消失模鑄造工藝在液壓支架鑄件上的探索與實(shí)踐

王國東

（中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，北京 102400）

0 引言

我公司是國內(nèi)生產(chǎn)煤礦液壓支架主要廠家之一，每年生產(chǎn)的液壓支架上配套的零部件約3500 t～4000 t 為鑄件，主要為煤礦液壓支架用柱窩、連接頭、導(dǎo)軌、齒條等。這類鑄件，多采用砂型鑄造生產(chǎn)工藝進(jìn)行生產(chǎn)，其產(chǎn)品表面粗糙，尺寸精度不高，機(jī)械加工量偏大。為滿足對鑄件表面質(zhì)量、尺寸精度等不斷提高的要求，探索將消失模鑄造工藝在液壓支架鑄件生產(chǎn)上進(jìn)行應(yīng)用，并開展了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，取得了一定的成果。

1 消失模工藝介紹

消失模鑄造技術(shù)是用泡沫塑料（EPS、STMMA 或EPMMA）制作成與鑄件結(jié)構(gòu)、形狀完全一樣的模樣，經(jīng)浸涂耐火涂料烘干硬化后，放入特制砂箱中，干砂埋型，經(jīng)二維或三維振實(shí)，在負(fù)壓下澆注熔融金屬液體，泡沫塑料遇高溫金屬液體燃燒并氣化，復(fù)制出與泡沫模樣同形的鑄件。該工藝由美國人斯洛耶洛于1956 年試驗(yàn)成功，1958 年以專利的形式公布于世，1961 年開始工業(yè)化應(yīng)用。近年來，消失模鑄造技術(shù)日趨成熟。國內(nèi)采用消失模鑄造的廠家越來越多，消失模鑄件的產(chǎn)量在鑄件總產(chǎn)量的比重也越來越大。

消失模鑄造比起砂型鑄造優(yōu)勢明顯。具有成本低、質(zhì)量高、工藝設(shè)計(jì)靈活、受鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度影響小的特點(diǎn)。該工藝一件一模，模樣無分型面和型芯，無飛邊毛刺，沒有拔模斜度，鑄件整體鑄出，可實(shí)現(xiàn)批量自動(dòng)化生產(chǎn)。生產(chǎn)工序簡化，干砂造型，不用黏結(jié)劑，避免了由于型砂水分對鑄件造成的缺陷影響。澆冒口便于切割，清理工作量低，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高生產(chǎn)效率。鑄件尺寸精度可達(dá)到CT5～CT7，表面粗糙度能夠達(dá)到Ra=6.3μm～12.5μm。鑄件加工余量可控制在1.5mm～2mm，提高加工效率。消失模鑄造屬于環(huán)境友好型鑄造工藝，對環(huán)境污染小，生產(chǎn)環(huán)境粉塵少，容易實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，用砂量少，廢砂及鑄造垃圾處理量小，造型用干砂回用率可達(dá)95%以上。消失模鑄造工藝的噪聲、CO 氣體排放明顯減少，避免了硅粉塵對工人的職業(yè)健康危害。

該工藝改變了傳統(tǒng)的鑄件成型思路，被鑄造界人士稱為“21 世紀(jì)的鑄造技術(shù)”、“鑄造工業(yè)的綠色革命”，在制造業(yè)迅猛發(fā)展及對環(huán)保的要求日益嚴(yán)格的形勢下，消失模鑄造技術(shù)越來越顯示出明顯的優(yōu)勢和生命力[1]。

2 技術(shù)工藝準(zhǔn)備

柱窩是液壓支架主要受力件，材質(zhì)為ZG27SiMn 或ZG25MnTiB。須進(jìn)行調(diào)質(zhì)和機(jī)加后使用。不易加工的部位，須鑄成型。為改善鑄件表面質(zhì)量及尺寸精度，采用消失模工藝進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了大量調(diào)研工作，制定了詳細(xì)實(shí)驗(yàn)方案。

2.1 消失模工藝實(shí)驗(yàn)鑄鋼件的選擇

實(shí)驗(yàn)選用的鑄件為液壓支架用柱窩，材質(zhì)為ZG27SiMn，表面質(zhì)量和尺寸精度要求較高。對不易加工的部位，要求鑄成型。如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)用鑄件

2.2 設(shè)備準(zhǔn)備

一套節(jié)能型真空穩(wěn)壓系統(tǒng)，2BE—303；一臺調(diào)頻氣囊懸浮震實(shí)臺，TQSW；PLC 調(diào)頻控制器（配合震實(shí)臺使用）；4個(gè)真空負(fù)壓砂箱；一臺滾筒式涂料研磨機(jī)；二臺（平面、垂直各一臺）泡沫切割工作臺；二臺調(diào)壓器；一間烘干房。

2.3 原材料準(zhǔn)備

泡沫板（EPS 板材）、寶珠砂、涂料（購買輔料自配）、泡沫黏結(jié)膠、電阻絲等。

2.4 工藝準(zhǔn)備及要求

對鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)澆冒口位置及大小，制定嚴(yán)格的工藝操作方法及相應(yīng)的技術(shù)措施，滿足消失模生產(chǎn)試驗(yàn)要求，確保鑄件尺寸符合圖紙尺寸要求，要求鑄件表面光潔。

3 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 泡沫模型的制作

泡沫塑料的質(zhì)量優(yōu)劣直接影響澆注過程中模樣氣化速度及裂解產(chǎn)物形態(tài)。高質(zhì)量的泡沫塑料含碳量低，分子量大，在同等泡沫強(qiáng)度下模樣密度更低。

柱窩在生產(chǎn)中批量較小，本次為工藝試驗(yàn)，不適合模具發(fā)泡成型，選擇手工制模的工藝方法制作模型。按照鑄件圖紙的設(shè)計(jì)要求，泡沫型必須滿足圖紙的尺寸公差，保證尺寸精度。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析之后，確定了模型分塊制作，多塊黏結(jié)的方案。復(fù)雜部位采用模樣切割，柱窩球窩部位制作專用切割工裝，采用熱電阻絲中心定位，繞中心不停留旋轉(zhuǎn)的切割方法成型。模型縮尺為2.5%，冒口刀檢面加工余量為2mm，圖紙要求刀檢范圍加工余量為1mm。按照鑄件的截面形狀、尺寸，用草紙板制作泡沫下料樣板。樣板固定在泡沫上作為下料依據(jù)，用電熱絲沿樣板作為導(dǎo)向切割泡沫下料。在垂直切割下料臺上切割圓弧形狀時(shí)，泡沫高度不超過300mm，以防止電熱絲受力變形后，在行走過程中“吃肉”，而影響模樣尺寸。下料后模塊經(jīng)過表面打磨、修整，進(jìn)行黏結(jié)組模。組模時(shí)，用冷膠黏接，為減少黏結(jié)劑發(fā)氣量，在保證黏接質(zhì)量的前提下做到盡可能少用膠，以保證鑄件質(zhì)量。

3.2 涂料的配制、涂刷與烘干

實(shí)驗(yàn)所用涂料為消失模鑄造用水基涂料，由某公司提供原輔材料及涂料配方，自行配制。

3.2.1 涂料成分

耐火骨料為石英粉料、黏結(jié)劑為BY 黏結(jié)劑及白乳膠、溶劑為水、輔料為FM6 級羧甲基纖維素納、鈉基膨潤土、無水碳酸鈉等。

3.2.2 配制方案

羧甲基纖維素鈉提前4h 用水浸泡，稀釋成糊狀。鈉基膨潤土與無水碳酸鈉用水稀釋。BY 黏結(jié)劑和骨料放入研磨機(jī)前先攪勻。白乳膠用水稀釋后加入滾筒式研磨機(jī)研磨8h～10h，靜置30min。

3.2.3 涂料性能要求

優(yōu)質(zhì)的涂料應(yīng)具備良好的透氣性、涂掛性和抗黏砂型，并且具有一定的強(qiáng)度。要求涂料在使用過程中能夠保持持久懸浮不沉淀，與泡沫模型有較好的附著力，且有一定的流平性。干燥后不開裂、不易返潮。

實(shí)驗(yàn)選擇石英粉料作為耐火骨料，干燥后具有較好的強(qiáng)度，并能夠提高涂層的透氣性，對鑄件質(zhì)量有利。BY 黏結(jié)劑及白乳膠為有機(jī)黏結(jié)劑，能夠保證涂料的涂掛性和透氣性，并保持良好的綜合強(qiáng)度。

3.2.4 涂料的涂刷與烘干

上涂料過程中，由于鑄件形狀不規(guī)則，涂層厚度相對不均勻。采用流涂和刷涂相結(jié)合的方式，保證涂層的均勻性。

泡沫模樣上涂料并徹底烘干是防止鑄件黏砂、提高模型強(qiáng)度防止變形的主要措施。泡沫模型在涂刷涂料后，重量顯著增加。為防止其變形，在二遍涂料涂刷后模樣翻轉(zhuǎn)放置，可有效防止其變形，提高涂層均勻性。工藝要求涂刷三遍涂料，涂層平均厚度控制在1.5mm～2.5mm。涂料烘干時(shí)，烘干室溫度恒定45℃，烘干時(shí)間總計(jì)28h。

3.3 埋箱造型

按鑄件尺寸大小，設(shè)計(jì)砂箱尺寸1.5m×1.2m×1.2m。能夠適合鑄件規(guī)格尺寸，實(shí)驗(yàn)鑄件可實(shí)現(xiàn)2 件/箱。選用6mm鋼板焊制，起重部位輔加強(qiáng)板，目的是減輕砂箱自重。箱底和四周采用槽鋼加固。箱體設(shè)計(jì)為四角氣室和四周氣室相通，箱體一側(cè)底部位置放置2 個(gè)抽氣管。在護(hù)板與側(cè)板之間加一層200 目不銹鋼網(wǎng)，防止型砂吸入氣室。

確定澆注位置是消失模埋箱工藝的首要任務(wù)。消失模澆注位置與埋箱時(shí)泡沫模型在砂箱中的位置一致。為保證鋼水平穩(wěn)充型，有效防止塌箱，選擇澆注位置時(shí)，應(yīng)避免較大平面處于水平位置。為有利于干砂填充模型，將較大平面與垂直方向傾斜15°。對局部不便填砂的位置，采取人工輔助緊實(shí)等措施，以防止產(chǎn)生積瘤、漲箱等缺陷。

埋箱干砂采用粒度為20～40 目圓形顆粒的寶珠砂。寶珠砂具有較高的透氣性和良好的流動(dòng)填充型性。適合復(fù)雜大中型鑄鋼件的造型要求。消失模干砂埋箱造型與傳統(tǒng)濕砂造型工藝相比，過程簡單、省力，縮短生產(chǎn)周期。埋箱時(shí)，首先埋入底砂，刮平砂面后進(jìn)行三維震實(shí)。消失模鑄造要求造型時(shí)型砂能緊實(shí)地充滿模型空間，因此振實(shí)系統(tǒng)是關(guān)鍵設(shè)備之一。影響振實(shí)效果因素包括型砂、加砂裝置、砂箱、振實(shí)臺以及控制系統(tǒng)[4]。放入模型后，調(diào)整模型位置，填砂固定模型，震實(shí)→填砂→震實(shí)，循環(huán)操作，堅(jiān)持勤震短震原則，直至干砂充滿砂箱。每次震實(shí)時(shí)間1min，正反轉(zhuǎn)各30s。震實(shí)完成后，用塑料薄膜覆蓋整個(gè)砂面，露出澆冒口位置。薄膜上面再鋪較薄一層干砂，形成砂箱的封閉系統(tǒng)，保證澆注時(shí)抽真空的真空度。

3.4 真空系統(tǒng)和鑄件澆注

鑄件澆注時(shí)，控制砂箱內(nèi)部真空度十分重要。本次試驗(yàn)使用節(jié)能型真空穩(wěn)壓系統(tǒng)2BE—303，穩(wěn)壓罐Φ1.5m×3m，抽氣速度45m3/min，真空度30 kPa～100 kPa。使用大排量真空泵、大容積穩(wěn)壓罐，有利于穩(wěn)定負(fù)壓，防止?jié)沧⑦^程中砂型潰散塌箱。鑄件澆注時(shí)，鑄件澆注位置、鋼水包、澆口方式、鋼水溫度、泡沫密度、真空度等都對鋼水的充型以及鑄件質(zhì)量造成很大影響。根據(jù)柱窩的外觀形狀、尺寸大小等，實(shí)驗(yàn)確立了澆冒合一的明澆式澆注系統(tǒng)。由于采用電弧爐冶煉、漏包澆注。為減少漏包澆注時(shí)的鋼水壓力，專門設(shè)計(jì)了一澆一流入兩室式澆口杯。此澆口杯容積較大，能夠減少漏包澆注時(shí)鋼水壓力，同時(shí)避免鋼水飛濺。澆口杯流入口與模型澆口連接處采用耐火泥封閉。澆注過程澆口杯內(nèi)始終存有鋼水，保證砂箱內(nèi)負(fù)壓，避免澆口杯的吸氣。鋼水溫度控制在1590℃～1610℃，初始真空度控制在0.07MPa～0.075MPa，澆注穩(wěn)定后真空度下降到0.06MPa～0.065MPa，澆注無塌箱，實(shí)驗(yàn)鑄件澆注滿足要求，鑄件成型效果較好。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 鑄件表面質(zhì)量

鑄件外觀質(zhì)量良好（見圖2）。鑄件落砂后，涂料層呈成片狀脫落，只有少量涂料層黏在鑄件不規(guī)則部位，須人工清理。柱窩兩耳間有局部黏砂現(xiàn)象。去除冒口后，作為澆口一側(cè)的冒口（澆冒合一）根部無縮孔，另一側(cè)冒口根部又很小集中縮孔。氣割槍割開后，縮孔深度5mm～10mm。對鑄件進(jìn)行噴丸處理，鑄件表面光潔，無變形、漲箱等缺陷。

圖2 消失模鑄造鑄件與砂型鑄造鑄件對比圖

4.2 鑄件尺寸及質(zhì)量

鑄件尺寸及質(zhì)量與原有砂箱鑄造比較，消失模鑄件尺寸精確，滿足圖紙要求。鑄件加工量較砂型鑄造明顯減小。鑄件毛重較砂型鑄造減輕。分別見表1、表2。

表1 鑄件尺寸比較

表2 鑄件質(zhì)量比較

4.3 缺陷分析及解決措施

作為澆口一側(cè)的冒口（澆冒合一）根部無縮孔，另一側(cè)冒口根部有很小集中縮孔和氣孔。

原因分析：冒口設(shè)計(jì)偏小，澆注系統(tǒng)采用明澆式，有縮孔一側(cè)冒口冷卻較快，導(dǎo)致補(bǔ)縮不完全；模樣黏合劑過多引起氣孔模樣黏結(jié)劑發(fā)氣量大，易使氣體卷入鋼液形成氣孔。

解決措施：可增大冒口設(shè)計(jì)，適當(dāng)降低工藝出品率；澆注完成后，在冒口處覆蓋保溫劑。

球窩處有渣眼，耳間局部黏砂。

原因分析：漏包澆注，鋼水沖力大。耳間涂料層有脫落，造成黏砂。被沖掉的涂料層混入鋼水后，聚集在球窩側(cè)面頂端凸臺處造成渣眼；澆口杯為水玻璃石英砂制作，也會存在沖砂，將石英砂沖入鋼水中，形成砂眼缺陷；對涂料的參數(shù)和混碾工藝?yán)斫獠簧睿苛系膹?qiáng)度和透氣性對鑄件質(zhì)量有一定影響。

解決措施：可改善澆注條件，使用更合適消失模鑄造工藝的茶壺包澆注。改進(jìn)涂料的混制工藝，改善強(qiáng)度和透氣性。

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明消失模鑄造工藝能夠得到充型完整、表面光潔、尺寸精度較高的液壓支架用鑄鋼件柱窩。

消失模鑄件與砂型鑄件比較，消失模鑄件表面光潔，尺寸精確，無變形，澆注系統(tǒng)簡單，加工量小，可近成型鑄造。

采用手工切割泡沫、組模等方式制作模型，生產(chǎn)效率低，由于人為因素，鑄件尺寸精度難以精確一致。最好采用模具發(fā)泡成型或數(shù)控雕刻等先進(jìn)成型方式。