低碳合金钢铸件消失模铸造技术研究与应用.pdf

家生产技术 Production Techniques
低合金钢铸件消失模铸造技术研究与应用
王新节(浙江大学城市学院,杭州310015
摘要:运用计算机辅助三维设计、计算机辅助凝固过程数值模拟和计算机辅助数控编程制造CAD/ CAE/CAM
体化技术手段,通过优化设计产品模型结构、铸造工艺参数、产品模具工装结构、浇冒口工艺系统以及模具型腔
数控加工的刀具定位源文件,研究开发了货运列车低碳合金钢零部件转8A型承載鞍消失模铸件产品。与普通砂
型铸造相比,其铸件单体重量减轻了3kg,铸件重量精度达到MT7级,铸件尺寸精度达到CI8级,铸造工艺出品
率达到65%;本文也对大批量产生过程中容易出现的铸造缺陷进行了分析并提出了解决的办法。
关键词:消失模铸造;低碳钢;CAD;CAE;CAM
中图分类号:TG249.6;文献标识码:A;文章编号:1006-9658(2011)02-5
1引言
集中处理。因此消失模铸造被誊为绿色铸造。图2为采
低碳合金钢承载鞍是主型货车转向架的关键零部用消失模铸造工艺来组织生产的承载鞍消失模模样
件(图1)。承载鞍安装在货车的滚动轴承和转向梨侧
架导框之间,起着轴承与侧架的连接、定位和传递各种
载荷的作用。目前国内外
传统的制造方式是普通的
砂型铸造或采用熔模精密
铸造。普通的砂型铸造和
熔模精密铸造的生产工序
图2消失模模样
繁杂,对从业者的铸造技
能依赖性较大,劳动强度
2铸造工艺设计
大和环境污染严重。这就
2.1产品及其工装模具的结构设计
导致了铸件外观质量、铸
如图3所示,承载鞍3D产品结构及冒口设计是
件尺寸精度和铸件内在质图128A承载鞍铸件
运用计算机三维铺助设计系统来完成的。之所以将产
量都很难稳定。
品结构及冒口设计放在一起来考虑,主要是体现低碳
消失模铸造采用聚苯乙烯泡沫塑料(EPS、PMA、
合金钢铸件凝固时的收缩因素。运用计算机辅助设计
EPMIMA)模造型,型砂选用无粘结剂和添加物的单
系统中的图层管理手段,将承载鞍产品二维投影线和
干砂,不需起模即可浇注。金属液采用负压浇注,液态
结构特征线条进行提烁和规整,使其能够通过适当的
金属使泡沫塑料燃烧、气化,同时立即充填原来由模样特征造型或非特征造型操作:拉伸、旋转、扫掠(三维几
占据的型腔。由于不需起模,无分型面,且一般不需要
何实体或欧几里德几何片体)网格曲面构造、几何实
用型芯,所以铸件尺寸较精确,铸件机械加工面的预留体分割、几何实体修剪、几何实体布尔加运算和布尔减
余量值较小,有些工艺孔可以直接铸出,实现少加工或
免加工,铸件重量可以有效减轻。铸件无披缝,可省去
大量的清理工作。这样不但节约了生产资料而且使得
粉尘污染大幅降低;另ー一方面又由于消失模铸造采用
负压浇注,这不但使得金属液充型速度加快,有利于强
化金属液凝固时显微组织的致密性以提高铸件的力学
性能,也使有害气体烟雾可以方便地实现集中收集并
收稿日期:2010-11-29
文章编号:2010-174
作者简介:王新节(1966-),男,教授,主要研究绿色铸造成形工艺
图33D产品结构及冒口
cFT中国铸造装备与技术2/2011
Production Techniques生产技术
运算等技术手段,来完成承载鞍产品三维几何实体的匀的受热和传热、使模具型腔具有足够的结枃强度并
建模工作。对于低碳合金钢消失模工艺而言,可以将产为安装通气塞提供实体基础,我们将模具型腔的壁厚
品零件三维几何实体按照缩水比例尺1.025%倍率进设计为10m。按照常规的计算机辅助设计理念,需要
行放大处理,重要加工面(有配合要求)的机械加工余对凸模模具的背部结构进行三维实体的造型。我们运
量可以设置2.5m,对于只要满足常规性装配要求的用 CAD/CAM一体化技术手段,可以实现凸模模具背
加工而,其机械加工余量可以设置为2.0mm。由于消失部型腔无需三维建模,就能够直接加工制造出严格几
模铸造无需起模,故不需要单独在泡洙模样上设置造何意义上的带有凸缘强化支撑辐板网格实体与等壁厚
型起模斜度;但是为了方便泡沫模样在制模工序中的模具型腔实体的相贯综合体模具背部型腔。如图5所
顺利脱模,我们还是要在泡沫模样上的不同结构处设示,在承载鞍凸模三维实体的背面定义工作坐标系的
置一定的有区别的起模斜度偵
位置。坐标系的原点定义在模具背部凸缘实体几何中
如图4所示,承载鞍工装模具的结构设计是运用中心的最高点,凸缘高度为70mm,XC坐标轴正向沿
计算机三维辅助设计系统来完成的。其设计内容主要模具长度方向水平向右,YC坐标轴正向沿模具宽度方
包括:模具型腔本体的形成,模具型板排版结构设计,向向前,并与XC坐标轴构成右手迪卡尔坐标系的空
模具本体结构一次防变形支撑杆设计,外延式蒸汽柜间矢量走向,ZC坐标轴正向竖直向上。将数控编程加
(或制模机自带蒸汽柜)设计,背部密封板设计,定位销
套的设计,模具组装件二次防变形设计。
图43D模具及工装件
图5模具背面 CAD/CAM一体化设计
2.,2消失模生产工艺流程设计
工坐标系MCS通过原点定位和加工坐标轴旋转的方
消失模铸造生产工艺流程:珠粒预发泡一预发珠式保持与工作坐标系完全一致,以方便加工结果与设
粒时效→模片制取(泡沫模样、模具 CAD/CAM)→模片计理念的校核。在此XC-YC二维坐标平面上绘制凸
熟化→模片胶合→模样簇组装(凝固过程数值模拟缘强化支撑辐板网格线框,线框截面的宽度为5mn代
CAE)→浸涂涂料→模样簇凃料烘干→单一干砂造表辐板壁厚。选择数控编程加工模块中的型腔铣削子
型→负压浇注成形→铸件清理喷漆。
模块,将加工零件定义为除凸模模具背部型腔实体建
模顶部平面之外的所有外表面,这些面的机械加工余
3模制造工艺
量设置为10mm,这个厚度就是模具型腔的实际壁厚。
如图4所示,承载鞍产品模具本体型腔安装在分为了防止过切现象的发生,要设置检查面,检查面的组
型面型板框架的排版机座内。模具本体型腔材质通常成和机械加工余量均与零件面一致。刀具定位源文件
使用铸造铝合金或锻造铝合金;模具本体型腔的制造中的驱动边界用定义材料侧的方式予以确认,模具背
方式有局部镂空的仿形铸造和仿形铣削加工、实心板部凸缘最高处框截面线框的外边框的材料侧定义为内
材的数控编程铣削加工。本文重点对实心板材数控加部,其内部各个小边框的材料侧定义为外部,这样就可
工制造工艺进行研究。
以确保刀具在加工去除多余材料的同时显现出模具背
3.1模具背面型腔的数控编程加工工艺
部结构实体。由于模具背部型腔结构区域可分为两个
图4所示的是承载鞍凸模模具型腔正面形状,其明显复杂程度不同的部分:模具型腔仿形区和纯粹强
背部结构是带有凸缘的强化支撑辐板网格实体与等壁化辐板结构区,所以,再定义每层切削厚度时应该分区
厚模具型腔实体的相贯综合体。为了提高凸模模具型域定义。前者应取较小值1.5mm(此数值越小,模具的
腔的整体刚度,我们设计了型腔分型面背部的凸缘式壁厚越均匀一致并接近10m),后者应取较大值
强化支撑辐板网格实体,用以平衡其正面的凸模实体2.5mm,这样既可以提高加工效率,也满足了模具实际
质量分布和为了预防模具本体型腔的一次性变形而设需要的传热效率。模具背部型腔