复杂大平板灰铁铸件V法铸造工艺控制要点

　　复杂大平板灰铁铸件V法铸造工艺控制要点

　　张建满 涂益明 叶升平

　　华中科技大学材料成型及模具技术国家重点实验室

　　全国铸造学会消失模与V法铸造技术委员会

　　摘要：通过对双头大楼机V法铸造实践过程的分析和改进，指出了复杂大平板铸铁件V法铸造工艺生产的特殊性。归纳并总结了该类铸件V法工艺的控制要点。

　　关键词：复杂大平板灰铁件、V法铸造

　　大平板铸件尤其是薄壁复杂平板件，一直以来都是铸造工艺控制难度比较大的一类产品。木工基座就是比较典型的一种。湖南某公司采用传统的树脂砂和粘土砂工艺生产木工机械产品已有多年。由于工人劳动强度大，工作环境差，对工人的技术要求高，目前面临着招工难，人工成本高，环保压力大等问题。

　　

　　鉴于V法铸造在国内的迅速发展，其优点在某些产品上表现的越来越突出。尤其是V法铸造生产的铸件尺寸精度高，表面质量好，光洁度可达到精铸的水平，而且少无拔模斜度，赢得了客户的普遍认可。再加上干砂成型，省去了粘结剂和相关添加物的使用，落砂容易，砂处理简单，从而极大地降低了生产和投资成本。 2012年9月，该公司委托全国消失模与V法铸造技术委员会，着手开展双头大楼机铸件的V法工艺开发。此次试验，旨在探索V法铸造工艺用于该类复杂平面类铸件的可行性，并在此基础上，探索和把握该类铸件采用V法铸造工艺生产的几个主要工艺参数。

　　1. 双头大镂机铸件分析

　　双头大镂机作(图3和图4所示)为木工机械的代表性产品，充分反映了木工机械产品在产品质量上的特殊性，具有如下特点：

　

　　1) 该类产品具有典型的大平面铸件特性，铸件材质HT200，不对产品本体力学性能做特殊要求;

　　2) 需精确控制铸件大平面和外围筋板壁厚，以及大平面平整度和外围尺寸。对于双头定位装配的铸件，还需精确控制定位中心距，以满足装配要求。因此，铸件工艺缩尺和变形量的控制非常关键和重要。

　　3) 铸件有复杂加强筋板结构，铸造生产应保证筋板轮廓清晰，拔模斜度小，光洁度好。

　　4) 铸件主要加工面是大平面及四周外围。大平面必须加工，以充分保证有足够的光洁度。当然，在保证平面度要求的前提下，加工余量越小越好。外围四周希望铸造光洁度能达到Ra12.5即可不加工。

　　但是，从铸造成形的角度看，该铸件交叉筋板多，对于V法铸造，势必增大了覆膜的难度，而且涂料也难以喷涂均匀，很容易导致导致粘砂。由于V法铸件冷却时如果切断真空，则属于自由收缩，但这个铸件筋板众多，收缩时会有结构性的阻碍，所以缩尺难以把握。另外，大平板铸件容易翘曲变形，而且也会受到筋板的影响，因此，反变形量也不好确定。

　　2. 铸造工艺介绍

　　零件尺寸：1800mm×960mm×110mm，铸件质量为370Kg。工艺设计如图5所示：

　　

　　(1)一箱一件;大平面放在下型浇铸，分型面设在大平面上。

　　(2)浇道系统：直浇道直径50mm;为了能够让铁水平稳进入型腔，并能很好的集渣，同时 让铸件的温度场尽可能均匀。

　　a 横浇道采用倒梯形，放在下箱，截面50×40mm。

　　b 内浇口总共六个，分散布置，靠近直浇道5mm×60mm×4个，远离直浇道5mm×40mm×2个;，并沿筋板进入铁水。

　　c 内浇口搭接在横浇道上，每个内浇口上面设置半球形集渣包。

　　(3)出气孔设计：

　　a 在铸件最高处，即铸件两个装配孔凸台处设计直径45mm的出气孔。

　　b 结构性出气孔2：在铸件一端对称的有2个直径32mm，高70mm的小凸台，这里机加工时需要钻孔。如果这里不设出气孔，在浇铸时，这里就会形成孤岛，型腔内外的压力差无法保证，可能会导致局部塌箱。另外，由于凸台的高宽比大，也会导致覆膜困难所以将凸台高度降低，再在凸台上设同等直径的出气孔，称之为结构性通气孔。

　　(4) 两个装配孔借助砂芯成形。砂芯较小，采用水玻璃砂或树脂砂打制均可;

　　3. 实践过程中的问题

　　实验过程中，发现EVA薄膜在铸件最复杂的筋板交叉部位覆膜很困难，破损比较严重(如图6)。

　　

　　多次覆膜，始终不能取得比较好的效果(如图7)，因此，采用了胶带修补的办法，勉强完成了覆膜工序。随后，通过涂料刷涂，烘干，加砂震实，完成了造型，并初步浇注了一件。

　　浇注过程中并没有发现塌箱的问题，只是两个出气孔没有浇满，存在异常。开箱后，随即对铸件进行了抛丸处理。

　　

　　(1) 铸件基本上算是完整的。但是也有局部没有浇注成形(如图9)，从豁口的状态来看，并不是冷隔和浇不足，属于局部塌箱。可见，铸型的稳定性有问题。

　　

　　(2) 尽管抛丸时间在半个小时以上，但是铸件表面及筋板大面积的机械粘砂始终难以清理(如图10)。

　　关于铸型稳定性不够的问题，这一方面是排气系统配置的不够合理，另一方面，覆膜时由于薄膜在加强筋交界破损造成大量漏气，也是造成铸型强度不稳定的因素。

　

　　作为V法铸造的第一步，覆膜的不成功，直接导致后续工序不能正常进行。考虑到国产EVA薄膜和日本EVA薄膜的延伸性有很大的差异，先后调运了武汉恒德0.15mm厚的薄膜，北京华盾0.15mm厚的薄膜以及日本0.06mm厚的薄膜。国内两家薄膜厂家的产品使用过程中8个最复杂加强筋交汇处始终不能很好的成形，桥接并吸破。虽然可以通过修补的办法处理完整，但是如果将来实现生产线量产，无疑费工费时，影响作业效率。结合伊藤机工大连有限公司的产品(图11)来看，应该是国产薄膜自身的延伸性不够，导致覆膜情况不是很好。基于这种考虑，我们使用了日本0.06厚的EVA薄膜。覆膜过程中发现，不论是结构简单的地方还是复杂的地方，铸件中央区域成形都比较好(如图12)，但是外围区域成形甚至比国产薄膜还差(如图13)。尽管薄膜的烘烤程度一次比一次加强，直至最后一张薄膜边缘出现了小洞，还是不能在外围取得很好的效果。对比大连照片，发现大连所有产品的模具吃砂量都比较大。产品只是集中在模具中央很小的范围内。由此可以推断，该种薄膜高温下延伸率对温度的敏感性和依赖性比较强。加热不够，热成形能力就不足。显然，烤膜架中心区域热量集中，四周热量散失比较严重。这就使得整张薄膜受热是不均匀的。再加上薄膜在烘烤期间，外围薄膜实际上承担着中央部分薄膜的重力作用。而随着边缘薄膜的加热，强度将会明显下降。这就是为什么外围部分还没有烘烤到位，就已经出现了破损的地方。根据实验的结果，以及日本薄膜厚度规格的限制，纯粹站在更换薄膜的角度，来解决薄膜覆膜成形的问题，不慎可取。而妨碍覆膜的则是铸件相当复杂的加强筋。这些加强筋只要在保证铸件使用强度的前提下，可以进行一定的调整。那么，为了解决覆膜问题，与客户沟通，调整加强筋的相应参数，比如位置，高度，排布等，是比较现实，也是比较可取的方案。

　

　　至于铸件抛丸清理后出现大面积粘砂，则是涂料没有控制好。一方面是干粉涂料的调配问题，另一方面是由于实验产地的限制，涂料采用了刷涂的办法。对于这种多筋板的大平面铸件，刷涂的办法很不合适。刷涂很难保证涂层质量的均匀性和完整性。如图所示。目前，V法铸铁件生产用涂料已经相当成熟。所以，操作上的不合理是造成铸件大面积粘砂的主要原因。

　　4. 铸件全尺寸分析

　　表1 铸件尺寸分析

指标	成品尺寸	目标铸件尺寸	设计加工余量	设计缩尺	模具尺寸	第一轮浇注	实际缩尺
长	1800	1802	1	0.6%	1812	1792	~1.1%
宽	960	962	1	0.6%	966	955	1.25%~
高	90	90.5	0.5	0.6%	90.5	89.6	1.1%~
装配孔中心距	800	802	——	0.6%	805	798	~0.88%

　　注：1： 铸件长，宽为双边加工余量，高度方向初步设计为单边加工余量。

　　2： ~ 在左面表示略小于，~ 在右边表示略大于。

　　1)各维度的收缩率

　　由于实验场地熔炼工部并没有HT200的配料经验，也没有HT200产品的回炉料产生，只有Z18的生铁和废钢。因此不能够按照正常HT200配料比例(生铁 50%，回炉料25%。废钢25%)进行配料。在这种情况下，采用生铁和废钢尽可能贴近HT200的成分，使用了65%的生铁和35%的废钢。当然，这给准确把握铁水收缩铁性带来了一定的误差。

　　由上述数据对比可知，尽管铸件有复杂的筋板结构限制铸件的收缩，但是铸件表现出的实际缩尺远比设计的缩尺比例大。当然，这与V法造型自身的特点有关。V法铸造过程中，干砂在失去真空作用后对铸件收缩的阻碍作用几乎忽略不计，也就意味着铸件的收缩基本上是纯自由收缩。根据实验的结果，同时考虑铸件的加工余量，此类铸件采用V法铸造工艺生产的收缩量可遵循下列标准：

　　长：1.1%; 宽：1.3%; 高：1.2%;

　　2) 大平面的翘曲变形

　　通过对铸件长度方向的平整度测量，两端翘曲后与中心最大差距达10mm。这么大的翘曲变形，一方面与铸件自身的平面性结构有关，另一方面也与浇铸完成后很快切断真空，铸型失去强度有关。而解决方案则是从尽量降低翘曲程度和通过反变形量的设置来抵消两个方面着手。具体有如下方面：

　

　　(1) 延长保压时间来尽可能降低铸件大平面的变形。但是这不能完全消除变形，而且保压时间延长意味着电耗成本的增加。

　　(2) 增加和调整加强筋的数量及结构。但把握起来有很大的难度，需要通过大量的实验证明或者借助准确的计算机分析完成。

　　(3) 增加整个大平面的加工余量10mm以上。显然，单方面这样处理会极大地增加后加工成本。

　　(4)在现有实验数据的基础上，设计模具时增设反变形量。

　　这种处理方式相对而言是最为节约化的工艺手段。

　　当然，适当的延长保压时间，精确配置加工余量和反变形量，以最低的机械加工余量来保证平整度的要求，这种综合解决方案最为科学合理。

　　3) 表面粗糙度

　　通过对抛丸后的铸件大平面及四周外缘多点测量(如图16)，大部分都在30~50μm，少数地方在10~15μm。这样的表面粗糙度，远远超越了树脂砂和粘土砂工艺。如果铸件变形量控制得当，显然加工面1~2mm的加工余量完全可以满足要求。

　　

　　5. 调整方案及结果分析

　　1)根据上述实践分析和总结，我们采取以下调整方案：

　　(1) 为了确保整个铸型气压的稳定性，增设远端出气孔3(如图17)：由于壁厚只有11mm，所以增加11mm的补贴，这样出气孔底端截面50mm×22mm，圆角R10。

　

　　(2) 为了降低覆膜难度，减少人工修补，我们在和客户充分沟通并不影响铸件结构强度的基础上，对模具筋板进行如下调整：

　　集交叉部位的所有棱边给予大的圆角处理

　　降低米字型结构中与装配孔直接相连的斜筋板高度

　　再次进行了覆膜，结果如图18。由图中可以看出筋板覆膜已很简单，旁边个别破损了的薄膜用透斜明胶带简单修补后效果很好。

　　(3) 在下模添加反变形量，中间7~8mm，四周3mm;

　　(4) 涂料采用喷涂方式，确保涂层完整，并对其进行一定程度的烘烤，确保涂层有足够的表面强度抵抗砂粒侵入。

　　(5) 倾斜浇注，沿铸件宽度方向，远离直浇道一端抬高40~50mm;以降低EVA薄膜的大面积烧损;

　　2) 浇铸结果

　

　　由图19和图20可以看出，铸件比较完整，轮廓清晰，抛丸后铸件光洁度很高，几乎没有粘砂。除大平面必须要加工外，四周外壁完全不需要机加工，可直接涂装。对铸件进行全尺寸检测，基本合格。如表2所示：

　　表2

指标	成品尺寸	第一轮实验	第二轮实验
长/mm	1800	1792	1801
宽/mm	960	955	962
高/mm	90	89.6	93
装配孔中心距/mm	800	798	798
反变形量	——	翘曲10mm	尚余1~2mm凸出

　　

　　6. 与粘土砂，树脂砂铸件的比较

　　由于筋板众多，树脂砂和粘土砂工艺均涉及较大的拔模斜度，且在造型，起模过程中，筋板厚度受人为因素的影响比较大，从而使得铸件重量很不稳定(见图22)，从374~406kg，这给生产加工带来了极大麻烦。而V法铸造我们不设置拔模斜度，且造型过程中型腔尺寸稳定性好，保证了铸件质量的稳定性。

　　表3 实验数据对比表

对比参数	拔摸斜度	加工余量	表面粗糙度	大平面变形	重量稳定性
树脂砂，粘土砂工艺	拔模斜度2.5	大平面和四周外壁单边加工余量3mm以上	非常粗糙	反变形量10mm	很不稳定， 374~406kg
V法工艺	无拔模斜度	除大平面外单边加工余量1mm，且可以不用加工	大部分都在30~50μm， 少数地方在10~15μm。	反变形量5mm	较稳定

　　表4 树脂砂，粘土砂和V法工艺对比

	树脂砂（机器造型）	粘土砂（手工造型）	V法
产品质量	表面粗糙度40μm以上； 粘砂普遍	表面特别粗糙； 粘砂层厚，加工余量大	表面粗糙度可达到12.5μm； 无粘砂，加工余量小
工人要求	技术要求一般 劳动强度一般	技术要求高 劳动强度大	技术要求低 劳动强度低
造型效率	自硬砂硬化时间长，效率不高	手工造型，效率低下	造型简单，效率不比树脂砂机器造型慢
设备要求	砂处理设备要求高	设备简陋	设备简单
生产成本	成本较高	成本较低	成本低
环境评估	气体污染严重	作业环境差	对环境友好

　

　7. 结论——复杂平板灰铁铸件的V法铸造工艺控制要点

　　(1) 铸件关键尺寸V法工艺应与普通砂铸区别对待

　　大平板铸件的尺寸把握，尤其是缩尺比例和平面翘曲历来是该类铸件工艺设计的难点。

　　目前，砂型铸造已经有了可以参考的数据范围，但是对于V法铸造而言，需区别对待，不可照搬。普通砂铸，砂型阻力的存在使得铸件处于受阻收缩状态，结合该类铸件自身结构的特点，缩尺比例通常定在0.6~0.8%;然而，根据实验结果，V法铸造的缩尺比例与传统砂铸存在较大的差距。而且由于保压时间的影响，该类铸件的缩尺比例要想精确控制，难度较大。必须结合一定的工艺试验进行确认。

　　对于铸件的翘曲变形，砂铸往往因铸型强度的差异使变形量很不稳定，尤其是粘土砂造型。而V法铸造，保压阶段的压力和时间控制变得异常关键，而这在极大程度上影响着凝固阶段铸件的翘曲变形量。可见，V法工艺与传统砂铸对翘曲量的影响因素不同，不可盲目参考传统砂铸的参考标准;

　　(2)V法真空度的控制全面关系铸件的质量

　　造型过程中，一旦真空度不够，铸型的刚度和硬度直接受到影响，严重者会产生位移，破坏铸件尺寸精度;而浇注过程中，如果真空度控制不好，往往造成铸型气压系统的不稳定，很容易造成局部或者大面积塌箱，尤其对于平板类铸件，必须准确控制。对于铸件浇注后的保压过程，完全有别于传统砂铸。传统砂铸，落砂之前铸型始终拥有一定的强度 ，而V法铸造一旦切断真空，干砂中的冷却几乎是自由收缩状态。 图23 浇铸保压图

　　因此，保压阶段的压力控制异常关键。而这个压力的控制，不仅仅是真空系统自身真空度的控制，浇注完成后浇冒口系统周围的薄膜往往被铁水烧破造成大面积铸型漏气，影响保压强度。因此务必采取一定的辅助手段，如加盖废旧薄膜以保证足够的保压强度而抵抗铸件的石墨化膨胀和减轻变形量(图23)。

　　(3)浇冒口系统的设计需要充分考虑铸型的稳定性和温度场的均匀性

　　铸型的稳定性是保证造型后和浇注过程中不塌箱的关键。部分V法铸造资料指出铸件出气孔总截面积和直浇道截面积之比控制在2~3，但对于平板类铸件尤其是多筋板结构的平板类铸件需慎重对待。铸型的稳定性是区域稳定性的综合反映。因此，必须注意铸件通气孔分布的均匀性，同时还需要充分考虑操作过程的简单性，不能过分依赖大众化的经验参数。另外，这种平板类铸件V法工艺浇注本身的稳定性就差，因此，通气孔与直浇道的截面积差距相对较大。

　　内浇道的布置极大的影响着铸件温度场的均匀性，而温度场的均匀性则决定着铸件变形量的大小。对于平板类铸件，内浇道应尽可能分散布置。

　　(4)覆膜的完整性需要从铸件结构和模具细节多方面兼顾。

　　目前，V法铸造工艺拓展过程中往往遇到因铸件复杂而难以覆膜的情形。从生产工艺的角度衡量铸件结构，并做出合理的调整以降低覆膜的难度，有利于提高生产效率和产品质量的稳定性。此类铸件，筋板结构的适当调整，就是产品设计与生产工艺沟通协调的产物。既保障工艺方案实施的可行性和稳定性，又不损耗铸件产品自身的使用要求。

　　另外，实践过程还发现，为了改善覆膜的完整性和成功率，模具结构尤其是排气塞的布置甚为关键。在我们随后开展的同类铸件的开发中，充分考虑了铸件排气塞的形式和布置(见图24)，同时，交叉筋板的圆滑过渡，都极大改善了覆膜的效果(见图25)。