消失模模具设计消失模总体结构设计.docx

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消失模模具设计消失模总体结构设计

摘要

社会的发展尤其是现代工业的高速发展，对传统的铸造技术提出了越来越多的挑战。

实现铸造生产过程的机械化、自动化和专业化，追求工序简单、劳动强度轻、生产效率高、铸件质量好、精度高、环保等要求已成为现代铸造技术发展的必然趋势。

另外，科学技术的日新月异，各种新工艺、新技术和新材料的不断涌现，科学技术领域的各门学科互相渗透、互相结合日趋密切，在这些基础上，人们对老的铸造工艺方法进行了改进和革新，并研制出许多新的铸造技术。

由于化工和塑料工业的发展，特别是聚苯乙烯泡沫塑料的诞生和实行铸造工艺的出现，打破了千百年来制模用木材、造型要取模的传统。

这是铸造生产上的一大革命，受到国内外铸造工作者的普遍重视，获得了快速的发展。

消失模铸造工艺正是在这种背景下形成和发展起来的，消失模铸造所特有的优点越来越多地被人们所公认，并越来越广泛地受到铸造界（尤其是制模和造型工人）的欢迎。

实践证明，这项新工艺是铸造行业中的一大革新，具有宽广的发展前途和无限的生命力，是一条多快好省发展铸造生产的有效途径，有力地推动了铸造生产不断向前发展。

而本设计就是基于消失模工艺对KA97-08机体进行的消失模模具设计。

关键词：

消失模、造型、取模

ABSTRACT

Thedevelopmentofsocietyespeciallythehighspeeddevelopmentofmodernindustry,whichputsforwardmoreandmorechallengesforthetraditionalcastingtechnology.Torealizemechanization,automationandspecializationoftheproductionprocessofcasting.pursuingsimpleprocess,theintensityoflaborlight,highefficiency,goodquality,highprecisioncastings,environmentalprotection,andotherrequirementsofmoderncastingtechnologyhasbecomeaninevitabletrend.Inaddition,therapiddevelopmentofscienceandtechnology,theemergeofallkindsofnewcrafts,newtechnologyandnewmaterials,sciencetechnologyfieldofeverysubjectpermeatesmutuallyandmorecloselywitheachother.inthesebasis,peopleimprovedandinnovatedtheoldcastingprocessmethodsanddevelopedmanynewcastingtechnology.

Duetothedevelopmentofchemicalandplasticindustry,especiallythebornofpolystyrenefoamedplasticandtheappearofimplementtechnologyofcasting,whichbreaksthetraditionofmakingtousewoodandmodelingtotakemodeforonethousandyears.Thisisoneoftherevolutionsonthecastingproduction,whichattractstheuniversalattentionofcastingoftheworkersathomeandabroadandwinsthefastdevelopment.LFFprocessisinthiscontextoftheformationanddevelopment,peculiaradvantagesaremoreandmorerecognizedbypeople,andmoreandmorewidelybycastingindustry（especiallymouldandmodelingworkers）.Practicehasproved,thenewprocessisagreatinnovationinthefoundryindustry,withbroaddevelopmentprospectsandinfinitevitality,isaeffectiveandprovincialwayofcastingproduction,whichisapowerfulimpetustocastingproductionforwarddevelopment.

ThisdesignisbasedontheLFFtechniquetoKA97-08onthebodyofthedisappearingmodelmolddesign.

KEYWORDS:

disappearingmodel,model,andtakingmode.

前言1

第1章消失模铸造简介2

1.1消失模基本概念2

1.2消失模铸造的基本工艺3

1.3消失模铸造工艺特点4

1.4消失模铸造的适用性7

第2章消失模模具设计9

2.1消失模模具制造流程9

2.2消失模模样三维造型，及考虑因素9

第3章消失模铸造17

3.1消失模铸造基本理论概述17

3.2涂料层18

3.3填砂、振动紧实19

3.4浇注20

3.5落砂21

3.6铸件清理21

总结22

谢辞23

参考文献24

前言

在我国已有几千年历史的传统铸造，主要用来生产机械零件的毛坯件，因而尽管发展到现在，也出现了许多新的方法，但是目前生产上应用最普遍的仍是发展最早的砂型铸造。

砂型铸造通常又被称为翻砂。

它必须借助于铸模（用木材或金属制成），才能将型砂制成所需形状的铸型，但是这类用木材或金属制成的模样，必须在浇注前从铸型中取出，否则就无法浇注。

因此，这种工艺显得特别复杂，工序多、劳动强度大、生产周期长、成本高，因而铸件精度不够理想，甚至对某些复杂的零件还无法实现活块整体铸造，这就成就了砂型铸造的致命弱点。

为了改善砂型铸造的状况，人们作了不少努力，但效果不大。

尤其对于那些单件小批量、形状较为复杂的大中型铸件，如何来实现“高效、优质、低成本”的生产要求，成了铸造工作者亟待解决的重大课题。

在消失模铸造法出现之后，这个问题得到了解决。

第1章消失模铸造简介

1.1消失模基本概念

消失模铸造是在实型铸造法、干砂实型铸造法的基础上发展的负压实型铸造法。

实型铸造是在造型和浇注过程中不必取模的铸造方法，而消失模铸造是将真空密封造型法与实型铸造进行工艺嫁接而形成的一种新的铸造方法，因而它保留了真空密封造型法和实型铸造的主要优点，克服了它们各自的缺点和局限性。

这不仅是实型铸造技术的新突破，更是实型铸造法的新发展。

实型铸造法、干砂实型铸造法、负压实型铸造法分别代表了消失模铸造发展的三个阶段，也是当前世界各地广泛使用的、已相互独立的三种铸造方法。

实型铸造法：

就是用泡沫聚苯乙烯模代替铸模进行造型，其方法主要是用粘结剂和砂型造型，模样不取出呈实体铸型，浇入金属液，模样气化，而得到理想铸件的一种铸造方法。

该法的工艺过程是将泡沫塑料制成的模样，置入砂箱内填入造型材料后夯实，模样不取出构成一个没有型腔的实体铸型，当金属液浇入铸型时，泡沫塑料模在高温金属液的作用下迅速气化，燃烧而消失，金属液取代了原来泡沫塑料模样所占据的位置，冷却凝固成与模样形状相同的实型铸件。

这是最早的消失模铸造方法。

干砂实型铸造方法：

与实型铸造方法相比，该铸造方法采用干砂取代实型铸造法中的型砂，这是一个伟大的进步。

因此经过改进后，造型方法发生完全改变，不仅造型工艺变得简单，而且大大简化了砂处理工艺，是的生产线投资非常少。

负压实型铸造法：

在干砂实型铸造法基础上，采用负压浇注，不仅利用砂箱内外压差使干砂紧实，还保证了塑料模在真空下气化，这样所产生的气体量大大减少，产生的气体也能及时有效的排放。

该方法已成为消失模铸造的最重要的方法。

人们习惯上把消失模铸造工艺的过程分为白区、黄区和黑区三部分。

白区指的是白色泡沫塑料模样的制作过程，从预发泡、发泡成形到模样的粘结（包括模样的分体和浇注系统）。

黄区指的是上涂料以及再烘干，而黑区指的是将模样放入砂箱、填砂、金属熔炼、浇注、旧砂再生处理，直到铸件落砂、清理、退火等。

1.2消失模铸造

消失模基本工艺如图1-1

图1-1

生产内容的减少和生产工序的简化，为消失模铸造提高生产率，降低劳动强度创造了有利条件。

以上三种铸造方法虽然造型方法和造型材料不同，但其本质特征是相同的，即采用泡沫塑料模取代了原来的空型腔呈实体的铸型，并且在浇注过程中泡沫模样是随金属液的推移而逐渐地被气化消失，模样和金属液同时存在，使铸型始终保持呈实体的状态，直至浇注完毕，模样完全被金属液所取代。

因而在许多铸造工艺和技术要求上基本都是一致的，例如塑料模制造、涂料等。

另外，也有部分国内文献称以上铸造方法为气化模铸造、无型腔铸造等。

实际上，泡沫塑料模在浇注过程中并非都是气化过程。

在浇注过程中，泡沫塑料的变化包括软化、熔融、气化和燃烧等一系列物理化学现象，在很多情况下，气化过程并不是主要的（如实型铸造）。

同样，对很多复杂铸件（如柴油机缸体）也很难做到无型腔，因此，气化模铸造、无型腔铸造的称呼是欠妥的。

为避免混乱，美国铸造协会将负压实型铸造称为消失模铸造，并作为该工艺的名称。

1.3消失模铸造工艺特点

消失模铸造综合了其他几种精密铸造工艺的优点，并克服、弥补了它们各自的不足。

例如，消失模铸造利用了真空密封造型法中用真空手段使松散流动的型料紧固成铸型的造型原理，且去除了该法中仍然用木模或金属模造型脱模、下芯、合箱等操作；同时又吸收了实型铸造和磁型铸造工艺中用泡沫塑料气化模实体埋型，不起模就直接进行浇注的优点，而克服了实型铸造中型料需加粘结剂、需捣实、型料回收困难，打箱清理费劲的缺点，也克服了磁型铸造中铸件尺寸受磁距间距大小限制的缺点。

由于砂型铸造仍是我国普遍存在的铸造方法，以其为比较对象会发现消失模铸造有非常多的优越性。

概括而言，几种消失模铸造法具有以下几个共同的工艺优点：

1简化工序，缩短生产周期，提高生产效率由于模样是整体的，基本上不用型芯，省去了型芯盒和芯骨制备以及芯砂配制的工序；操作上又省去了取模、修型和配箱等许多工序，因而缩短了生产周期，提高了生产效率。

特别对单件、形状复杂的铸件，效果更显著。

按目前的生产水平统计，一般可提高制模效率0.5~3倍，提高造型效率2~5倍。

以盐城化机四厂的实践来说明，其生产效率的提高和生产周期的缩短是普通砂型铸造所无法比拟的。

2减轻劳动强度，改善制模和造型工的操作环境，改善了作业条件造型省去了脱模、修型和合箱等工序，大大减轻了劳动强度和改善了操作条件。

而且该法在浇注时产生的废气可通过密闭管道排放到车间外以便进行净化处理，这样大大改善了生产现场的环境。

3提高了铸件的尺寸精度因模样不必从铸型中取出，没有分型面，又省去了配箱、组芯等工序，避免了在普通铸造中因起模和配箱所导致的尺寸偏差，因而提高了铸件的尺寸精度，减少了机加工量。

据报导，消失模铸造工艺的尺寸精度超过了湿型工艺和树脂砂工艺的精度（接近精密铸造）。

例如，通常孔需要加工制出而用消失模铸造工艺可直接铸出直径大于6mm的孔，孔径的重复精度相当好，误差一般在0.2%以内。

消失模铸造的铸件表面质量和金属型铸造的铸件质量非常接近，表面光滑，比砂型铸造的铸件表面粗糙度值低，可达3.2~12.5um铸件尺寸在铸造过程中只有很小变化，发泡成型机生产的模样尺寸几乎无变化。

铸件的脱模斜度很小（最多0.5~1.0或者为0）。

铸件的尺寸精度高，可达IT7-9，比传统砂型铸造提高1~2级别；铸件尺寸公差很小（见表1-1-1），加工余量最多为1.5~2mm，可以大大减少机械加工的费用，和传统砂型铸造方法相比，可以减少40%~50%的机械加工时间。

1-1-1

4增大了零件的设计自由度为铸件结构设计提供了充分的自由度。

消失模铸造方法没有分型和必须取模的铸造工艺，减少了铸造工艺性要求，使铸件设计受到的限制减少。

泡沫模样不需芯子的优点，可使设计者精确地铸出复杂内腔，甚至多内腔的铸件，铸件壁也可以是曲面式变截面的。

5铸件质量好、废品率低造型后，铸型是一个整体的，没有分型面、不需取模，也不必考虑脱模斜度，所以杜绝了铸件的错箱和表面的飞边、毛刺等疵病。

同时，还避免了像普通砂型铸造因造型操作不慎遗漏在铸型内的残砂所导致的砂眼缺陷。

在设计铸件时可不考虑飞边、芯破裂、芯座和出砂问题。

对铸件生产者来说没必要提供专用制芯、混砂、下芯、清砂工具，不会产生破芯、坏芯以及使用芯子形成的气孔或其他问题，内腔不用粘性砂还可减少铸件清理量，没有芯座、芯撑、芯骨、飞边等减少了铸件最后清理量。

6冒口设计方便，金属液利用率高在砂型铸造中很难设置的球形暗冒口在消失模铸造中可以很方便地安置在任何位置；同时，由于容易在砂箱中将塑料模串联起实行群铸，因而，大大节约浇注系统中的液态金属。

7工艺技术容易掌握，生产管理方便消失模铸造简化了模样制作工艺，简化了造型操作和工艺装备，使工艺技术容易掌握和普及。

同时，使用单一型料，不用对造型材料进行日常性能检查；也不存在模样的保管和大批砂箱的堆放问题，因而车间的生产管理工作大大简化。

1.4消失模铸造的适用性

与其他的特种铸造法相比，消失模铸造的应用范围较为广泛。

但是每种新的铸造方法都有一定的使用范围，只有在这个范围内使用，才可以充分发挥它的优势，得到满意的经济效果，消失模铸造方法也不例外。

主要根据以下一些因素来考虑是否采用这种工艺。

1对铸型材质的适用性理论上，凡是可以铸造的金属都可以采用消失模铸造法，在这一点上其适应性甚至超过砂型铸造。

例如，普通砂型铸造不能用于钛合金铸造，但采用SiC砂的消失模铸造法可以用来浇注钛合金。

从生产实践来看，目前用消失模铸造浇注过的铸件材质有普通铸钢、耐热合金钢、不锈钢、铁镍合金、普通铸铁、合金铸铁、球墨铸铁、铸铝合金和铸铜等。

一般来说，铸造车间常用的金属材料都可用消失模铸造来浇注。

生产实践还证明，用该法浇注铸钢件、球墨铸铁件等熔点高的铸件材质时表面无飞边毛刺，粘砂情况少，容易清理，铸件的表面质量明显优于砂型铸件。

2对铸件大小的适用性消失模铸造生产的铸件，不像磁型铸造那样受磁间距大小的限制，只要磁极大小定了，砂箱大小也就定了。

对消失模铸造来说，砂箱大小直接决定消失模铸件的大小，因此，消失模铸造对铸件大小的适用性要广泛得多，可以在同一振动工作台上放置不同尺寸的砂箱，因而可以十分方便地生产出各种大小的铸件。

据有关资料显示：

到现在为止用消失模铸造浇注过的最大铸件为：

铸铁件5t，铸钢件2t以下，铸铝件104kg。

模样的强度低，加上埋型操作时填料不可能绝对均匀，模样容易变形，这就给浇注轮廓大、壁薄的铸件带来了一定困难。

因此，从方便操作和现有工艺水平考虑，消失模铸造以浇注2t（（尤其是500kg）以下，壁厚大于4mm的铸件为宜。

3对铸件生产批量的适用性对铸件生产实用性是从经济效果这个角度提出来的。

消失模铸造每浇注一个铸件就要消耗一个泡沫塑料模样。

因此，存在一个用消失模法生产铸件的最佳批量问题。

最佳的生产批量必须考虑生产塑料膜所需的模具成本，对于那些不需要模具或模具费用很低的铸件，可以不考虑生产批量问题。

但对于必须采用价格高昂模具或模具数量必须很多的铸件，计算一个最佳生产批量是必要的，以确保铸件成本不会太高。

对于5件以下的铸件，尤其对于1-2件的大型铸件，其经济效果最为显著。

如果泡沫塑料模与熔模精密铸造、陶瓷型铸造及消失模铸造等结合使用，是与制造单件和小批量生产的、对精度和表面能粗糙度要求较高的中大型（20kg以上）精密铸件。

4对铸件结构的适用性消失模铸造不存在与分型和起模有关的铸件结构工艺性的问题。

消失模铸造从工艺特点出发，特别适合于具有复杂结构（尤其是具有复杂内腔）、模样分型困难、造型困难的铸件。

因此，消失模铸造为多品种、单件小批量及大批量铸件生产几何形状复杂的中小型铸件提供了新的生产途径。

消失模铸造对铸件结构的适应性非常强，特别是那些用普通砂型铸造不好分型、不好起模、不好下芯的铸件，例如套筒类、缸体、螺旋桨、水泵叶轮、壳体等以及结构特别复杂、芯子特别多的铸件。

国外一些著名的大汽车公司，已成功地应用消失模铸造工艺大批量生产复杂的汽车发动机缸体、缸盖、进气歧管等铝合金和铸铁件。

与此相反，一些形状简单的、用砂型铸造方法也可以生产出高质量的铸件，而且其生产效率、铸件成本比用消失模铸造方法生产低，这种情况下就不一定采用消失模铸造方法。

另外，对于一些有狭窄的内腔、通道和夹层的情况，采用消失模铸造时必须谨慎，至少需要预先进行试验，才能投入正式生产。

第2章消失模模具设计

2.1消失模模具制造流程如图2-1-1

图2-1-1

2.2消失模模样三维造型，及考虑因素

泡沫三维造型是以铸件图纸或样件为基础，结合泡沫原材料的使用工艺性能，采用计算机CAD辅助设计完成铸件毛坯的设计过程。

其主要考虑的工艺设计过程包括以下几个方面：

对泡沫模样的工艺审定。

拔模斜度的控制。

加工余量的控制。

应用计算机pro-e实现泡沫模样的三维造型。

模样分片与粘合。

1对泡沫模样的工艺审定

（1）壁厚的审定

一般情况下，泡沫模型的壁厚控制在不低于5mm，至少保证在泡沫模型壁厚的纵向不低于3颗泡沫颗粒排位。

特殊的薄壁零件（泵壳、叶轮）壁厚也不能低于3mm。

（2）对泡沫模样局部较厚部位的处理

对于一些特别厚实的厚的泡沫模型建议采用抽壳的方法来处理。

例如电解铝用的4爪电极，采取抽壳结构，将泡沫模型设计为两半片粘接组合成型，粘合后形成中空结构，节省泡沫原材料，保证壁厚使充料顺畅即可。

如图2-2-1和2-2-2所示。

图2-2-14爪电极图2-2-2中空4爪电极

例如浇注系统使用的直浇棒做成空环结构，再用泡沫板材切割出盖板将其封住，形成中空结构，防止因浇注时产生大量气体出现反喷现象。

如图2-2-3所示

图2-2-3直浇棒做成中空结构

对于一些敞口件、薄壁件来说，在成型、涮涂料、填砂振实过程中保持泡沫模样的稳定性很重要。

常常采用在敞口面增加拉筋或者粘接木条的方法防止变形。

2拔模斜度

消失模铸造的拔模斜度比砂型铸造要小，但也必不可少，通常起模斜度的具体取值应考虑以下情况：

（1）对于内腔空间要求特别严格的泡沫模样采用加大内腔的方法拔模，拔模之后要保证壁厚的均匀一致。

（2）对于一些螺丝包、加工孔的拔模斜度常用增加材料的方法，防止由于铸造变形而引起的加工问题。

（3）高的孔、高的凸台、筋板，大的端面适当的增大拔模斜度。

3加工余量

泡沫摸样的加工余量一般与铸件的形状，零件的大小、铸造工艺、加工方法有关。

消失模铸件毛坯的加工余量为砂型铸件加工余量的30~50%，大于熔模铸件加工余量的30~50%。

消失模铸件的机械加工余量的取值如表2-2-3所示：

产品最大外轮廓尺寸/mm

铸铝件

铸铁件

铸钢件

≤50

1.0

2.0

2.5

50-100

1.5

2.5

3.0

100-200

2.0

3.0

3.5

200-300

2.5

3.5

4.0

300-500

3.0

4.0

4.5

≥500

4.0

5.0

6.0

2-2-3消失模铸件的机加工余量/mm

对于一些铸造容易变形的铸件需要另外增加加工余量。

比如图2-2-4：

车床床身这类窄长类的零件在砂型铸造的基础上需增加防变形余量1-2mm；对于直径≤Φ30mm加工孔不做出。

4泡沫模样的三维设计

泡沫模样和模具型腔三维设计，有实体造型和曲面造型两种。

实体造型时首先构造泡沫模样轮廓实体特征，通过拉伸、旋转、扫描、混合、实体自由形状等方法来形成简单实体，最后通过倒圆角、拔模、求和、求交、求差等布尔运算精确构造复杂的实体。

实体造型的特征量少，作对应的特征修改也非常简单，所以对外形不是十分复杂的模样来说，用实体造型的方法是最好的。

比如电机前置传动装置使用的机体造型过程如2-2-5图所示：

第一步：

使用拉伸、旋转等命令求差、求和建造出外轮廓特征。

第二步：

使用筋、偏距等命令建造出零件的筋特征和加工余量。

第三步：

使用倒圆角、拔模等命令完成零件的圆滑处理和拔模特征。

第一步第二步第三步

图2-2-5

曲面造型的原理是分别建构零件的各个曲面，然后将这些曲面整合为完整没有间隙的曲面模型。

曲面特征除与实体特征相同（如拉伸、旋转、曲面延伸、自由曲面造型等）外，还具有合成、剪切、延伸等其他实体建模所没有的特征，可以胜任复杂零件的三维造型。

曲面造型的最大不足便是特征量太多，每一个单一的曲面都是一个单一特征，在合成曲面模型时这些特征仍然保留，造成在最终生成的模样处理中有相当大的处理量，消耗大量的系统资源，也减慢了模样的处理时间，影响了建模速度，而且最终生成实体时往往由于前期造型的疏漏而使得实体不能正确生成甚至拒绝执行。

由此带来的问题就是模型越复杂，计算的速度越慢，效率也越低。

因此，现代的高档三维CAD软件普遍具有复合建模技术，即在构造复杂的零件时可同时使用以上两种造型方法，以达到最佳的造型效果。

5消失模模具设计时应考虑的因素

消失模发泡模模具是依据泡沫模型三维、成型机类型及台面尺寸或者蒸缸尺寸、浇注工艺方案等条件完成模具本体造型的一个过程。

模具设计应考虑以下几个因素。

（1）确定模具的收缩率。

（2）确定模具的型腔数量。

（3）设计模具充料口。

（4）设计模具分型面。

（5）设计芯块和抽芯机构。

（6）设计成型模具的镶块。

（7）模具的三维构造。

（8）发泡模具铸造毛坯的三维设计等。

6确定模具的收缩率

根据铸件大小确定发泡模具的型腔尺寸时，应将泡沫摸样的收缩率和铸件的收缩率一起计算在内。

关系式如下2-2-6所示:

模具收缩率=泡沫收缩率+金属收缩率

泡沫收缩率EPS为0.3~0.6%，共聚料为0.1-02%；金属收缩率如下表2-2-6所示：

2-2-6常用铸造合金的铸造收缩率

合金种类

铸造收缩率/%

自由收缩

受阻收缩

灰铸铁

中小型铸件

1.0

0.9

中大型铸件

0.9

0.8

特大型铸件

0.8

0.7

筒形铸件长度方向

0.9

0.8

直径方向

0.7

0.5

灰铸铁

HT250

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