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.硬度度法法：：用砂砂型型的的表表面面硬硬度度表表征征型型砂砂的的紧紧实实度度硬度度的的测测量量：：采采用用硬硬度度计计硬度度计计分分类类：：A、、B型型：：压压头头为为球球形形，，用用于于测测量量一一般般砂砂型型的的表表面面硬硬度度C型型：：压压头头呈呈锥锥形形，，用用于于测测试试硬硬度度高高的的砂砂型型用硬硬度度法法表表征征的的砂砂型型紧紧实实度度：：一般般为为60~80；；高高压压造造型型可可达达到到90常用用实实砂砂方方法法：：压实实、、震震实实、、气气流流紧紧实实等等粘土土砂砂造造型型机机和和制制芯芯机机工工艺艺基基础础第二二节节压压实实实实砂砂一、、压压实实实实砂砂的的原原理理：：直接接加加压压使使型型砂砂紧紧实实粘土土砂砂造造型型机机和和制制芯芯机机工工艺艺基基础础压实实实实砂砂根根据据压压实实速速度度不不同同分分为为慢慢速速压压实实(加加压压速速度度＜＜0.01m/s，，一一般般压压实实((压压实实速速度度0.5~1m/s)、高高速速压压实实(压实实速速度度7m/s)，一般般压压实实造造型型机机上上均均为为一一般般压压实实，，因因此此，，在在此此仅仅讨讨论论一一般般压压实实实实砂砂的的情情况况。。粘土土砂砂造造型型机机和和制制芯芯机机工工艺艺基基础础一般般压压实实的的紧紧实实过过程程：：工作作台台自自下下向向上上运运动动，，压压头头从从上上向向下下压压入入铸铸型型⑴工作作台台从从静静止止开开始始上上升升⑵砂型型碰碰到到压压头头，，上上层层砂砂子子受受撞撞击击而而紧紧实实，，并并将将紧紧实实力力向向下下传传递递。。上上层层砂砂子子受受到到的的冲冲击击力力及及压压力力大大，，紧紧实实度度高高粘土土砂砂造造型型机机和和制制芯芯机机工工艺艺基基础础⑶在在砂砂型型紧紧实实的的未未尾尾，，铸铸型型、、砂砂箱箱、、模模板板具具有有较较大大的的速速度度，，最最终终和和铸铸型型发发生生撞撞击击。。二、压压实所所得紧紧实度度平均均分布布靠近压压板处处最高高，中中间有有所降降低，，而靠靠近模模板处处又有有所提提高。。1.砂砂型中中心紧紧实度度分布布2.砂型型角上上紧实实度分分布3.砂砂型边边上中中间紧紧实度度分布布粘土砂砂造型型机和和制芯芯机工工艺基基础三、影影响压压实法法实砂砂紧实实度大大小及及分布布的因因素1.压压实比比压的的影响响压实比比压：：型砂单单位面面积上上受到到的压压实力力压实比比压高高，紧紧实度度高，，紧实实度的的均匀匀性提提高粘土砂砂造型型机和和制芯芯机工工艺基基础粘土砂砂造型型机和和制芯芯机工工艺基基础2.砂砂箱高高度的的影响响在砂箱箱的高高宽比比(砂砂箱高高度/窄边边宽度度)小小于1时，，砂箱箱中心心部位位紧实实度上上下均均匀。。当砂箱箱高宽宽比大大于1时，，只有有在接接近1的范范围内内砂箱箱中心心部位位上、、下坚坚实度度均均均，远远离压压板处处紧实实度降降低。。右图：：断面面为100×100mm，不不同高高度砂砂箱中中心部部位紧紧实度度在高高度方方向的的分布布。粘土砂砂造型型机和和制芯芯机工工艺基基础3.模模型的的影响响1)具具有模模型时时砂型型的紧紧实过过程2)具具有模模型时时铸型型的紧紧实度度分布布粘土砂砂造型型机和和制芯芯机工工艺基基础3)影影响因因素●压缩比比的影影响A、压压缩比比的产产生B、压压缩比比的概概念(H+h)δδ0=Hδδ1(H+h-m)δδ0=(H-m)δδ2δ1=δ0+(h/H)δδ0δ2=δ0+〔h/(H-m)〕δδ0h/H及h/(H-m)称为为压缩缩比粘土砂砂造型型机和和制芯芯机工工艺基基础●模型顶顶上砂砂柱的的高宽宽比B砂柱高高宽比比的概概念：：当B≥≥1~1.25时，，压缩缩比的的影响响小，，反之之则大大粘土砂砂造型型机和和制芯芯机工工艺基基础●深凹比比A的的影响响深凹比比的概概念：：当A小小于0.8时深深凹处处易紧紧实粘土砂砂造型型机和和制芯芯机工工艺基基础四、提提高压压实法法实砂砂紧实实度的的措施施1.提提高压压实比比压：：压实比比压高高，紧紧实度度高并并且分分布均均匀。。2.减减小压压缩比比的差差别：：紧实度度均匀匀措施：：●应用成成型压压头●应用多多触头头压头头●压膜造造型粘土砂砂造型型机和和制芯芯机工工艺基基础应用成成型压压头(目的的是使使各处处的压压缩比比相同同)粘土砂砂造型型机和和制芯芯机工工艺基基础粘土砂砂造型型机和和制芯芯机工工艺基基础多触头头压头头(万能能式成成型压压头)粘土砂砂造型型机和和制芯芯机工工艺基基础压膜造造型(万能能式成成型压压头)粘土砂砂造型型机和和制芯芯机工工艺基基础3.模模板加加压与与对压压法●压板板加压压法：：压板压压入砂砂箱紧实度度分布布：靠近压压板处处高，，远离离压板板处低低●模板加加压法法：压实时时压板板不动动，模模板压压入砂砂箱紧实度度分布布：靠近模模板处处高，，远离离模板板处低低粘土砂砂造型型机和和制芯芯机工工艺基基础●对压压法：：压板和和模板板从两两个方方向同同时加加压紧实度度分布布：较均匀匀粘土砂砂造型型机和和制芯芯机工工艺基基础4.控控制型型砂的的紧实实率：：在满足足要求求的的情况况下选选择较较低的的紧实实率的的型砂砂，一一般机机器造造型型型砂的的坚实实率为为45-55%，高高压造造型35-45%5.提高压压前型型砂的的紧实实度：：进行压压前预预紧实实，如如：射射砂加加砂、、负压压加砂砂、压压前震震击预预实砂砂等粘土砂砂造型型机和和制芯芯机工工艺基基础第三节节震震击及及微振振实砂砂一、震震击实实砂1.震震击实实砂原原理惯性紧紧实粘土砂砂造型型机和和制芯芯机工工艺基基础2.震震击实实砂的的紧实实度分分布：：紧实度度下高高，上上低3.影影响震震击实实砂紧紧实度度的因因素●震击击次数数：一般为为20~50次次，随随震击击次数数的增增加，，紧实实度提提高。。●震击高高度：一般为20~50mm，最大大不超超过80mm，，震击高高度大，，紧实度度高。粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础●模型上上尖角的的影响：：在水平的的尖角处处紧实实度明显显降低4.使震震击实砂砂紧实度度均匀化化的措施施●震击＋压压实●动力补充充紧实●人工辅助助紧实5.震击击法实砂砂的应用用●单纯用震震击实砂砂时，应应和辅助助人工紧紧实相结结合●大多数情情况下是是做为对对型砂进进行预紧紧实的手手端粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础二、微震震实砂微震实砂砂是相对对普通震震击实砂砂而言的的，普通通震击实实砂时，，其震幅幅一般为为20～～50mm，频频率为200～～500次/分，而而微震实实砂时其其震幅一一般在5～25mm，，频率在在500～1000次/分分。1.微震震实砂紧紧实度分分布：类似于普普通震击击实砂，，靠近模模板处高高，远离离模板处处低2.影响响紧实度度大小的的因素：：同普通需需击实砂砂粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础3.改善善微震法法实砂紧紧实度分分布的措措施微震和压压实相结结合●微震+压压实：微微震起到到预实实砂的作作用●微震+压压震：预预紧实+压实粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础●压震压实的同同时进行行震击的的实砂方方法称为为压震进行实震震，强化化了压实实实砂的的效果原因：由由于动压压实力的的存在使使实际压压实力大大大增加加粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础第四节射射砂法实实砂一、射砂砂法实砂砂的工作作原理1.射砂砂的过程程及原理理射前期：：压缩空气气快速进进入射砂砂筒，射射砂筒内内压力升升高，但但砂子还还没有射射出，射射前期约约需0.008～0.011s粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础自由射砂砂阶段：：砂粒由气气流推动动形成气气固两相相流射入入芯盒，，时间约约为0.3～0.5s，近80～～90%的砂子子在这一一阶段射射入芯盒盒压砂团紧紧实：将稀疏的的气砂流流变为密密集流，，最后被被推入芯芯盒，称称为“压压砂团””粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础气流流过过砂层而而形成渗渗透压，，当渗透透压大于于砂粒之之间的阻阻滞力时时，砂子子以气固固两相流流的方式式被气流流射出。。粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础形成气压压梯度（（顶上进进气、和和均匀进进气形成成的气压压梯度不不同）粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础2.射砂砂实砂的的紧实原原理气砂流受受滞止时时形成的的高气压压的作用用(动压压+静压压)气压砂团团的紧实实作用粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础☆芯盒的的排气方方式上排气：：排气孔设设在射砂砂头上，，射砂气气体由芯芯盒的上上方排出出下排气：：将排气孔孔设在芯芯盒的下下部，射射砂气体体由芯盒盒的下方方排出综合排气气：即有上排排气，也也有下排排气粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础3.射砂砂所得紧紧实度分分布在芯盒高高度方向向上：靠靠近射孔孔及远离离射孔处处高，中中间低在芯盒的的横断面面上：中中心高，，周边低低δC：中心处处的紧实实度δP：靠近芯芯盒壁处处紧实度度粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础4.影响响射砂法法实砂紧紧实度的的因素1)射射砂筒内内的气压压梯度及及射砂气气压气压梯度度及气压压高则紧紧实度高高控制气压压梯度的的方法：：快速进进气、射射砂筒的的结构、、射砂气气压2）芯盒盒上排气气孔的位位置和大大小一般排气气孔的总总面积为为芯盒截截面的0.3～～0.35倍。。3）射孔孔的面积积一般射孔孔面积为为射筒面面积的0.2～～0.5倍；射射孔面积积与排气气孔面积积之比约约为1：：3三、射砂砂法实砂砂的应用用特点：填填砂和紧紧实一次次完成，，紧实度度低1、在化化学硬化化砂中用用于填砂砂和紧实实2、在粘粘土砂中中用于填填砂和预预紧实粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础第五节气流渗透透压实砂砂法1.气流流渗透压压实砂的的原理将型砂加加入砂箱箱之中，，将吹气气头压到到砂箱之之上，迅迅速通入入压缩气气体，使使气体的的升压速速度达到到5-7MPa/s，，气流迅迅速作用用于砂子子的表面面，并产产生从砂砂层表面面到模板板(模型型)之间间的渗透透，砂层层中形成成渗透压压，最终终气体从从模板上上的排气气孔排出出。在渗渗透压的的作用下下，使型型砂获得得紧实。。粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础2.气流流渗透实实砂的紧紧实度分分布：靠近排气气塞处紧紧实度高高，上部部的紧实实度低3.影响响气流渗渗透实砂砂紧实度度的因素素工作气压压：工作气压压高，紧紧实度高高；升压速度度：升压速度度高，紧紧实度高高，一般般升压速速度为5～7MPa/s排气孔的的面积及及位置：：排气孔面面积大紧紧实度高高，但排排气孔面面积占模模板面积积的2.5~3.5%之后，，面积再再增加，，强度增增加较少少。砂箱高度度：砂箱高度度大，紧紧实度高高。粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础4.气流流渗透实实砂的应应用型砂的紧紧实度低低，主要要用于型型砂的预预紧实，，通常气气渗紧实实后再加加压实方方能达到到铸造工工艺要求求，这种种先气渗渗紧实再再加压实实的实砂砂方法称称为“静静压造型型”5.气流流渗透压压实砂和和射砂实实砂的异异同点：：相同点：：均利用有有压气体体进行实实砂不同点：：实砂机理理不同。。射砂实实砂时形形成气砂砂两相流流，靠气气砂流受受滞止时时的动压压+静压压以及最最后的气气压砂团团原理紧紧实；气气流渗透透压实砂砂是靠渗渗透压实实现实砂砂工作过程程不同：：射砂实实砂将填填砂和实实砂溶为为一体，，渗透压压实砂时时应先填填砂，然然后再进进行渗透透压紧实实。粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础第六节气气流冲冲击实砂砂1.气流流冲击实实砂的工工作过程程将砂箱加加满型砂砂并压到到气冲头头上，开开启快速速进气阀阀，压缩缩气体以以80~100MPa/s的的升压速速度作用用于型砂砂的表面面，由于于升压速速度高，，气体来来不及向向砂层内内渗透，，在砂层层表面形形成冲击击波，使使上层砂砂子首先先受到冲冲击预紧紧实，预预紧实层层逐渐向向下扩展展，直到到模板。。经预紧紧实的型型砂和模模板冲击击，将冲冲击能转转变为压压力能而而获得终终紧实，，终紧实实层从下下向上逐逐层紧实实直至砂砂层的顶顶面，实实砂过程程结束。。粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础2.气冲法法实砂的的工作原原理气冲实砂砂的过程程就是初初实层的的形成、、扩大及及冲击的的过程粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础3.气冲冲紧实所所得紧实实度分布布在高度方方向上：：靠近模板板处紧实实度高，，远离模模板处紧紧实度低低，最上上层的砂砂子紧实实度最低低。在铸型的的横断面面上：紧实度相相对均匀匀粘土砂造造型机和和制芯机机工艺基基础4.影响响紧实度度大小的的因素☆砂层表表面的升升压速度度：升压速度度高，初初实层簿簿，更有有利于气气冲紧实实，型砂砂的紧实实度高。。一般气气冲紧实实时砂层层表面的的升压速速度为80~100MPa/s粘土砂造型型机和制芯芯机工艺基基础☆工作气压压：工作气压高高，在相同同的工作设设备上可得得到较高的的升压速度度。升压速速度高，预预实层簿，，型砂的紧紧实度高高粘土砂造型型机和制芯芯机工艺基基础☆其它因素素：●砂箱高度的的影响：砂砂箱高紧实实度高●模型的影响响：当深凹凹比大于3时，易出出现漏斗堆堆塞现象，，使紧实度度分布不均均匀粘土砂造型型机和制芯芯机工艺基基础粘土砂造型型机和制芯芯机工艺基基础☆流态气冲法法:由辅助框上上的夹层将将气流先引引到易出现现漏斗堵塞塞的部位。。当气冲实实砂时，有有一股气体体先到了易易形成漏斗斗堵塞的部部位，使那那里的砂层层流态化，，破坏了漏漏斗堵塞的的形成，同同时使深凹凹处的型砂砂获得预紧紧实，以提提高深凹处处型砂的紧紧实度。粘土砂造型型机和制芯芯机工艺基基础☆差动气冲法法：在压缩比大大的型砂上上面设置阻阻流板，当当进行冲击击实砂时，，无阻流板板处，气流流直接作用用于型砂表表面，有阻阻流板处气气流需经阻阻流板后方方能作用于于型砂的表表面，使无无阻流板处处和有阻流流板处的型型砂按先后后顺序获得得紧实从而而解决了漏漏斗堵塞的的问题粘土砂造型型机和制芯芯机工艺基基础☆二次气冲法法：在深凹处的的底板上开开有排气孔孔，而非深深凹处则没没有。第一一次气冲时时开小的气气冲阀，砂砂型表面的的升压速度度低，对于于深凹处的的型砂相当当进行了一一次气渗预预紧实，而而第二次气气冲时开启启大的气冲冲阀实现真真正的气冲冲紧实，由由于预紧实实提高了第第二次紧实实前型砂的的紧实度，，破坏了形形成漏斗堵堵塞的条件件。粘土砂造型型机和制芯芯机工艺基基础5.真空在在型砂紧实实中的应用用1)真空射射砂填砂工作时将砂砂箱或芯盒盒紧压于填填砂斗和模模板之间，，模板上开开有排气孔孔。填砂时时将真空引引至模板上上排气孔的的下方，使使模板处气气压降低，，在填砂斗斗与模板间间形成气压压差，这一一气压差推推动型砂向向砂箱内运运动，实现现填砂和紧紧实。紧实度一般般较低，主主要用于对对型砂的预预紧实。粘土砂造型型机和制芯芯机工艺基基础2)真空气气渗实砂工作时将芯芯盒填满芯芯砂，将芯芯盒底板上上的排气孔孔接真空，，芯盒两端端因气压差差而出现气气流的渗透透而产生渗渗透压，在在渗透压的的作用下使使芯砂获得得紧实。所得型砂的的紧实度低低，主要用用于粘土型型砂的预紧紧实或化学学粘结型砂砂的紧实。。粘土砂造型型机和制芯芯机工艺基基础第七节填填砂及起起模一、填砂1.造型工工艺对填砂砂的要求1)均匀填填砂2)型型砂砂松松散散3)提提高高预预填填砂砂的的紧紧实实度度(1)射射砂砂填填砂砂(2)真真空空填填砂砂粘土土砂砂造造型型机机和和制制芯芯机机工工艺艺基基础础二、、起起模模造好好的的铸铸型型在在起起模模时时一一方方面面要要克克服服砂砂子子和和模模型型之之间间的的摩摩擦擦阻阻力力，，另另一一方方面面要要克克服服砂砂子子及及砂砂箱箱的的重重力力，，其其起模模机机构构和和起起模模方方式式主主要要有有：：1.顶顶箱箱起起模模(Z14系系列列造造型型机机属属此此类类)●顶杆杆起起模模粘土土砂砂造造型型机机和和制制芯芯机机工工艺艺基基础础二、、起起模模1.顶顶箱箱起起模模(Z14系系列列造造型型机机属属此此类类)●顶杆杆起起模模特征征：：四根根顶顶杆杆顶顶住住砂砂箱箱实实现现起起模模。。顶杆杆起起模模有有两两种种工工作作方方式式：：一一种种是是工工作作台台不不动动，，顶顶杆杆顶顶住住砂砂箱箱向向上上运运动动实实现现起起模模。。另另外外一一种种是是顶顶杆杆顶顶住住砂砂箱箱不不动动，，工工作作台台向向下下运运动动进进行行起起模模。。粘土土砂砂造造型型机机和和制制芯芯机机工工艺艺基基础础●漏漏模模起起模模特征征：：四根根顶顶杆杆顶顶住住漏漏模模板板，，由由漏漏模模板板托托住住砂砂箱箱实实现现起起模模。。漏模模起起模模有有两两种种工工作作方方式式：：一一种种是是工工作作台台不不动动，，由由起起模模机机构构向向上上顶顶起起漏漏模模板板及及铸铸型型实实现现起起模模。。第第二二种种是是由由起起模模机机构构顶顶住住漏漏模模板板，，使