浅谈国内外消失模铸造震实台的发展现状
郭鹏1 叶升平1 孙黄龙2
(1.全国消失模与V法铸造学会 湖北 武汉，2.圣源机械制造有限责任公司 山西 永济)
摘要: 震实台是消失模铸造必备的关键设备之一，振动紧实的效果直接影响到铸件的成品率、尺寸精度、表面质量以及产品的品质。当前国内铸造厂家生产汽车涡轮增压器中间壳壳体、发动机缸体、发动机缸盖等高端复杂铸件的厂家通常都存在以下两个问题：首先，白模模样的死角部位难以填砂的问题。其次，白模模样变形的问题。笔者进而分析了当前国内外消失模铸造震实台的特点和发展现状。
关键词：消失模铸造;填砂;白模变形;震实台
震实台是消失模铸造必备的关键设备之一，振动紧实的效果直接影响到铸件的成品率、尺寸精度、表面质量以及产品的品质。随着人们对消失模的认识和消失模技术的不断发展，铸造企业对加砂振动紧实越来越重视。
当前国内铸造厂家使用消失模铸造工艺生产的铸件类型越来越多，其中有许多形状结构较为复杂附加值较高的铸件，如汽车涡轮增压器中间壳壳体、发动机缸体、发动机缸盖等。但这些复杂高端铸件在生产中通常都存在以下两个问题：首先，白模模样的死角部位难以填砂的问题，这一方面与产品特殊结构有关，另一方面与当前国内的震实台无法形成满足充填要求的定向砂子运动有关。通常的解决方法是使用人工手工在难填砂部位预先填埋树脂砂，如图1-1所示。这种方法最大的弊端是生产效率低下。它阻碍了消失模铸造工艺实现自动化的大批量流水线生产，影响到消失模铸造技术的进步。
以山东某公司使用消失模铸造工艺生产六缸发动机机体为例。该公司使用树脂砂预填工艺，在砂子中加入硅烷偶联剂、酚醛树脂等添加剂，然后进行搅拌。三个女工一天可以预填15-20个白模;对一个日产40个左右六缸发动机机体的铸造厂家来说，至少得使用六个女工来做这项工作，才能满足日常生产需求。而发动机主机厂通常要求与其配套的铸造厂至少日产300-500台机体毛坯，这在当下的消失模铸造生产环境中是不可能实现的。所以至今为止，该厂家的所有产品都销售到汽车配件维修市场，只能赚取微薄的利润，根本无法获得铸造工艺改进所带来的合理增值效益。
再以山西某公司为例，该公司针对消失模工艺生产干式缸体水道中预填砂的问题设计了多种工艺。一种是填树脂砂，如上段所述，见图1-1a;另一种是预填干砂，见图1-1b,其具体步骤如下：(1)先将刷涂并烘干好的缸体白模的侧面孔用质量好的玻璃丝布胶粘封好;(2)在特制震实台上从缸体上面孔中往进填70～140目、含SiO2≥98%的天然硅砂一边填，一边震，一边塞，确保水道上部犄角旮旯亦填充紧实;(3)将缸体上面孔用质量好的玻璃丝布胶粘封好。这种方法省去了做芯盒，制芯、下芯的工艺，避免了制芯、下芯和漂芯出现的缺陷，降低了成本，但其效率极低，无法实现自动化生产。
其次，白模模样变形的问题，这一方面与产品特殊结构有关，另一方面与当前国内的震实台激振力不均匀或者过大有关。
通常的解决方法是使用木条拉筋等防变形措施，见图1-2。这种方法是先将白模泡沫模样在卡具上校正到符合要求的尺寸或形状，再将这些部位用木条进行固定，并用热熔胶粘接支撑，冷却后取下卡具再进入下道工序。这种方法操作简单，在控制离合器壳类圆形铸件的失圆以及大型变速箱的关键定位尺寸方面，一定程度上确实能够有所改善，降低了铸件因变形而引起的废品率，但因为木条搭接固定需要较多的人工来操作，所以其最明显的弊端同样也是生产效率问题，以及无法实现自动化生产的问题。
另一种解决方法是成对白模背扣粘接在一起进行防变形处理。这种方法主要针对大平板类、长条类铸件，例如铁路用垫板等铸件。
研究表明，解决这两个问题的关键在于消失模铸造用震实台技术的发展。国内外的各种不同形式的震实台很多，但一直没有一个统一的标准来说明其震实充填和紧实效果的好坏，且至今尚没有一种震实台能够彻底解决发动机缸体缸盖类产品内复杂油路水路的填砂问题。消失模铸造震实台的国内外发展现状
消失模铸造震实台的作用是使干砂在砂箱中产生动态流动，提高干砂的充填性能及其最终紧实度。在干砂振动充填时，比较理想的状况是，干砂在振动过程中进行有序流动，在保证白模不变形的前提下，均匀地充填到模型的各个部位，使砂箱内型砂获得较高和较均匀的充填密度。
1. 国内震实台的结构形式
(1) 砂箱夹紧式震实台
1) 四周各布置一台，中心底部放置两台，共六台振动电机的结构形式
这种结构的震实台为消失模铸造企业所常用，它采用气缸夹紧砂箱。在实际使用过程中，安全弹簧的气囊抬升，起到很好的隔振作用。水平方向的四个振动电机可以产生X向和Y向的振动，而底部的两个电机可以产生Z方向的振动。
2)双振动电机的可夹紧式震实台
对于普通结构的消失模铸件，双振动电机的可夹紧式震实台既可以达到紧实要求。因为双电机驱动的可夹紧式震实台采用不同的电机转向，可形成不同振动模型。当双电机反向转动时，垂直方向的振动为两电机的叠加，振动模型为一维直线振动(如图1-6a)，有利于垂直充填;而双振动电机相同方向转动，可获得较大的水平振动，其振动模型为二维椭圆形(如图1-6b)。
根据泡沫模样的不同结构，采用不同的双电机振动组合，可以获得较好的紧实较果，参见表1-1所示。
3)两侧各装有3个振动电机的抱夹式震实台
如图1-8所示，当4个水平安装的电机同时朝图示方向转动时，垂直方向上的激振力互相抵消，只产生水平方向上的激振力。
如图1-9所示，当4个水平安装的电机同时朝图示方向转动时，水平方向上的激振力互相抵消，只产生垂直方向上的激振力。
(2)砂箱非夹紧式震实台
1) 四周各布置一台，中心底部放置两台，共六台振动电机的结构形式
(a)震实台的正面 (b)震实台的反面
2. 国外震实台的结构形式
国内的合肥叉车集团、全椒柴油机集团、陕西法士特集团、福建龙工铸锻集团等公司纷纷引进了国外的整套消失模生产流水线设备，其中包括各式各样的消失模铸造用震实台。现介绍如下：
(1) 垂直振动带动横向充填的振实台
合肥叉车集团引进的是美国GK公司的震实台。它具有高频率、低振幅、振实效率高的特点。其台面尺寸为1250mm*1250mm，可承载Φ812 mm X1010 mm砂箱，最大负载1210Kg，其中砂箱重450Kg，砂重760Kg。振动系统配备两个5.5KW，3000rpm/min~6000 rpm/min变频振动电机，在满载情况下，振幅为0.2mm~0.5mm。高转速产生高频振动，将干砂迅速紧实。频率越高，击振力越大，30秒内可使型砂紧实度达到1.73g/cm3～1.78g/cm3。该振实台只有垂直方向的振动电机。砂箱与振实台不夹紧，振实台上有三个等边三角形的圆台，砂箱底部对应有三个圆台沉孔，与振实台上三个圆台相配合。由于加速度较大(1.6-2.2G)，砂箱被抛起后，自由落体下降，砂箱与圆台顶面相碰产生垂直振动外，还不规则地同圆台锥面相碰撞。产生无规则的横向振动，从而实现任意方向的横向充填，起到三维振动效果。为保证振动紧实后铸型紧实度，采用反向旋转方式紧急制动。
垂直震实系统由一个大的焊接结构件和两个偏心块振动电机组成。振动电机安装在震实台的两侧，一侧一个，或者直接安装在震实台的下面。支撑气囊可以升起将振动部件和震实台基础或者其他联接的设备(比如流水线辊道)分开。当它到达行程的最高点时，它接触到砂箱的底部，使砂箱升起并和砂箱输送流水线分开。两个偏心块振动电机通常在一块接线，并且运行同一个可变的频率，交流电机驱动。当他们运转时，两个电机以相反的方向旋转，根据能量守恒定律来调整各自的相位角。两个振动电机偏心块在水平方向上产生的驱动力互相抵消，从而合成一个几乎纯粹垂直的正弦驱动力作用。只有在电机的转速还没有达到使震实台和砂箱分开的程度时，上面那种关系才存在。在达到临界速度时，偏心块产生的驱动力使震实台和砂箱在电机的每一个循环中分开一次。这个临界速度完全由砂箱以及砂箱中砂子的重量所决定。当电机运转速度高于临界速度时，整个系统的运行状态从稳定的正弦状态变化到特别混乱的状态。此时，震实台与砂箱分开，随后在下一个向上的行程中又一次撞击砂箱。这种加载的撞击激励着整个砂箱，使砂箱底部和砂箱壁都振动。这会使型砂变的松散，填充进模样型腔和倒扣部位。许多铸造厂在广泛应用这种型砂震实的方法。这种震实方法确实很简单，但一旦振动电机的速度达到能够创造出一种加载撞击的振动模式时就只有很有限的能控性(即电机的转速高于临界速度时，不好控制)。
1—砂箱;2—振动台;3—空气弹簧;4—振动电机
图1-12是一个水平震实系统的简化动态模型。如图所示，由旋转偏心块所产生的水平激振力沿着两个带有偏心块的轴的中间的中心线。系统有两个主要的部件，而每个部件都有其质量中心。每一个部件的垂直和水平的质量中心由其特有的几何结构和质量分布特性所决定。整个系统的质量中心是由由各个部件的质量和质量中心通过重量平均计算出来的。因为整个系统几何结构的原因，这个质量中心总是偏向系统中的砂箱的后面。在经过“调校”的水平震实系统中，系统的驱动力中心和系统的质量中心在垂直方向是对齐的。
(a)震实台的正面 (b)震实台的反面
在砂箱的落砂过程中，不断加入的砂子引起整个系统在垂直和水平方向上的质量分布的变化。这种质量分布的变化引起砂箱的质量中心在垂直和水平方向上相对于整个系统发生位置上的变化，进而引起系统的质量中心的变化。通常的趋势是：在装箱循环刚开始时，这些质量中心开始下移;然后随着继续落砂，这些质量中心开始上移。图1-14描述了在不同的百分比的装箱的时候，砂箱和系统的质量中心在垂直方向的位置。因为这些质量中心的移动，激振力的中心高度和系统的质量中心在整个循环中总是有一些错位。这种错位会导致在某一刻，会在平移加速度阶段出现角度加速度。这种由错位引起的角加速度以砂箱的垂直加速度的形式而显著存在。当错位的高度值增加时，由旋转能量所产生的垂直加速度也增加。因为相对砂箱的前面而言，系统的质量中心更靠近砂箱的背部，所以垂直加速度在接近砂箱的前面更显著。
水平震实系统使它的使用厂家获得了显著的效益。水平系统所产生的振动可以使型砂的密度很快地达到它的最大值。一些独立的研究结果表明，水平震实系统在填充白模型腔方面比垂直震实系统更加有效。由于水平震实系统中型砂振动的效果可以进行细微调整和控制，这给了消失模铸造工艺发展的更多的灵活性。
水平震实系统也有一些局限性。因为系统质量中心的非对称性，砂箱上某一部分的垂直加速度比另一部分要高。另一个局限性是，系统中所有高速旋转惯性所储存的能量在震实循环结束之前必须释放出去。此外，系统的最高转速被系统结构的共振和轴承润滑要求所限制。这在一些大的震实系统中尤其明显。这些系统中，机械刚性结构设计的更加困难，轴承要求更高的承载，以此来产生所需的加速度。夹紧机构和震实系统的安装框架需要设计的避免产生共振和其他不需要的振动模式。另外，水平震实台所产生的砂子流动模型要求白模在砂箱中以特定的位置和朝向来摆放。
(3)意大利FATA公司的震实台
如图1-15所示，为意大利FATA公司的震实台。该震实台下方安装两个同步转动偏心轮，两偏心块振动相位角相差90°。其工作原理是：当A轮向左振动时，B轮已向上振动，使砂箱内的干砂向左上方抛起;转过90，B轮偏心向右，A轮偏心向上，又使干砂向左上方抛起，但幅度较小些。FATA振动模型的横向充填能力较强，并兼有向上充填效果。
1- 气垫2- 同步处理器3- 振动电机4-万向联轴器 5- 传动带6- 电动机
(4)美国Vulcan公司的抱夹式振实台
美国Vulcan公司的振实台VECTOR-FLO®(见图1-16所示)采用4个气缸将砂箱夹紧并升举，变频振动源来自砂箱两侧的各两对偏心电机，每对偏心电机的相位差在0-90°之间自动调整。该振实台可根据铸件的需要，实现向上振动充填、向下振动充填，还可以完成向上与向下复合振动充填即实现圆周振动充填，解决水平盲孔和一定向上高度的充填和紧实难题[20-21]。
它在结构和操作上都与其他任何当前使用的震实系统技术不同。新的震实系统不仅能改变砂箱振动的频率，而且还能改变振幅和振动方向。此外，改变振动频率、振幅、振动方向不需要对震实系统的机械结构进行调整，而且在震实循环进行的过程中就可以进行调整。这个系统由3个主要的部件构成---系统基座，振动框架和砂箱。这个型砂震实系统与先前介绍的震实系统有一些明显的不同之处。
如图1-16的截面图所示，砂箱四周被振动框架所包围。安装在震实台上的夹紧系统利用4个液压油缸向下压紧在砂箱的加强筋上。这种夹紧方式始终作用在砂箱上，以确保夹紧连接处总是处于预加载的压紧状态下，而非张力状态。这个系统是这样设计的：质量沿砂箱移动轴向的镜像线对称分布，同时垂直于砂箱的运动方向。在垂直方向上，系统相对于其质量中心是大约对称的。可以使砂箱通过的震实系统的开口通道也可以容纳砂箱的输送辊道。
四个装有偏心块的振动电机产生系统所需的激振力。这些电机与普通振动电机的使用并不相同。它们设计的有一个调节器，这个调节器与位置反馈编码器相连接。这个编码器不仅能检测电机的转速，还能检测电机的偏心块与零位或者基准位之间的夹角，以及偏心块当前的位置。对每一个电机的加速度、速度、位置反馈的控制共同构成了对系统的控制。这个控制系统利用一个电机驱动连接线去电子化地同时驱动震实系统的四个电机。这能让四个电机以完全相同的速度运转，同时能让1，2，3号“跟随”从动电机相对于“参照”主动电机有一个精确的相位角。这种相位控制能力通过取消或者添加离心力矢量，使震动系统有几乎无限多种振动模式可供选择。在运转过程汇总，控制系统给四个振动机一个“状态矢量”命令，其中包括给另外三个“跟随”从动电机提供参考的“参照”主动电机的转速和相位角的设置。然后电机控制系统使各个电机相对于其他电机在正确的相位角度定位，然后让他们加速或者减速到正确的转速同时保持相位角的偏移量。
(a)空振动 (b)纯水平运动 (c)纯垂直运动
3. 总结
对所有用消失模铸造工艺来生产的铸件来说，把好的产品设计和对铸造工艺要求的透彻理解结合起来是很重要的，尤其是在消失模工艺的型砂充填和震实环节。这主要是因为型砂充填和震实环节是一个决定成败的环节。另外一个原因是，型砂充填和震实环节是影响生产效率的瓶颈环节，因为生产率很大程度上取决于填砂和震实工序所需要的时间。有一些产品是不适合使用消失模铸造工艺的，因为其泡沫模样太过于柔韧易损或者模样型腔很难填充进砂子。填砂震实需要的时间常常限制了整条生产线的生产效率。
这些年型砂充填震实设备的技术发展很快，出现了越来越多的技术非常先进的震实系统。这些新的震实系统把消失模工艺中型砂充填震实操作的能力和多功能性带到了一个完全新的水平。相对于现有的震实系统，这些新的震实系统既增加了生产线的生产能力，也增加了产品设计和工艺设计的弹性。
作者：郭鹏，华中科技大学文华学院教师，全国消失模与V法铸造学会副秘书长
