消失模壳体类零件在白区工艺的失效模式分析及改进

2011-01-23祁交九

铸造设备与工艺 2011年5期

关键词：模样壳体涂料

祁交九

（山西华恩机械制造有限公司，山西临猗 044100）

我公司生产的壳体类零件，外部质量缺陷：主要存在尺寸不稳定，导致加工面有黑皮、孔偏等缺陷；内部缺陷主要有：变形、倒涨、碳缺陷；这些缺陷的发生，我们分析主要因素白区所占的比例较大。所以，模样质量是否合格就需要通过质量特性数据来量化分析和验证。

公司专门成立了质量项目小组，针对薄壁壳体类铸件存在的一些问题，对白区的一些关键过程进行了测量分析。项目小组研究了模样的质量特性参数与铸件缺陷之间的关系，寻找最佳参数组合，达到降低基于模样质量导致铸件缺陷的绝对数量，提高了产品的合格率。

1 原材料

原材料的稳定是保证尺寸一致性的前提，小组采用了3个厂家的同级别的EPS原料，预发密度相同，用同一幅模具制出的模样通过熟化后，模样的收缩值却相差较大，见表1。

表1 原材料性能

经分析主要是由于珠粒的分子量不同，模样的强度、刚度和线收缩不一致。由于目前我们不具备检测能力，所以固定原材料厂家，保证模样的性能、尺寸一致性就显得尤为重要。

2 珠粒的预发密度

珠粒预发是消失模铸造的一个关键环节，因为密度的波动会影响到模样的收缩、强度及浇注产生缺陷等问题。我们对预发设备的能力进行了数据收集，发现预发过程密度波动较大，如图1所示。

我们细化了珠粒的投入量，优化了设备的参数，最终缩小了密度范围。如图2所示。

图1 珠粒的预发密度

图2 优化后密度范围

预发过程的参数调整和优化必须结合自身设备的特点以及原料、蒸汽等条件，必须认真分析密度波动的相关因素，逐一调整验证，并将最佳的参数持续固化。不能照搬别人给你提供的经验数据。

3 制模

泡沫模型是消失模铸造生产的根据，没有好的泡沫型，无法生产出好的铸件。好的泡沫模样外观填充均匀、泡沫珠粒融合致密，没有过生或过熟现象，说得容易，真正做到融合好，不是一件容易的事，首先模具表面光洁、气塞分布合理（该密的部位要密，该稀疏的部位要稀疏）畅通，充料位置合理是前提。制模过程参数也很关键，从2007年对成型机制模过程由手动改为自动后，通过完善过程参数，基本上杜绝了人为因素的发生。

另外模具的结构合理，使泡沫珠粒受热均匀，冷却均匀，脱模顺畅，变形倾向就小。需要注意的是，模样在脱模时由于刚脱离热环境，抗变形能力很差，而一个因变形而报废的铸件通常要到加工过程才能发现，所造成的损失要比其他缺陷大得多。因此，模样在取模和热态搬运过程中，需要注意模样的热蠕变变形。复杂的模样需要设计校正工装来满足零件的尺寸要求。要保证尺寸精确，二次收缩量和三次收缩量要合理。每一个零件由于结构不同收缩值也不同。如图3所示。另一种产品在不同时间段的收缩趋势如图4所示。

图3 正常情况下模型收缩趋势

另一种产品在不同时间段的收缩趋势如图4。

图4 壳体收缩趋势

泡沫型自身的尺寸稳定时间约在20d～50d；不同的使用时间会造成尺寸的不同。同一套模具发泡的密度不同，收缩量不同，也会有尺寸的差异。模样的组合方式不同，也会造成收缩量的不同，一个零件水平放置的线收缩，与垂直摆放的线收缩，差的很多。浇注温度不同，也会造成尺寸的变化，所以，模具设计的缩量，要与铸造工艺相配合，要在此基础上调整各部位的缩量，每一个壳体类零件，不同部位的缩量是不同的。所以前期策划和合理的安排生产很重要。

近几年国内大部分消失模模具都增加了预开模装置，它的优点是明显的有利于模样成型，并且在模样的平面光洁度得到了提升，但模样局部密度却几乎增加了50%。就拿7mm～8mm的壳体零件来说，模具的预开模缝隙一直在2mm～4mm波动，制出的模样重量偏差较多，多用原料不说，导致模样收缩不一致，进而在黑区浇注带来缺陷上升倾向。所以，在模具验收和使用过程最好不要使用预开模，如果必须使用，就必须控制预开模缝隙的一致性，一般1mm～2mm就可以了。

4 模样熟化过程

模样熟化主要的目的是稳定模样的尺寸；让模样内部的水分和发泡剂尽可能多的挥发掉，避免在黑区浇注过程中出现发气量大导致金属液反喷现象发生，以及碳缺陷倾向增加。由于水分和发泡剂遇到高温都会产生爆炸性气体，为了检测模样内部的水分和戊烷（我们简称综合挥发分）含量。将熟化间摆放的6层模样，从上到下依次抽取模样厚大部位的珠粒3g，称量后在烘箱内用150℃烘干1 h后测量出它的差值。趋势如图5所示。

图5 综合发挥发份与存放位置的单值图

从分析结果看出，由于模样在熟化间摆放的位置不同，综合挥发分的含量差异较大。合理的综合挥发分含量应该是多少，业内同行说法不一致。对不同综合挥发分含量的模样多次进行了浇注对比，含量高的模样发气量大，产生缺陷的倾向大。所以，要尽量均衡熟化干燥间上部和下部的温差，缩小综合挥发分含量之间的差异。

熟化时间和模样重量如表2。

在以往生产过程中，熟化时间由经验得到，没有具体的数据支撑，在本次试验中对熟化时间的不同进行模片重量的测量，可以看出熟化48 h与72 h后平均差值为2.6g，理论模片重量为300g±15g，模片重量均值在上限。小组认为，模样的重量只要有变化，就要延长模样的熟化时间。所以要根据不同零件确定最佳的熟化时间。

5 挂涂过程

质量小组利用了半年时间对涂料的密度进行了优化。涂料的密度决定了涂层的厚度，在骨料和其他材料不变的情况下，厚度就决定了涂层的透气性，透气性直接控制着泡沫熔化和分解的产物逸出的速度，从而决定了液态金属流动速度，进而决定了是否可以消除气孔、冷隔、浇不足、积碳等缺陷的发生。由于大部分企业不具备对涂料透气性的测量，所以对涂料密度的控制尤为重要。

表2 模样熟化时间及重量

称量浸涂干燥后的模样重量来对应挂涂前测量的密度值，最终达到涂层的厚度满足浇注过程要求。模样的重量一致性稳定为目的。

以前涂料的密度控制在1.5g/m3～1.7g/m3。其中一个壳体涂料干燥后重量一直在3.5 kg～4.5 kg之间波动。我们发现密度每上升0.01g/m3模样的重量就增加0.12 kg。针对此问题，我们将重量上限和下限的模样进行了浇注对比试验，发现3.8 kg～4.5 kg的模样，缺陷倾向增加。最终确定了涂料的密度控制在 1.52g/m3～1.6g/m3。模样的重量保持在 3.2kg～3.5kg之间。需要注意的是，单因子验证过程中要避免一些其他因素的影响。比如涂料有很强的吸潮性，烘干以后如果不保存在干燥的烘房内，会吸湿，降低强度，涂层吸湿以后，会导致变形、冷隔、浇不足、积碳等缺陷的发生。影响最终验证效果。