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铝合金翻砂铸造工艺

铝合金翻砂铸造

1.树脂固化砂工艺 树脂砂的特点较多,如型芯砂高强度、高固化效率、高溃散性,铸件高精度、高表面质量,为大批量流水线生产各种复杂的中、小型铸件的型芯提供了一种理想的方法,从而很快在汽车、拖拉机和内燃机等行业得到了广泛应用。又由于其高强度、高精度、高溃散性,低的造型制芯劳动强度,对于满足多品种、小批量生产各种结构日趋复杂的中、大型铸件的型芯,也起了十分重要的作用。目前,树脂砂工艺繁多,可按其不同的硬化方式,

分为如下三大类:加热硬化法、吹气硬化法和自硬法。

1. 加热硬化法 此法系指型芯本体经过外部加热源进行加热,使型芯砂在一定温度和时间下固化成型的一种工艺。目前在铸造生产中广泛应用的有:壳型法和热芯盒法两种。壳型法是一种开发较早、发展较快、应用甚广的造型、制芯工艺。由于覆膜砂的流动性、充型性和存放性均好,强度大、溃散性好,被汽车行业广泛应用于大批量生产各种结构复杂、质量要求高的型芯。热芯盒比壳型开发晚15年,由于它的型、芯砂制备简单,成型温度低,硬化速度快,在生产中也得到了应用,鉴于其型砂流动性差、存放性不好,吸湿性很大,含氮量较高,限制了它的应用,目前国外已开发了新型热芯盒树脂,效果较好,国内也在试用。由于这两种工艺操作方法基本相似,下面仅介绍壳型法。

(1)壳型用原材料及其特性 壳型用原材料主要是覆膜砂,它是由硅砂、热塑性酚醛树脂、乌洛托品硬化剂、硬脂酸钙润滑剂及其他附加物等材料,在专门的混制设备上热法混制而成,铸造厂家可根据铸件的种类和不同结构的要求来选用,目前市场上可提供的覆膜砂系列产品的性能。   

(2)壳型、芯的制造工艺及其设备壳型、芯的制作方法一般有两种:翻斗法和吹砂法。翻斗法适用于壳型制作,而吹砂法多用于壳芯生产。吹砂法壳芯机又可分为底吹式和项吹式两大类。底吹式壳芯机制芯时,芯砂由底部吹入芯盒,吹芯压力为0.4~05MPa,吹砂时间为15~35s。由于芯砂由底部吹入芯盒,充填情况不如顶吹式理想,故一般适用于外形简单的壳芯。顶吹式壳芯机制芯时,芯砂由芯盒顶部吹入,充填情况较好,但整机结构复杂,常用于结构较复杂的壳芯制造,其吹芯压力为0.l~0.3MPa,吹砂时间为3~8s。 壳芯制造过程如下:把芯盒加热至210~250℃,吹入覆膜砂,这时覆膜砂上树脂受热融化、结壳后,翻转180o,使芯盒自动左右摇摆数次,排放出未固化的砂子,翻斗复位,壳型、芯继续硬化2~3min,便可顶出制好的壳型、芯。 

(3)发展前景 在热法制芯中壳型、芯工艺是一种很有发展前途的制芯工艺,但是目前覆膜砂中树脂加入量高,生产成本高,铸件气孔及变形严重。同时它存在硬化温度高,硬化时间长,硬化时气味大等缺点。国内外正在开发各种新型的低气味、高强度、速固化、流变性能好的改性酚醛树脂和低氮、无氮的硬化剂,并开发了新型覆膜混砂设备和;日砂再生设备。

2.吹气硬化法 此法系指型、芯本体不需加热,仅在气体催化剂作用下迅速固化成型的一种制芯工艺。这种工艺现有三乙胺法、SO2法和低毒、无毒气硬法等几种。目前在生产中仅三乙胺法得到广泛的应用。它的较大特点是硬化速度快,硬透性好,生产效率高;其次是芯盒不需加热,劳动条件好,芯盒生产成本低,现已在批量生产各种复杂的砂芯的汽车、拖拉机行业广为应用。 

(l)三乙胺法用原材料 三乙胺法用原材料主要由硅砂、树脂和催化剂等组成。此法对硅砂要求甚严,特别是含水量<0.2%,含泥量<0.3%(均指质量分数)。所用的树脂由二个组分组成;组分Ⅰ为苯醚型特制酚醛树脂,组分Ⅱ为聚异氰酸酯(PAPI)。为了降低树脂对硅砂及环境湿度的敏感性和适用于低温浇注铝合金铸件的需要,近年来,又开发了抗湿性树脂和铝合金专用树脂。催化剂为液态的三乙胺或二甲基乙胺,为了能使砂芯均匀硬化,液态三乙胺需要先雾化或汽化,再与惰性气体混合(常用的氮气),吹入芯盒,使砂芯硬化,以防止三乙胺气体浓度过大而引起爆炸。 

(2)三乙胺法制芯工艺及其设备 三乙胺法制芯均在专用的冷芯盒射芯机上完成,所用射芯机的结构与普通射芯机相似,但增加了吹气机构和前后工序配套设备。前工序配套设备有:混砂机、砂加热器、气体发生器、压缩空气干燥除湿系统、三乙胺气体雾化装置等。后工序配套设备包括废气净化系统。 制芯的主要工序为:硅砂加热至25~35℃,将组分Ⅰ酚醛树脂加入砂中,混制1~2min,再加入组分Ⅱ(PAPI),继续混制1~2min。通常两组分加入量各为0.75%,即为砂的质量分数为1%~2%。然后在0.30~0.35MPa射砂压力下,把砂子射入芯盒,再将与载体混合、体积分数为2%的三乙胺气体,在0.2MPa压力下吹入芯盒,使型、芯砂迅速硬化,硬化时间一般为几秒或几十秒钟。型、芯硬化后,紧接着通过原来吹气系统,再吹入洁净干燥的空气,以便清洗型、芯砂中的残胺,并可进一步提高它的强度。从芯盒中排出的空气中含有残余的有毒胺气,须送到洗涤室内,用酸中和,将胺除去,也可采用燃烧法去胺。然后,打开芯盒,取出已硬化的砂芯,便可进行下一轮程序。 为了提高铸件的表面质量,减少粘砂缺陷,砂芯表面应刷一层涂料。可采用水基涂料,但须待树脂完全硬化后上涂料,防止明显降低砂芯强度,刷涂后应及时烘干。 

(3)发展前景 气硬冷芯盒制芯工艺是目前国内外重点开发、较有发展前途的一种制芯工艺,特别是低毒、无毒气硬工艺,在当前全球关注环境保护、推行清洁生产的情况下,更具有很大的现实意义。现正在开发的酚醛树脂/酯法,聚丙烯酸钠/CO2法和碱性酚醛树脂/CO2法等无毒制芯工艺,尽管还存在强度低,树脂加入量高,吹气硬化时间较长,抗湿性较差等一些问题,但可以预计,在不久的将来,会开发出更为理想、无毒无公害的制芯工艺,成功地应用于生产,有力推动我国铸造事业向前发展。 

3.树脂砂自硬法 此法系指型、芯砂在室温下,通过加入一定量的固化剂,使之在芯盒或砂箱内,并在一定时间内自行硬化成型的一种造型、制芯工艺。目前在铸造生产中得到应用的有酸固化呋喃树脂砂、酯固化碱性酚醛树脂砂和酚尿烷树脂砂等。这种工艺的较大特点是:树脂砂可在常温下自行硬化成型,型、芯砂有一定的可使用时间,其硬化速度与强度受室温、环境湿度的影响很大,生产效率不高,故比较适用于单件、小批量、多品种的中、大型铸件的型、芯生产,在我国机床、通用、重型、造船、机车等行业得到了应用。

(1) 在上述几种树脂自硬砂工艺中,以酸固化呋喃树脂砂在我国应用较多,因为它所用的原辅材料及设备能成套供应,技术较成熟,积累的经验较丰富,目前国内300多家采用树脂砂工艺的工厂,绝大多数是采用这种工艺,与粘土砂比较,可提高铸件的尺寸精度2~3级,改善表面粗糙度1~2级,废品率明显减少。 要求质量较高的铸件可选用低氮树脂,而有色金属铸件可采用含氮较高的树脂。目前呋喃树脂砂常用的固化剂为有机磺酸,它又可分为对甲苯磺酸和二甲苯磺酸二种,后者常用于气温较低的冬季。 

(2)树脂自硬砂的专用设备 树脂自硬砂的成套设备主要包括混砂系统和旧砂再生系统两大系列,混砂系统以混砂机为主,并配以振实台、翻转起模机、输送辊道和电控等装置,组成树脂砂造型、制芯生产线。旧砂再生系统大多具有砂块破碎、筛分、磁选、旧砂再生、微粉分离和砂温调节等功能。为了满足环境保护的要求及微粉分离的需要,树脂砂生产线还须配有良好通风除尘装置。 

(3)树脂自硬砂的造型、制芯工艺 呋喃树脂在强酸固化剂作用下,树脂分子间相继产生加聚反应和缩聚反应,使原来低相对分子质量的线型结构相互交联,转变为相对分子质量很大的体型结构的树脂膜,将砂粒粘结起来,达到型、芯的常温固化。树脂加入量(质量分数)一般为0.8%~1.2%,磺酸类固化剂加入量为树脂的30%~60%,型、芯砂的可使用时间从几分钟至数十分钟,起模时间由十几分钟至数小时。 树脂自硬砂的造型、制芯工艺基本上与粘土砂类似,由于树脂自硬砂具有许多特点,在造型制芯时应考虑如下几点: 应根据合金种类和铸件的大小,合理选用树脂的类型及吃砂量的大小,尽量降低砂铁比和造型材料的生产成本;应根据室温的高低,合理选用固化剂,夏季室温高时,选用酸强度较低的固化剂,冬季室温较低时,应采用二甲苯磷酸为主,加入适量无机酸的醇溶性固化剂;树脂砂的流动性很好,但具有明显的时间性,须在型砂可使用时间内完成造型制芯工作;树脂自硬砂起模困难,不可太晚;树脂砂在浇注时发气速度较快,须采取措施将气体排出,防止气孔的产生;树脂砂耐热性较低,须上涂料,以保证铸件的表面质量;根据有机粘结剂特点,应按"快、稳、封闭、底注、保证压头和处理脏铁液"等原则来设计浇注系统。实践证明,只有遵循上述原则来造型制芯,才可能获得质量高、成本低的树脂砂铸件。

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