【工业工艺与设计 机械】翻砂铸造+铸砂工艺

• 本文主要介绍金属铸造相关工艺，包括制造砂模、选择铸砂材料、形成腔型、砂模固化、金属浇筑、脱砂清理等步骤。其中介绍了各种铸砂材料，详细介绍了呋喃树脂砂的组成，介绍了高强度的金属成分。铸砂工艺可以用于铸造发动机缸体、船用螺旋桨、 巨型飞轮等。最后文中列出了参考书籍和相关专业书籍。

步骤一：制造砂模

• 翻砂工艺的基础为制作砂模。可以通过快速成型工艺制作砂模(当然也可以通过手工雕刻等方法)。快速成型工艺（Rapid Prototyping，RP）是一种利用计算机辅助设计（CAD）数据，通过逐层堆积材料来制造物理模型或部件的技术。这些技术通常被称为增材制造（Additive Manufacturing，AM）或三维打印（3D Printing），它们允许工程师和设计师快速创建原型或实际部件，而无需传统的切削加工。主要的快速成型工艺包括但不限于：

1. SLA（光固化层积成型）：

• 使用紫外光固化光敏树脂，通过激光或投影光束逐层固化形成三维模型。

2. SLS（选择性激光烧结）：

• 使用激光逐层烧结粉末材料（如尼龙、尼龙玻璃珠填充料、塑料等），形成固态物件。

3. FDM（熔融沉积建模）：

• 使用熔融的塑料丝或其他材料，通过喷射头逐层堆积熔化的材料形成模型。

4. DLP（数字光处理）：

• 类似于SLA，但是使用数字投影技术固化光敏树脂，提高了制造速度和精度。

5. PolyJet：

• 使用类似喷墨打印的方式，将液体光敏树脂逐层喷射固化，可以实现多材料和多色彩的打印。

6. EBM（电子束熔化）：

• 使用电子束熔化金属粉末，逐层堆积形成金属部件，适用于高温和金属材料的制造。

步骤二：选择铸砂材料

• 在选择铸砂材料时，需要考虑铸件的最终用途和性能要求，因为不同的铸砂材料具有不同的特性和适用场景。以下是一些常见的铸砂材料及其主要特点：

1. 硅砂：

• 主要成分是二氧化硅（SiO2），常用于一般铸造，具有良好的耐磨性和耐高温性。
• 对于单件、小量生产的较大型球墨铸铁曲轴，在采用普通粘土砂、干型铸造时，型砂的组成可参考下列值 （体积分数）：新砂 （粒度 40/70目）60%，再生旧砂 28% ～26%，粘土粉 12% ～14%，水分适量。芯砂中可加入 15% ～25% 的铅粉、焦炭粉等。

2. 树脂粘结剂：

• 通常选择不同类型的树脂作为粘结剂，如酚醛树脂、酚酞树脂等，能够提供良好的模型表面质量和抗压强度。

呋喃树脂砂

• 呋喃树脂砂是一种常用于铸造工业中的砂型材料，主要用于制造铸铁和铸钢件。它的特点包括耐高温、耐磨损、抗压强度高等优点，适合于复杂形状和高精度的铸造。
• 呋喃树脂砂需要与固化剂混合后充分搅拌，然后填充到模具中，待固化后形成砂型。砂型制备后，通常需要进行烘干以去除水分和挥发物质，确保砂型的稳定性和强度。在铸造过程中，呋喃树脂砂能够承受高温并保持其形状，可以有效地填充铸造件的细节部分。
• 原砂采用内蒙古产天然硅砂，经擦洗、烘干处理。其中，SiO2 的质量分数≥93%，泥的质量分数≤0.3%；烧结点≥1400℃，角形系数≤1.2，规格为 40/70目。
• 呋喃树脂及固化剂的质量是影响曲轴质量的重要因素，应选择适用于大型球墨铸铁件的无氮或低氮 （糠醇的质量分数为 80% ～85%，氮的质量分数≤3%）呋喃树脂，游离甲醛含量≤0.1%，水分≤5%。国内某厂生产的呋喃树脂及固化剂的技术指标符合要求，经实际使用效果较好。为确保树脂砂的性能，应根据生产条件、温度、空气湿度等具体情况，严格按制订的工艺规程进行操作，以达到所需各项技术性能要求，如抗拉强度应达到 1.2～1.6MPa，以确保铸型的刚度。对于大型球墨铸铁曲轴等结构特殊的复杂铸件，一定要选用耐火度高、强度高、悬浮性和涂挂性好的涂料。可以选用以锆粉等为主要成分 （如锆粉 30%，鳞片状及土状石墨 60%，氧化铁红粉 6%的酚醛树脂酒精溶液）的醇基涂料，使用效果较好。

3. 硬化剂：

• 用于固化树脂粘结剂，确保铸砂的强度和稳定性。

4. 其他原砂：

• 包括石灰石砂、锆砂、镁砂等，具有不同的耐火性能和化学稳定性，适用于特定的高温或腐蚀环境。

5. 耐火熟料类：

• 如铝矾土砂、焦宝石砂等，具有较高的耐火度和耐高温性能，适合用于铸造需要长期耐高温和耐磨的场合。

6. 混合料：

• 包括粘土砂、水玻璃砂、覆膜砂等，用于调整砂料的流动性、粘结性和耐火性能。

7. 树脂自硬砂：

• 是一种快速固化的铸砂材料，常用于快速成型和短周期生产。

8. CO2硬化和酯硬化砂：

• 属于环保型铸砂材料，通过CO2或酯硬化过程形成高强度和高精度的砂模。

步骤三：形成型腔

• 接下来的步骤是翻砂，即将混合好的砂料均匀铺放在母模周围，形成型腔。
  

步骤四：砂模固化

• 随后，需要对砂模进行烘干或加热固化，以硬化树脂粘结剂，确保型腔的稳定性。

• 在这一过程中，紧实度的控制至关重要，它将直接影响到铸件的精度和表面质量。现代工艺中，这一步骤常常借助自动化设备来完成，以提升效率和一致性。比如 高级翻砂 CAD画图建模CNC开模生产制造三缸拖拉机缸体中通过液压机保持紧实度。
  

步骤五：金属浇注

• 金属浇注材料配比十分重要，温度过热可能导致气体夹杂和铸造缺陷，而流动管理不当则可能引起充填不均或涡流，影响铸件质量。因此，经验丰富的工艺师会根据铸件的大小和复杂度来调整熔炼参数和浇注速度。
• 以上例子中的金属成分为：w（C） =3.78%，w （Si） =2.48%，w （Mn） =0.11%，w （P） =0.048%，w（S） =0.014%，w （Cu） =0.52%，w （RE） =0.036%，w （Mg） =0.049%。铸态力 学 性 能 为：抗 拉 强 度 Rm =782MPa，伸 长 率 A=6.4%，硬 度 为260HBW。
• 以上的例子采用卧浇竖冷工艺，浇筑时，曲轴的功率输出端处于竖冷位置的下端，使该端在较大静压力的作用下进行结晶，以减少铸造缺陷，有利于保证该端的质量。
  

步骤六：脱砂清理

• 浇注完成后，待铸件冷却并进行脱砂清理。先进的翻砂工艺采用自动化清理设备，可以有效地去除残留砂料并减少人工作业的劳动强度。最后，通过机械加工、热处理等后处理工序，确保铸件达到所需的尺寸精度和性能标准。

相关参考书籍

• 典型铸铁件铸造实践(本书共分 10 章， 分别叙述气缸类铸件、 圆筒形铸件、 环形铸件、 球墨铸铁曲轴、 盖类铸件、 箱体及壳体类铸件、 阀体及管件、 轮形铸件、 锅形铸件及平板类铸件这 10 种典型铸铁件的铸造实践， 内容涉及材质选用、 铸造工艺过程的主要设计、 常见主要铸造缺陷及对策等。 铸造工艺设计人员需要有一定的基础理论知识和丰富的实际经验， 掌握大量的成功实例和数据。)
  

• 铸造标准应用手册（这本书的铸造用砂及混合料试验方法部分主要讲的是原砂的含水量、粒度、紧实率、灼烧减量等性质的测试。铸造行业使用的原砂主要是硅砂、 石灰石砂、 锆砂、 镁砂、 橄榄石砂、 铬铁矿砂、 钛铁矿砂、 钛渣砂、 铬渣砂、 钒渣砂、 刚玉砂； 耐火熟料类， 如铝矾土砂、 焦宝石砂、煤矸石砂、 炭质砂及宝珠砂等； 混合料主要为粘土砂、 水玻璃砂、 覆膜砂、 热芯盒砂、 冷芯盒树脂砂、 树脂自硬砂、 CO2 硬化、 酯硬化等。）

• 先进制造技术丛书：

• • 熔模精密铸造（主要讲熔模铸造方法，基本没涉及其他。上册的主要内容有:制模和制壳原材料及其工艺、铸件工艺设计、压型设计和附录;下册的主要内容有:合金的熔炼和浇注、铸件的清理和热处理以及铸件质量分析等。）
• • 快速成形与铸造技术（将快速成成形技术应用到铸造的过程中，比如下面的RP-石膏的例子，其中包括工艺的路线，石膏材料的配比以及焙烧的变化，浇筑的控制等。还包括陶瓷、无木模[对翻砂工艺的快速成型铸造方法的改造]等方法）
    
• • 消失模铸造技术
• • 半固态金属成形技术
• • 离心铸造
• • 钛及钛合金铸造
• • 铸造熔炼技术
• • 铸造过程的模拟仿真技术

• 熔模铸造缺陷手册

• 非铁合金铸造用熔剂和中间合金

• 铸工使用手册

• 铸造工艺及设备

• 铸件成型技术入门与精通