付延軍，趙林棟，朱小鋼，張國輝

粘土砂型鑄造是最經(jīng)濟、最廣泛應用的一種鑄造方法，工業(yè)化國家中65%～70%的鑄件是用粘土砂工藝生產(chǎn)的，因此，以粘土砂作為造型材料，在相當長的時間內仍將占絕對優(yōu)勢。粘土砂型鑄造的核心工序是造型，造型技術是關系到砂型鑄造產(chǎn)品質量的關鍵因素。自從1921年德國BMD公司生產(chǎn)了世界上第一臺震實造型機以來，各種有箱造型新技術層出不窮。

1 有箱造型技術分類及其特點

1.1 微震壓實造型

微震壓實造型的原理是通過微震機構將砂箱舉升到一定高度然后下落與機體發(fā)生撞擊，從而使砂箱中的型砂下落速度變成很大的沖擊力，使型砂層層得到緊實，然后平板二次壓實補壓，微震壓實后的緊實度分布呈現(xiàn)分型面和砂型背面硬度高，砂型中間硬度低的特點[1]，如圖1所示。微震振幅為5～25mm，頻率為 500～1000 次/min，壓實比壓約為（2～3）kgf/cm2。

微震壓實造型機一般采用幾組造型機配備輸送線，組成機械化生產(chǎn)線。由于微震壓實造型機噪音大于90分貝，壓實比壓低，目前在全自動造型線上很少采用。

1.2 高壓造型

圖1 不同的微震壓實方法緊實度分布1-微震 2-微震后壓實 3-壓震 4-預震加壓震

高壓造型是五十年代初期發(fā)展起來的，高壓造型工作原理是重力加砂后通過高壓壓頭二次緊實砂型，為了提高壓實效果，在壓實的同時增加微震。

高壓造型按壓頭的形狀來講，有平壓頭、成形壓頭和多觸頭之分。由于多觸頭類型具備隨模型形狀能自動調節(jié)壓頭行程的特點，故其適用范圍寬。

高壓造型機壓實比壓為（10～15）kgf/cm2，微震頻率約為500～1000次/min，微震振幅約為5～25mm。

高壓微震壓實后的緊實度分布呈現(xiàn)分型面和砂型背面硬度高，砂型中間硬度低的特點[2]，如圖2所示。

高壓造型由于比壓過大，造成砂型密度過大、砂型排氣困難、砂型回彈大以及易產(chǎn)生夾砂等缺陷，逐漸被其它的造型方法取代。

1.3 射壓造型

射壓造型是通過射砂方式使型砂快速填充砂箱，一般射砂壓力在（2～4）kgf/cm2，砂型預緊實度不高，只有1.2kg/cm2左右，需要用壓板或多觸頭進行二次壓實，壓實比壓約為10kgf/cm2，適用于中小規(guī)格有箱造型機型。

圖2 幾種造型的緊實度分布

圖3 ACE鑄型緊實強度分布

目前只有日本新東公司80年代推出的ACE還在銷售。ACE鑄型緊實強度分布如圖3所示。

1.4 真空壓實造型

德國KW公司在1979年國際鑄造博覽會上第一次展出了真空壓實造型機，它是采用定量斗和多觸頭壓頭可以在真空腔內移動的結構。

真空造型的原理是先在砂箱與模板之間產(chǎn)生真空，在真空狀態(tài)下進行填砂，型砂被吸入砂箱并高速沖向模板，從而產(chǎn)生預緊實，然后，在真空狀態(tài)下進行壓實，完成造型。壓實比壓約為10kgf/cm2以上，真空度約為0.04MPa。

根據(jù)濟南鑄造鍛壓機械研究所的試驗，真空造型時在壓實比壓5kgf/cm2下，真空度和砂型硬度的關系[2]，如圖4所示。

真空壓實造型機需要增設真空系統(tǒng)、對抽真空時的造型室結合面密封要求高，造型密封室體積過于龐大。目前的有箱造型很少采用此技術。

1.5 氣流沖擊造型

圖4 真空度和砂型硬度的關系

所謂氣流沖擊造型是指用具有一定壓力的氣流直接對裝填在砂箱中的型砂進行瞬間的沖擊，使型砂緊實的方法。最初采用燃氣爆炸沖擊造型，后來逐漸被更為安全可靠的空氣沖擊造型機取代，目前仍有使用。

根據(jù)研究，空氣沖擊動壓緊實過程分為砂粒加速及初步緊實和砂層沖擊緊實2個階段：

氣流沖擊后砂型緊實度分布特點是靠近模樣表面的砂層緊實度分布均勻，緊實度最高，向鑄型背面逐漸減少[3]，如圖5所示。

氣流沖擊造型在生產(chǎn)使用過程中也存在一些工藝上的弊端：

（1）在高模樣、大深凹比情況下，氣流沖擊造型砂型邊角處及深凹部出現(xiàn)緊實度不良的現(xiàn)象，即“拱效應”問題。

（2）砂型背面總存在30～50mm未緊實的松散砂層，這部分型砂在造型后必須刮掉。這一方面造成型砂的嚴重浪費，同時使氣流沖擊造型砂箱高度方向的有效利用率降低，這樣就制約了氣流沖擊造型的適用范圍，使氣流沖擊造型砂箱的高度必須大于250mm，才能獲得合格的砂型。

（3）對氣流沖擊時的造型室結合面密封要求高

圖5 氣流沖擊造型緊實度分布

1.6 靜壓造型

靜壓造型在1976年起源于日本新東（Sinto）公司，經(jīng)過多年的完善，使這一工藝技術的許多獨特優(yōu)點顯現(xiàn)出來，得到了全世界鑄造工作者的普遍認可與青睞。

目前，靜壓造型國際市場的典型代表是德國HWS公司和KW公司，國內市場的典型代表是濟南鑄造鍛壓機械研究所、蘇鑄成套裝備制造有限公司、保定維爾鑄造機械有限公司，其它單位如濰坊市凱隆機械有限公司也陸續(xù)涉足了這一領域。

靜壓造型原理是利用壓縮空氣瞬間向砂型增壓，壓縮空氣從砂型背面穿過型砂流向模樣，通過模樣上的排氣塞排出，完成氣流預緊實，利用第二工序壓實完成砂型最終緊實，壓實比壓為高壓（10～12）kgf/cm2，氣流預緊實所需壓力大于4kgf/cm2，如圖2所示。

靜壓造型吹氣后模板需要排氣才能完成氣流預緊實，因此，模板上需開設砂型面積1%～2%的排氣塞。

1.7 高速多觸頭沖擊造型

高速沖擊多觸頭造型機是1989年BMD公司根據(jù)粘土砂造型動壓緊實原理開發(fā)的高速沖擊多觸頭（Dynapulse）技術并在GIFA89國際展覽會上亮相。迄今為止，世界上已有近20條高速沖擊多觸頭造型線正在運行使用，其優(yōu)越性逐漸被人們所認識。

高速沖擊多觸頭緊實機理是利用高速氣液缸推動多觸頭和舂實板高速沖擊型砂，在多觸頭、舂實板和砂層沖擊力同時作用下，使砂型得到緊實。

根據(jù)沈陽工業(yè)大學陳士梁教授的研究，沖擊緊實過程分為3個階段：砂層加速及初步緊實、砂層沖擊緊實、多觸頭和舂實板沖擊緊實。

圖6 高速沖擊多觸頭造型緊實度分布

高速沖擊壓實在沖擊速度不同時的砂型緊實度分布如圖6所示。

由于高速沖擊驅動裝置是采用氮氣高壓膨脹能驅動的原理，受氮氣氣壓和缸徑的影響，驅動速度＜5m/s，因此，緊實面積＜1.2m2，緊實行程＜400mm，只適合中小規(guī)格砂箱砂型緊實。此外，由于高速沖擊驅動能量有限，多觸頭桿徑較小，對型砂的擾動面積小。沖擊型砂預緊實的效果不理想，必須通過上端液壓缸驅動多觸頭和舂實板完成最終砂型緊實。

2 結論

當今世界鑄造生產(chǎn)總的發(fā)展趨勢是在提高綜合經(jīng)濟技術指標的前提下，提高鑄件質量，重視表面粗糙度和幾何精度，在這一趨勢下應運而生的幾類粘土砂型有箱造型技術各有千秋，不斷朝著精確、高效、節(jié)能和環(huán)保的方向發(fā)展和提高。

[1] 十四院校鑄造專業(yè)教材聯(lián)合編寫組,鑄造生產(chǎn)機械化[M].北京：國防工業(yè)出版社，1979:15-15.

[2] 王德勝,于正仁.真空壓實造型技術的研究[J].中國鑄機,1993(6):12-14.

[3] 徐順慶,曹立人.國外鑄造機械[M].北京:機械工業(yè)出版社,1987:26-26.