消失模铸造充型特点及影响因素

2018-08-16 22:05:36

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消失模铸造被铸造界誉为“21世纪的铸造”、“铸造的绿色工程”。消失模铸造工艺由于具有铸件尺寸、表面粗糙度低、机械加工余量少、环境污染小等诸多优点，被认为是一项很有发展前景的近净型加工技术和清洁生产技术。由于影响消失模铸造充型过程的因素较多，目前，其工艺设计缺乏系统的理论和经验公式，使得消失模铸造技术的发展受到的限制。对于消失模铸造的新产品，往往需要进行大量的试验研究，才能确定合理的工艺方案。这样不仅周期长，而且费时费力。因此，采用计算机对消失模铸造过程进行数值模拟，可以观察金属的充型和凝固过程，研究各因素对消失模铸造过程的影响，对诸如缩孔、缩松、夹渣、气孔、裂纹等缺陷进行预测，有助于设计出合理的浇注工艺，为生产实践提供指导。而在计算机数值模拟中，数学模型的合理与否对于整个数值模拟过程的度和计算量具有重要影响。
在消失模铸造过程中，由于型腔被泡沫模样占据，消失模铸造的充型过程实际上是金属液置换泡沫模样的过程，与传统铸造的充型过程有本质区别。在高温金属液的作用下，泡沫模样要发生收缩、熔化、降解、气化、裂解等一系列复杂的物理化学变化，会降低金属液充型前沿的温度，产生大量的气态和液态分解产物，使得充型前沿与模样间存在一气隙层，气隙层中的气隙压力对金属液充型有阻碍作用，而气隙层本身对金属液充型有缓冲作用，导致充型速度减慢，充型时沿程热损失增加。只有当分解产物透过涂层逸出到型砂中，金属液才能顺利的充型。在这个过程中，金属液的充型受到热作用、化学作用和压力作用的影响，与所选取的工艺参数有很大关系。泡沫模样、涂层厚度、负压度、浇注温度、浇注系统以及静压头、型砂透气性等，对消失模铸造的充型过程有很大影响。
①模样材料对充型过程的影响
目前所用的模样材料较多的是可发泡聚苯乙烯(EPS)和可发泡聚甲基丙烯酸甲醋(EPMMA）。模样分解时需要消耗金属液的能量，这与模样材料的物理性质和热解性能有关，分解产物的数量受到模样材料的种类与密度大小的影响。
②涂层厚度对充型过程的影响
涂料的性能决定着金属液与型砂的换热、分解产物排除的方式和速度。涂层的透气性越好，分解产物逸出受到的阻碍越小，金属液的充型能力越好；涂层的绝热性能越好，金属液的热损失就越小，金属液充型能力越好。
③负压度对充型过程的影响
研究表明，在浇注过程中，在砂箱上施加的真空负压，一方面可以减少模样的气态产物数量，另一方面可以加速模样气、液态分解产物逸出涂层及型砂的速度，使得金属液前沿的气隙压力降低，能地提高金属液的充型能力。但要防止附壁效应的产生。
④浇注温度对充型过程的影响
浇注温度决定了模样分解产物的类型、数量、逸出机制，也影响金属液前沿的温降。由于模样气化需要消耗能量，会使金属液前沿的温度下降，浇注温度越高，金属液前沿的热损失越小，有利于充型能力的提高。但当浇注温度提高到温度时，反而会降低充型能力，这与界面前沿的气隙压力有关。
⑤静压头对充型过程的影响
金属液的静压头提供了金属液充型及模样分解产物逸出涂层的驱动力。高的静压头能使金属液充型前沿的流动寿命增加，充型能力提高。直浇道高度提供了金属液充型时的静压头，在施加真空的情况下，真空对充型能力的影响是主要因素，静压头的变化不与过多考虑，直浇道高度主要以模样顶部吃砂量即可。
⑥浇注系统对充型过程的影响
有研究指出浇注系统各组元的截面积对充型的影响很小，内浇口的尺寸、形式和数量对充型无明显影响。浇注系统的较小截面积的位置和大小，以及浇道的比例大小对消失模充型过程有影响；同时内浇道的数量要合适，避免内浇口的流速过快。浇注系统的影响包括浇注方式、浇注组元截面比例、内浇口的影响等。
⑦型砂透气性对充型过程的影响
泡沫模样热解气化后的分解产物将逸出到砂型中，而砂型一般采用干砂造型。干砂的砂粒粒度对砂型的透气性有决定作用。粒度过大的多角形型砂经振动紧实后孔隙较少，因而透气性差；相反，粒形圆整的型砂振动紧实后孔隙较大，透气性较高。
与传统的普通铸造不同，由于铸件型腔被泡沫模样占据，消失模铸造的充型过程受到泡沫模样分解速率及分解产物逸出速率的动态平衡控制。相比之下，金属液的流动速度减慢，充型能力降低，铸造工作者对此进行了大量研究，在实际生产中，如果出现冷隔、浇不足等与充型能力有关的缺陷时，应该根据消失模铸造充型特点找出主要影响因素加以解决。