振實(shí)及加砂系統(tǒng)在消失模鑄造生產(chǎn)線上的應(yīng)用

王新智，龐創(chuàng)院

（陜西法士特集團(tuán)鑄造分公司，陜西 寶雞 720049）

消失模鑄造采用無(wú)黏結(jié)劑干砂造型，將模型簇放入砂箱后再填入砂粒，同時(shí)振動(dòng)砂箱，使得砂粒緊實(shí)。其目的有：第一，將砂粒充填到模型的型腔內(nèi)；第二，充分振實(shí)，得到足夠的砂型強(qiáng)度，承受金屬液充型中的壓力。

砂粒的充填和緊實(shí)是獲得消失模鑄件的關(guān)鍵因素之一，如果充填不良或緊實(shí)度較低，容易造成鑄件變形、粘砂、漲砂等缺陷。因此在造型過(guò)程中，不但要求砂粒能夠完全均勻地充滿模型周?chē)母鱾€(gè)部分，而且要求有高而均勻的緊實(shí)度，不會(huì)使模型發(fā)生變形和破壞。砂箱內(nèi)部各個(gè)部位的砂粒必須達(dá)到適當(dāng)?shù)恼駥?shí)，以保證模型尺寸的穩(wěn)定性。

要獲得有效、一致性的振實(shí)效果，一個(gè)振實(shí)和加砂循環(huán)必須滿足以下要求［1，2］：

1）干砂必須具有一定緊實(shí)度和充填度；

2）要有較高的生產(chǎn)效率；

3）在加砂和振實(shí)循環(huán)結(jié)束時(shí)，砂箱內(nèi)的砂子必須達(dá)到一定的密度，以便有足夠的型砂強(qiáng)度，承受澆注時(shí)金屬液的壓力；

4）上述要求必須快速獲得，確保生產(chǎn)效率和成本。

1 美國(guó)GK公司的振實(shí)及加砂系統(tǒng)

GK振實(shí)臺(tái)是自由漂浮、無(wú)夾緊裝置的垂直振動(dòng)振實(shí)臺(tái)，使用3個(gè)頂柱支撐砂箱，砂箱振動(dòng)工作時(shí)，不用任何夾緊裝置。振實(shí)臺(tái)下部的4個(gè)空氣彈簧組成的裝置將砂箱頂起，開(kāi)始型砂的充填與振實(shí)。

1.1 主要組成

該振實(shí)臺(tái)主要由振實(shí)臺(tái)面、振動(dòng)電機(jī)、減震裝置、振實(shí)機(jī)架組成，如圖 1 所示［3］。

圖1 振實(shí)臺(tái)和雨淋加砂器

1.2 工作原理

1.2.1 振實(shí)臺(tái)

振實(shí)臺(tái)面上裝有3個(gè)帶錐度頭部為尼龍的頂柱，同時(shí)砂箱的底部帶有同樣錐度孔的法蘭。空氣彈簧充氣，臺(tái)面升起，頂柱與砂箱底法蘭接觸，2個(gè)振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在振動(dòng)過(guò)程中把空氣彈簧和橡膠彈簧有機(jī)地組合起來(lái)，使兩者產(chǎn)生聯(lián)合作用，迫使砂箱里的砂子連通振實(shí)臺(tái)作垂直振動(dòng)。

1.2.2 雨淋加砂器

砂流量控制閘門(mén)的位置是通過(guò)一個(gè)傳感器和一個(gè)水平連桿來(lái)控制的。通過(guò)電-液傳感器和振動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)砂流速率的完全程序控制。砂子通過(guò)上部固定板的孔落到較低位置的可調(diào)板上，這個(gè)較低位置的板也有孔，不過(guò)孔的位置相對(duì)于上部的板孔在水平方向上有所偏移［3］，如圖2所示。

圖2 雨淋閘門(mén)示意圖

砂流量在0kg/s～50kg/s內(nèi)任意可調(diào)，這意味著對(duì)一個(gè)800mm×800mm×1200mm的砂箱只需要23 s就能填滿。加砂口下部分布的篩網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了真正的雨淋加砂充填方式。

1.3 技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)

1）振實(shí)臺(tái)能在30s內(nèi)將型砂堆積密度達(dá)到1.730g/cm3～1.778 g/cm3，它可以用來(lái)處理長(zhǎng)度 800mm×800mm×1200mm的消失模砂箱，最大裝載量為2200kg。

2）振實(shí)臺(tái)帶有兩個(gè)氣動(dòng)提升框架和減振系統(tǒng)，提升高度為75mm～100mm。

3）當(dāng)振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí)，該振實(shí)臺(tái)可產(chǎn)生 5.5 g～6.0g的加速度，最大振幅為1.2mm。

4）通過(guò)HMI可以調(diào)整振動(dòng)時(shí)間、加砂速度、振動(dòng)頻率。每個(gè)振動(dòng)配方可以分10個(gè)區(qū)段，同時(shí)可以保存多個(gè)不同產(chǎn)品信息。

5）雨淋加砂器配備環(huán)形除塵裝置，防止粉塵外溢，保護(hù)操作環(huán)境。

2 美國(guó)Vulcan公司的振實(shí)及加砂系統(tǒng)

2.1 主要組成

振實(shí)與加砂系統(tǒng)由振動(dòng)框架、振動(dòng)電機(jī)、空氣彈簧、液壓卡緊、控制系統(tǒng)組成，如圖 3所示［1,4］。

圖3 振實(shí)臺(tái)示意圖

2.2 工作原理

2.2.1 振實(shí)臺(tái)

該振實(shí)臺(tái)與GK重載高效振實(shí)臺(tái)相比較，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和操作上有所不同。該系統(tǒng)沿著砂箱移動(dòng)方向中心線對(duì)稱(chēng)分布并與其垂直，驅(qū)動(dòng)力由4個(gè)偏振電機(jī)提供，信號(hào)傳感器將反饋信號(hào)送進(jìn)PLC構(gòu)成閉環(huán)控制，中心控制系統(tǒng)檢測(cè)四個(gè)電機(jī)工作的同步性，通過(guò)電機(jī)不同的相位組合，實(shí)現(xiàn)多種振動(dòng)方式。

2.2.2 雨淋加砂器

雨淋加砂器主要組成如圖 4所示［1，4］。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)時(shí)間和體積加砂模式。

圖4 雨淋加砂器示意圖

時(shí)間加砂模式：PLC控制液壓閘門(mén)的打開(kāi)時(shí)間，最小控制時(shí)間為0.1 s，加砂高度精度可控制在±3mm內(nèi)。

體積加砂模式：加砂斗上的傳感器透過(guò)樹(shù)脂玻璃窗口對(duì)斗內(nèi)砂量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)（加砂斗與砂箱為等截面積，也就是說(shuō)傳感器的位移就是砂箱內(nèi)砂粒的增加量）。控制砂量使得每個(gè)砂箱得到相同的砂量。

具有兩種加砂速度：快速加砂和慢速加砂，如圖 5［1，4］所示。 在時(shí)間和體積加砂模式下都可以實(shí)現(xiàn)這兩種速度。

圖5 雨淋閘門(mén)示意圖

2.3 技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)

1）該振實(shí)系統(tǒng)可提供水平式、垂直式、角度式和無(wú)振動(dòng)式輸入模式，以實(shí)現(xiàn)砂粒的更有效的移動(dòng)和緊實(shí)。該系統(tǒng)不但能在0.2 s內(nèi)改變振動(dòng)方向，而且能在2 s內(nèi)完成控制停機(jī)（在全速的狀態(tài)下）。

2）可以靈活的進(jìn)行振動(dòng)輸入調(diào)節(jié)，可以選擇固定不平衡質(zhì)量下的變速模式，也可以選擇固定速度下的不平衡質(zhì)量模式。

3）振實(shí)臺(tái)操作控制能夠保證每個(gè)砂箱振動(dòng)參數(shù)的重復(fù)性、可靠性、一致性。將加速度、電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)讀取，更好地監(jiān)測(cè)振實(shí)臺(tái)性能。

4）采用人機(jī)界面系統(tǒng)，每個(gè)振實(shí)配方可以分40個(gè)區(qū)段，同時(shí)可以保存20個(gè)不同產(chǎn)品信息。還有，振動(dòng)頻率、加速度和方向的改變不需要機(jī)械調(diào)整，在振實(shí)循環(huán)運(yùn)行過(guò)程中，可以通過(guò)HMI對(duì)其設(shè)定值快速更改。

5）裝置外加除塵設(shè)備，使得加砂環(huán)境變得更加優(yōu)越。

3 兩種振實(shí)及加砂系統(tǒng)的對(duì)比

型砂的填充與振動(dòng)緊實(shí)是一個(gè)復(fù)雜的工藝過(guò)程，沿著砂箱高度，根據(jù)鑄件的形狀及其復(fù)雜程度分為多個(gè)工藝控制區(qū)，采用分層填充與振動(dòng)緊實(shí)的方式，每個(gè)工藝控制區(qū)內(nèi)，分布調(diào)整振動(dòng)時(shí)間、加砂速度、振動(dòng)頻率等參數(shù)。沿砂箱填充的高度，隨著砂箱填充高度的增加以及該部分鑄件充填緊實(shí)的要求，增加加速度。

美國(guó)GK和Vulcan公司的振實(shí)及加砂系統(tǒng)，都可以實(shí)現(xiàn)分段控制，分步調(diào)整振動(dòng)時(shí)間、加砂速度、振動(dòng)頻率及激振力，進(jìn)行加砂量、振動(dòng)加速度及振動(dòng)時(shí)間等參數(shù)的全過(guò)程編程控制。工藝人員通過(guò)試驗(yàn)，找出最佳的緊實(shí)程序，并存儲(chǔ)于電腦中，作為該鑄件品種的造型程序，重復(fù)使用。

美國(guó)Vulcan公司振實(shí)臺(tái)能夠呈現(xiàn)的不僅是砂箱的振動(dòng)頻率，而且是振動(dòng)加速度和方向。這種能力的提高允許產(chǎn)品設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)鑄件的時(shí)候可以有更大的靈活性，不僅提高了生產(chǎn)率、降低了循環(huán)時(shí)間，而且提高了產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)定。例如，對(duì)于同一種變速箱殼體，為保證同一個(gè)充填死角不粘砂，GK振實(shí)加速度為2.5 g～3 g，Vulcan振實(shí)加速度為0.8 g～1.2 g。較低振動(dòng)加速度不僅減少了模型在振動(dòng)過(guò)程中的變形量，而且減少了對(duì)工藝支持筋及涂層強(qiáng)度的依賴(lài)。但是該振實(shí)臺(tái)的振動(dòng)方向只限于垂直于砂箱移動(dòng)方向的平面上。

GK公司的雨淋加砂器可將砂流量控制在0kg/s～50kg/s，選擇柔性大，砂流對(duì)模型的沖擊小。同時(shí)，該系統(tǒng)對(duì)砂粒的均勻性和潔凈度要求苛刻，如果砂粒顆粒不均勻，含有粒徑大于4mm的雜物，容易導(dǎo)致在固定配方的前提下、雨淋加砂添砂不均勻，砂層波動(dòng)較大，在使用中需隨時(shí)觀察，及時(shí)調(diào)整相關(guān)參數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

振實(shí)及加砂系統(tǒng)在消失模鑄造中是十分重要的環(huán)節(jié)，它們的使用效果與鑄件的質(zhì)量息息相關(guān)。隨著電機(jī)控制技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，振實(shí)和加砂系統(tǒng)不僅提供振動(dòng)頻率、加速度、方向，而且是全方位、多角度和智能化的，對(duì)消失模鑄造工藝的發(fā)展將具有重要作用。

［1］Sheldon D S.The Evolution of sand fill and compaction Equipment for Lost Foam Casting［J］.AFS Transactions，2002（02）：19.

［2］Creed，Paul S.Sand Fill and Compaction：Getting them Right［J］.Modern Casting，1989,79（11）：50-51.

［3］葉偉.高頻震實(shí)臺(tái)在消失模鑄造生產(chǎn)現(xiàn)上的應(yīng)用［J］.鑄造，2004（6）:479-481.

［4］黃天佑.消失模鑄造技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004:113-117.