲水膜，改善涂料对熔模的涂挂性。一般，自表面活性剂液中取出的模组可立即涂挂涂料，也有先让熔模表面干燥后再涂挂涂料的工艺。用松香基模料制的熔模制备硅酸乙酯水解液涂料时，由于制模时压型表面常用硅油作分型剂，硅油本身就是一种有效的改善涂料涂挂性的材料，而硅酸乙酯水解液涂料对模组又有较好的润湿性，因此在该场合下模组就不需要除油了。２）涂挂涂料和撒砂在给模组涂挂涂料之前，应先把涂料搅拌均匀。如果采用Ｌ形涂料搅拌机盛涂料，则应先将机器开动，取样测量涂料的流杯黏度和密度，如不符合工艺要求，需作相应的调整。一般黏度过高时，可在涂料中加入黏结剂液进行稀释；如涂料太稀，可加入稠的涂料来提高其黏度。涂挂涂料一般采用浸渍法，即把模组或带有型壳层的模组浸入涂料，适当摇晃、转动，使涂料充分润湿被涂物表面，去除可能夹入的气泡，然后自涂料中提出。涂挂表面层涂料时，应仔细检查涂料层分布是否均匀，涂料有无堆积，涂料层中是否有气泡，有时需作必要的处理。例如用Ｌ形涂料搅拌机盛涂料，因涂料相对于被涂物总是处于流动状态，也就不需要浸涂时的摇晃、转动操作了。撒砂是指在所挂涂料层的外面粘上一层耐火砂粒，其目的是迅速增厚型壳，使砂粒层成为型壳的骨架，分散型壳在随后工序中可能产生的应力，例如型壳干燥、焙烧时的收缩、膨胀不均匀而533．3 相关知识 引起的应力。砂粒层的粗糙表面也可使涂料能很好地粘附，使型壳各层间有良好的连接。撒砂的砂粒粒度在表面层最细，粒度为４０～１００目，而后逐步增粗，加固层的撒砂砂粒的粒度为６～４０目。３）型壳层的干燥和硬化每涂挂和撒好一层型壳层以后，就要对这一层进行干燥和硬化，促使其中的黏结剂转变成凝胶，把耐火材料牢固地连接在一起，使型壳层具有一定的湿强度。不同的黏结剂涂料，其干燥、硬化的机理和方法也不一样。下面主要介绍水玻璃型壳的干燥和硬化。水玻璃型壳一般采用先自然干燥、后化学硬化的工艺。在干燥时，型壳脱水，黏结剂胶凝，过程较慢，但涂料中脱水速度均匀，胶凝收缩缓慢，在涂料层中均匀进行，故硅酸钠薄膜与耐火材料结合强度很好。干燥过程中在硅酸钠凝胶中形成的微裂纹有助于随后硬化过程中硬化剂在涂料层中的扩散，可促进硬化反应。干燥过程中的胶凝收缩还可减少硬化胶凝中的黏结剂收缩，提高型壳层的致密度和型壳强度。但因自然干燥胶凝需要的时间太长，一般只在型壳面层涂挂、撒砂后采用。面层自然干燥时希望环境温度为１５～２５℃，相对湿度为４０％～６０％，干燥时间可为２～２４ｈ。为缩短干燥时间也可采用热风干燥或其他加热干燥方法。型壳加固层一般不采用干燥涂挂涂料和撒砂后立即硬化的工艺。有时会采用干燥很短时间（５～３０ｍｉｎ），再进行硬化的工艺。４）脱模型壳完全硬化后，需从型壳中熔去模组，常用加热的方法实现。这里介绍热水法脱模。将带有模组的型壳放在吊笼中，浸入用蒸汽加热的温度高于９５℃但不沸腾的热水中，使熔模熔化，模料自型壳的浇口处向外冒出。此法普遍用于蜡基模料熔模的熔失。在水玻璃型壳脱模时，可在水中加少许的ＮＨ４Ｃｌ或ＨＣｌ，使型壳进一步硬化，型壳内的部分ＮａＣｌ和Ｎａ２Ｏ也可溶于水中。模料的回收率达８０％～９０％。但砂粒易掉入型壳内，引起铸件夹砂的缺陷，为此有时对脱完模的型壳还专门用清水清洗其内腔。此外，热水脱模的装备虽简单，但热水加热时型壳内先熔化的是壁厚较薄的铸件熔模，厚度最大的粗断面的浇口熔模却熔化得较迟，而它正处于熔化模料流出的通道上，因此被堵在型壳内的体积变大了的模料液便可能挤压型壳，使型壳开裂。一些硬化不够的型壳也会因黏结剂吸水的回溶而被“煮烂”。在热水中的模料也易皂化。５）型壳的造型和焙烧在不少场合，当型壳强度足够时，可直接将型壳放入焙烧炉中进行高温焙烧。但在生产一些精密度要求较高的铸件时，先要把型壳埋入装有充填物的箱中，再进行焙烧，以提高型壳在高温浇注时抵抗金属液破坏的能力。把型壳装箱埋入充填物中的工序称为造型。造型用填料有干填料和湿填料两种，前者可为黏土熟料砂、硅砂或其他耐火材料的砂粒。所用的箱子是用不锈钢或耐热钢制成的有底的上开口箱。先在箱底铺厚度不小于２５ｍｍ的砂层，然后放入型壳，在型壳四周放入干填料，然后在振动台上振实。湿填料用质量分数为１２％的４００号矾土水泥加８８％的硅砂再加３０％～４５％的水的混合浆料。砂箱无底，箱壁上衬有电缆纸，在振动台上造型，待浆料硬化后送入焙烧炉焙烧。在真空浇注的型壳外面，有时用１０～１５ｍｍ厚的硅酸铝纤维板包裹，并用钢丝捆紧，以增强63 学习情境三 轮毂的熔模铸造成型型壳。型壳在焙烧时可以烧去里面残留的模料，水玻璃型壳上的ＮａＣｌ也可部分地被烧去，型壳材料中的吸附水和结晶水全部逸出；所有涂料中的凝聚硅胶全都成为ＳｉＯ２，型壳强度增加，并为熔模铸造时的热型浇注做好了准备。水玻璃型壳的焙烧温度较低，最好不超过９００℃，硅酸乙酯水解液型壳和硅溶液胶型壳的焙烧温度较高，可达１０５０℃。单壳的焙烧保温时间一般为１～２ｈ，而造型后型壳的高温保温时间则需２～４ｈ。硅酸乙酯水解液型壳用湿填料造型后，其脱模过程是在焙烧炉中进行的，先经过１２～１６ｈ慢速加热，温度至３００℃时进行脱模，然后快速升温至９００～１０５０℃，保温２ｈ后对铸型进行焙烧。二、熔模铸件的浇注和清理1．熔模铸件的浇注熔模铸件浇注的突出特点是热型烧注，即从焙烧炉中取出温度很高的型壳或放在型中的型壳，直接用浇包浇注，或把铸型固定在可翻转的感应炉炉口上，翻转感应炉体，让金属液流入型腔（图３－４）。前一种方法用得很普遍，效率高；后一种方法可减少金属液在出炉和浇注过程中的氧化，但效率低，在高温合金浇注时应用。不同合金浇注时所取的铸型温度不一样，表３－１给出了一些合金浇注时的铸型温度。表3－1 不同合金浇铸时的铸型温度合金种类铝合金铜合金钢高温合金铸型温度／℃１００～３００１００～５００３００～９５０８００～１０７５浇注时采用高温铸型可使金属液正确地复制型腔的形状，提高铸件的精密度，获得薄壁、细孔的铸件。但金属在热型中冷却较慢，易使晶粒粗大，降低铸件材质的力学性能。碳钢铸件表面层易出现脱碳薄层（＜１ｍｍ），降低了铸件表面的性能，可用降低铸型温度、提前打箱等措施减小脱碳层的厚度，也可在浇注后用罩子盖住铸型，并向罩内滴煤油，使铸件在还原性气体中冷却。图３－４ 翻转式浇注示意图１—铸型；２—感应炉；箭头表示翻转浇注次序造型焙烧浇注时，可在造型填料中加一些碳质物质，例如石墨、无烟煤、沥青等，也可加碳酸盐，例如ＢａＣＯ３·Ｎａ２ＣＯ３等；制造铸件凝固时，保持还原性气氛，防止脱碳层出现。733．3 相关知识 浇注后对型壳吹冷风或喷水也可减少铸件脱碳。2．熔模铸件的清理熔模铸件清理的内容主要有：①从铸件上清除型壳；②自浇口系统上取下铸件，去除铸件图３－５ 振击式脱壳机１—气缸；２—弹簧；３—导柱；４—风锤；５—铸件组上的冒口；③去除铸件上粘附的残留耐火材料和铸件中的陶瓷型芯；④铸件热处理后的清理，例如去除氧化皮、飞边、浇冒口残余，形状校正等。１）从铸件和金属浇冒口系统上清除型壳小量生产时，可用锤子或风锤敲打浇冒系统，使铸件组振动，脆件型壳便从铸件上碎落下来。产量较大时，可使用振击式脱壳机（图３－５）。将带有型壳的铸件组５直浇道的一端放在脱壳机的机座上，开动气缸１将风锤压下，顶住直浇道的上端，启动风锤，振击铸件组，使型壳脱落。如果在内浇道上做凹槽，振击时铸件本身的振动会使凹槽处应力集中，出现疲劳断裂，使铸件从直浇道上掉落。振击式脱壳机效率高，但工作时有噪声，灰尘大，最好用铁壳把机器封闭起来，脱壳前用水浸泡铸件组，以改善工作环境。此法适用于小件生产。２）切割浇冒口一般使用气割、砂轮片切割以及锯割等方法将铸件与浇冒口分离。３）铸件上残留耐火材料和陶瓷型芯的清除常用化学清理法清除铸件上的残留耐火材料和陶瓷型芯。3．4 任务实施一、熔模的制造1．制模按蜡料配方把石蜡、硬脂酸和回收蜡分别加入化蜡槽内，并加热至全熔状态，其温度不得超过９０℃，然后将蜡液送到蜡膏搅拌机的盛蜡槽内。可采用压送或泵送蜡料的方式。启动蜡膏制备机，打开盛蜡槽阀门，使蜡料均匀地流在刮蜡滚筒上，进行蜡片生产。根据蜡片质量，及时地调整蜡料温度和刮蜡滚筒冷却水的流量。当搅蜡缸内有２／３的蜡片时，停止刮蜡，起动搅拌机进行搅蜡，直至呈糊状蜡料为止。紧固搅蜡缸盖，用压缩空气将蜡膏压送至蜡膏保温缸内。检查并保证压型的分型面、型腔、脱模机构、定位销、紧固件完整清洁，涂擦分型剂，装配并紧固压型。将蜡枪嘴对准压型的注蜡孔（图３－６），旋开阀门使蜡膏注入型腔并保压３～１０ｓ，然后关闭阀门，移走蜡枪。把注满蜡膏的压型浸入水中或放在工作台上冷却，冷却时间视蜡模形状与质量要求而定，一般应冷却２０～１００ｓ。拆开冷却后的压型，取出蜡模（图３－７）并及时放入水中继续冷却，有特殊83 学习情境三 轮毂的熔模铸造成型要求的蜡模应放在专用的夹辅具上冷却。图３－６ 注蜡 图３－７ 取蜡模用压缩空气吹除型腔、型芯上的水和蜡渣，并视取模状况涂擦分型剂。2．熔模组焊接将电烙铁加热到工作温度，把蜡件牢固地焊接在浇道上，不得有缝隙，蜡液不得