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    型殼材料和制殼工藝對鑄件尺寸穩定性的影響


    不斷提高熔模鑄件的尺寸精度,減少因尺寸超差造成的廢品,始終是國內外熔模鑄造工作者追求的主要目標之一。

    .熔模鑄件尺寸穩定性 

    1.蠟模尺寸穩定性及其影響因素 

    1是美國賓夕法尼亞大學Robert C. Voigt教授對29種精鑄件跟蹤測量后所得結果[1]?梢娫诙鄶登闆r下蠟模尺寸波動大時鑄件尺寸波動也大,例外情況是少數。從總體看蠟模的尺寸波動在鑄件尺寸波動中占 10%~70%。

    制模工藝參數對蠟模尺寸穩定性有決定性的影響。主要因素如下:   

    1)壓蠟溫度   

        壓蠟溫度的影響,不同模料有不同的表現(見圖2)[2]。由圖2可見,采用蠟基模料時,壓蠟溫度對蠟模尺寸穩定性的影響很敏感,而樹脂基模料則影響較小。

    2壓注壓力(見圖 3) [2]

    由圖 3 可見,壓力較小時壓力增大蠟模收縮率明顯減小。然而壓力增大到一定程度后(1.6MPa),壓力大小對蠟模尺寸幾乎沒有影響。難怪國外試驗結果往往得出“壓力大小與蠟模尺寸無關”的結論,而國內許多企業的印象卻不盡然。


    3流動速度    

        可以通過以下二個途徑來改變模料的流動速度,對蠟模尺寸的影響卻不盡相同:

    ·通過改變壓蠟機流動速度設定   此方法對蠟模收縮率影響較小。但對形狀復雜薄壁件或帶型芯的蠟模充型和表面質量卻有著重要影響。 

    ·通過改變注蠟口截面積  此方法影響較大,因為增大注蠟口截面積不僅可以降低壓蠟溫度,而且還可以延長注蠟口處模料的凝固時間,從而增加蠟模被壓實的程度,減小收縮率和表面縮陷。

    4)壓注時間    

        這里所謂壓注時間包括充型、壓實和保持等三個時間段。充型時間指模料充滿壓型型腔的時間;壓實指充滿壓型至射蠟嘴關閉的時間;保持指從射蠟嘴關閉至起模的時間。

        壓注時間對蠟模收縮率有顯著影響(4)[3],這是因為增加壓注時間就可能有更多的模料被擠壓進入型腔,蠟模被壓實程度更大,從而減小收縮率。蠟模重量隨壓實時間延長而增加即可證明這點(見圖5[3]。壓實時間長短應合適,如果壓實時間過長,注蠟口處的模料已經完全凝固,壓實也就不起作用了。從圖4還可見,當壓注時間較短時(1525s),壓蠟溫度上升,收縮率增大;但當壓注時間延長至 2535s(在充填時間保持恒定的前提下,實際上是延長了壓實時間)壓蠟溫度的影響變;當壓注時間增加到 35s以上,還會出現相反的情況,即隨著壓蠟溫度上升,蠟模收縮率反而會變。ㄒ妶D 5)。此現象可以解釋為,提高模料溫度和延長壓實時間一樣都有增加蠟模壓實程度的作用。

    5 壓型溫度和壓蠟設備    

        壓型溫度高,蠟模冷卻慢,收縮率增大。這是因為起模前蠟模還在壓型中,收縮受限制,而起模后則變為自由收縮。所以如果起模時蠟模溫度高則最終的收縮率大,反之則收縮率小。

        同理,壓蠟機的冷卻系統對蠟模尺寸可能產生大約0.3%的影響。   

    最后值得強調指出的是,采用蠟基模料時,蠟膏是一種固、液、氣三相共存體系。三相之間的體積比,對蠟模尺寸影響頗大。而這三者之間的比例關系在實際生產中無法控制,這也是采用蠟基模料壓制蠟模尺寸穩定性較差的重要原因。


    2. 型殼材料和制殼工藝對鑄件尺寸穩定性的影響 

        型殼對鑄件尺寸的影響主要是由于型殼焙燒時的熱膨脹、熱變形(高溫蠕變)和型殼對鑄件冷卻收縮的約束(阻礙)等因素引起的。

    1) 型殼熱膨脹    

        主要取決于型殼材料。 不同耐火材料膨脹率不同。常用耐火材料中以熔融石英膨脹率最小,硅酸鋁次之,硅石最大且不均勻。經試驗確定硅酸鋁型殼從室溫加熱至 1000℃,型殼可產生大約0.25%的膨脹,在鑄件尺寸綜合收縮率中所占比例并不大,所以,如果采用此類耐火材料,型殼具有較好的尺寸穩定性, 如采用熔融石英無疑會更好。但如果采用硅石,型殼尺寸波動就很大。

    2) 熱變形(高溫蠕變)     

        例如以水玻璃為粘結劑的型殼,在 1000℃以上高溫蠕變程度明顯大于硅溶膠和硅酸乙酯型殼。而電熔剛玉本身雖然耐火度較高,但由于往往存在氧化鈉等雜質,所以型殼焙燒溫度高于 1000℃也可能產生蠕變,致使尺寸穩定性欠佳。

    3) 型殼對鑄件收縮的約束——型殼的退讓性和潰散性   這也主要取決于型殼材料。

        綜上所述,型殼對鑄件尺寸波動的影響, 耐火材料起主要作用,然而粘結劑的作用也不容忽視。相比之下,制殼工藝的影響較小。

     

    3. 鑄件冷卻不均產生應力對尺寸穩定性的影響 

        鑄件(包括澆注系統)各部分冷卻快慢不同而產生熱應力使鑄件變形,進而影響尺寸穩定性。這在實際生產中也是經常遇到的。降低鑄件冷卻速度和改進澆道組合方式都是行之有效的預防措施。

     

    . 提高準確度的關鍵——模具收縮率賦值正確 

        以上所說的“尺寸穩定性”跟“尺寸準確度”、“精確度(精度)”是有區別的。尺寸穩定性(即精密度)跟尺寸一致性是同義的,反映尺寸波動或分散的程度,通常以標準差σ來衡量。尺寸不穩定的原因主要是工藝控制不嚴,它屬于隨機誤差。準確度則是指對鑄件上某個尺寸而言,眾多測量值的算術平均值偏離名義尺寸的程度,  即平均偏差的大小。對熔模鑄造來說,尺寸準確度差的原因主要是壓型設計時收縮率賦值不當,是一個系統誤差,通常通過反復返修模具來調整。而尺寸精確度(精度)則是上述二者的綜合。所以要提高鑄件尺寸精度,解決產品尺寸超差問題,不但要嚴格控制工藝過程,減小尺寸波動,同時還要在設計壓型時對鑄件每個尺寸的收縮率正確賦值。    

        眾所周知精鑄件最終的總收縮率是蠟模、合金收縮和少量的型殼膨脹綜合而成。其中型殼膨脹約 0.25%,所起作用有限。盡管合金的線收縮率往往比蠟模大,但壓蠟過程造成的尺寸波動卻影響更大。為了減少模具返修費用和減小鑄件尺寸波動,控制好蠟模收縮率至關重要。  

     

    1. 蠟模收縮率

        測量蠟模收縮應在蠟模尺寸完全穩定下來之后進行。這是因為起模后蠟模收縮往往并未完全停止,蠟模尺寸有時在起模幾天后才最終穩定下來,但多數模料的收縮是在起模后一至數小時內基本完成。蠟模收縮率主要有以下影響因素:

    (1) 模料種類;

    (2) 蠟模斷面尺寸;

    值得強調指出的是蠟模斷面尺寸對收縮率有顯著影響(6)。表 1 所示為某種典型的無填料模料在壓制不同厚度蠟模時的收縮率。蠟模的斷面厚度一般不應超過13mm。厚度大于13mm時可通過使用冷蠟塊或金屬型芯來減小壁厚,從而達到減小收縮的目的,這對于無填料模料特別重要[4]。



    1    典型無填料模料蠟模的收縮率                ()

     

    自由收縮

    限制收縮

    厚斷面(>13mm)

    1.00~2.00

    0.75~1.25

    正常斷面(3~13mm)

    0.50~1.00

    0.50~0.75

    薄斷面(<3mm

    < 0.75

    < 0.5

    注:1. 水溶性模料收縮率約為0.25%;

        2.當使用可溶芯、陶瓷芯、石英玻璃管時,蠟模上與型芯接觸部分沒有線收縮;

     

    3 型芯種類     

        蠟模內腔尺寸無疑是與型芯外形尺寸保持一致的。因此采用型芯便成為提高蠟模內腔尺寸精度的一種方法。

     

    2. 合金收縮    

    合金收縮主要取決于以下一些因素:

    ·  鑄造合金種類和化學成分;

    ·  鑄件幾何形狀(包括約束狀態和斷面尺寸);

    ·  鑄造參數,例如澆注溫度、型殼溫度、鑄件冷卻速度等;

    ·  陶瓷型芯、石英玻璃管等的使用。

        由于澆注溫度、型殼溫度、鑄件冷卻速度等工藝參數在生產過程中一般都要通過標準工藝卡嚴格加以控制,所以不同生產批次之間,由此引起的尺寸波動并不大。即使澆注溫度超出工藝規程要求的范圍,鑄件尺寸波動通常也不大見表 2 [4]。跟蠟模相似,鑄件斷面尺寸和型殼的約束才是影響合金收縮的主要因素。經驗表明,全約束尺寸收縮率為自由收縮率的 85%~89%;半約束尺寸為94%~95%。表3列出常用合金鑄件的收縮率(不含蠟模收縮率)[4]。

     

    2   CF8M 精鑄件收縮率隨澆注溫度的變化

    試樣尺寸編號

    澆注溫度/

    型殼+鑄件的綜合收縮率

    6 個試樣平均值,%)

    I (實心)

    1538

    2.1

    1 (實心)

    1566

    2.0

    1 (實心)

    1593

    2.2

    1 (實心)

    1649

    2.1

    1(空心)

    1538

    1.9

    1(空心)

    1566

    1.8

    1(空心)

    1593

    1.9

    1(空心)

    1649

    1.8

    注:型殼溫度 982

     

    3  鑄件收縮率(不含蠟模率)      %

    合金種類

    約束尺寸收縮

    薄斷面尺寸 (≤9.5mm

    厚斷面尺寸(>9.5mm

    碳鋼和合金結構鋼

    1.50

    1.8

    1.90

    400 系列不銹鋼

    1.80

    2.00

    2.20

    300 系列不銹鋼或相當的

    國外牌號以及鎢鉻鈷合金

    2.0

    2.3

    2.6

    銅合金

    1.80

    2.0

    2.2

    鋁合金

    1.0

    1.2

    1.4

    注:型芯周圍尺寸收縮率 0.25%~1.0%

     

    3. 首批供測量用樣件的最少數目 

        以上所列收縮率是建立在以往經驗基礎上的經驗數據,并非真實的收縮率。按照這些數據設計制造模具,返修在所難免。為了提高返修的準確程度和成功率,減少返修次數,一個關鍵環節是認真檢測數量足夠的試鑄樣件的尺寸。因為我們生產的鑄件尺寸不可能完全一致,所以只有測量樣件數量足夠多,得出的平均值才能接近真正的算術平均值。由此不難看出,測量樣件的最少數目跟生產工藝控制產品尺寸一致性的能力(Process Capability )有直接關系,如果鑄出的鑄件尺寸完全一致,那么只需檢測一個樣件就夠了;反之,如果鑄出的鑄件尺寸波動很大,

    就要測量很多樣件才能得出較為準確的收縮率數據。前已提及,生產工藝控制尺寸的能力可用此種工藝生產出鑄件尺寸的 6σ來代表。按統計學原理算出檢測樣件的最小數目如表 4 所列[5]。

        表中 Hp 指生產工藝控制尺寸的能力 P6σ與相應尺寸公差值 TC之比,即Hp=P6σ/TC。按表 4,Hp 越小,即生產工藝控制尺寸的能力強而尺寸公差要求又松,則要求首批檢測的樣件數就可以越少;反之Hp越大,則要求檢測的樣件數目就越多。例如  (Hp<0.1), 只要檢測一個樣件即可;如果Hp >0.6,則需要檢測的樣件數目至少是44個。從目前多數熔模鑄造廠的工藝技術水平看,Hp大多在0.5 以上,所以首批測量樣件一般至少需要 11個。

     

    4  首批檢測樣件的最少數目

    Hp

    測量樣件的最小數目/  

    <0.1

    1

    0.1~0.2

    2

    0.2 ~ 0.3

    2

    0.3 ~ 0.4

    3

    0.4 ~ 0.5

    5

    0.5 ~ 0.6

    11

    0.6 ~ 0.7

    44

    0.7 ~ 0.8

    44

    0.8 ~ 0.9

    44

    0.9~1.0

    44

    >1.0

    44

     

    三. 測量系統分析 

        在分析和解決產品尺寸問題的時候,必須注意到所采用的測量系統的精度和可靠性。除測量儀器設備本身必須經常校準外,盡量減少測量誤差也很重要。如果測量系統(包括操作人員和操作方法)誤差較大,不但可能將廢品判為合格品,也可能將許多合格品誤判為廢品,二者均可能造成重大事故或不必要的經濟損失。判斷測量系統對某一特定測量任務是否適合,最簡單方法是進行再現性(reproducibility) 和重復性(repeatability)鑒定試驗。所謂重復性是指同一檢驗員用同一儀器(或設備)和方法檢查同一零件,獲得結果的一致性。再現性指不同操作者使用不同儀器檢查同一零件,獲得結果的一致性。美國汽車工業活動組( Automotive Industry Action Group)規定以重復性和再現性綜合標準差R&R在被測量鑄件尺寸波動標準差中所占百分比≤30%作為測量系統滿足要求的標準[5]。在測量某些尺寸較大而形狀復雜的鑄件,并非所有測量系統都能達到此要求。而測量模具時允許的測量誤差還應更小,通常為其1/3。

        5中列出了美國若干精鑄廠常用的測量儀器設備的再現性、重復性和R&R誤差實況調查統計[5]。由表5 可見同類儀器,測量誤差大小之間相差甚遠,說明鑄造廠中許多檢測系統(包括測量儀器設備、操作人員和測量方法)不符合要求。大的再現性誤差常常是因使用不適當的儀器設備或操作方法不合理造成的。而重復性誤差大則往往是操作者的技術不佳所致。

    5  幾種常用測量儀器設備測量誤差比較

    儀器種類

    再現性誤差  /mm

    重復性誤差  /mm

    綜合誤差 R&R /mm

    平均值

    最好

    最差

    平均值

    最好

    最差

    平均值

    最好

    最差

    數顯卡尺

    0.320

    0.046

    1.509

    0.159

    < 0.005

    0.473

    0.382

    0.062

    1.509

    測微千分尺

    0.124

    0.028

    0.474

    0.152

    < 0.005

    0.267

    0.208

    0.061

    0.838

    劃線機

    0.202

    0.008

    0.840

    0.0203

    0.005

    0.0355

    0.4572

    0.1803

    1.021

    三坐標測量機

    0.030

    0.002

    0.137

    0.009

    < 0.003

    0.041

    0.035

    0.002

    0.137

     

    四.模具結構和加工水平 

        眾所周知模具結構和加工質量對蠟模尺寸和幾何形狀均有重要影響。例如定位、夾緊機構是否準確可靠,活動部分(如活塊、插銷等)的配合間隙是否恰當,起模方式是否對有利于保證鑄件尺寸精度等。無庸諱言,對于目前國內相當多數的精鑄廠來說,模具設計和制造水平仍急待提高。

     

    五.結論 

        由上述分析不難看出,提高熔模鑄件尺寸精度是一個系統工程,涉及精鑄生產過程的方方面面。其中要點可概括如下:

    1)  嚴格控制制模工藝參數,特別是對鑄件尺寸有顯著影響的參數。

    2)  選擇適當的型殼材料。

    3)  以符合統計學原理的正確方法收集、統計和分析有關收縮率的數據,提高收縮率賦值的準確性。

    4)  經常監察測量系統(包括儀器設備、檢驗人員和技術),使重復性、再現性誤差達到規定要求。

    5)  不斷提高模具設計和制造水平。

    6)  在許多場合鑄件矯正和穩定化熱處理等措施仍然不可或缺。



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