中小件球铁消失模模具设计与制造_球铁消失模铸造缺陷

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中小件球铁消失模模具设计与制造

作者：刘中兴 叶升平

（1、河南刘氏模具有限公司；2，华中科技大学材料学院模具技术国家重点实验室）摘要：本文主要介绍了中小件球墨铸铁消失模铸造成型发泡用铝合金模具的设计与制造；着重介绍了涡轮箱模具的设计与制造，此模具的设计涉及一个国内首创分片技术；文中讨论了模具设计与制造过程中应注意的问题。关键词：消失模模具；涡轮箱；分片；

引言

消失模铸造是实型铸造，普通砂型铸造为空型铸造。消失模铸造中，空腔为泡沫模样所取代。消失模铸造的优势就是把普通砂型铸造的造型难度转移到泡沫模样的制造上。因此消失模铸造关键在于制造高质量的泡沫模样。而高质量泡沫模样的制造关键在于设计结构合理的发泡模具。消失模铸造生产球墨铸铁，泡沫模样原料要求用共聚料STMMA，共聚料的成型难度比普通EPS高，因此对模具的要求比较高。模具的设计过程中不仅要考虑生产高质量的铸件本体泡沫模样，还要考虑浇注系统的设计和连接及模样的组装。因此消失模模具的设计不仅仅是模具本身，还需考虑后续工艺过程的方便快捷和可行性。

1、消失模模具设计制造流程

消失模模具的设计与制造步骤有：1）、零件三维设计；2）、三维模具设计；3）、模具毛胚的泡沫模样制造；4）、采用消失模工艺铸造模具毛坯；5）、模具毛坯精加工；6）、模具总装；7）、特氟隆喷涂处理。1.1、零件三维设计

根据零件二维图纸和客户提出的技术要求，设计三维零件图，综合考虑浇注工艺、机械加工余量、少量的拔模斜度、不同材质不同结构的铸件收缩等设计三维铸件图。绘制好三维铸件图后，专人对三维图尺寸进行检验。如图1的排气歧管，模具设计时，充分考虑后续工艺，浇注系统直接设计在模具上，减少了后续工艺中粘结浇注系统的麻烦和及其带来的铸造缺陷，而且浇注系统同时起到加强筋的作用，避免的泡沫模样、铸件的变形；如图2，两个大小不同的排气管设计在同一副模具上，从而大大提高了生产效率和出品率。生产高品质球铁要求使用共聚料STMMA，共聚料STMMA和普通EPS收缩量不同，设计模具时要考虑模样的收缩。

图1.排气管模样 图2.排气管分片

1.2、模具三维设计

根据三维铸件图，综合考虑模具毛坯的加工余量及消失模发泡模具的壁厚随形要求，设计三维模具。消失模模具随形非常重要，模具保持壁厚均匀才能使模具加热和冷却均匀，从而使得泡沫模样内部生熟均匀，不至于产生变形；再者，铝合金模具在保证强度的前提下，应该尽量减薄，这样模具加热和冷却迅速，提高生产效率。铸件局部表面光洁度要求高的部位如定位基准部位、尺寸检测基准面等，不应使用排气塞，同时将此部位模具壁厚减薄。消失模模具一般分为上下模，上模一般为凹模，以便排水排气通畅，下模一般为凸模。上下两模的分片时需要考虑，模具的可铸造性和可加工性。1.3、模具毛胚的泡沫模样制造

设计好三维模具之后，数控机床根据三维模具图加工相应的泡沫模样，如图3。数控加工好泡沫模样后，建议用砂纸打磨模样表面，以提高泡沫表面光洁度。

图3.数控加工好的泡沫模样 图4.模具毛坯 1.4、消失模浇注模具毛坯

将加工好的模具泡沫模样埋入砂型，连接上浇注系统，浇注铝合金，注意将加工面朝下，以保证加工面无铸造缺陷。如图4铝合金模具毛坯。1.5、模具毛坯精加工

泡沫板材通过数控机床的铣削加工，粗糙度比较大，因此铸出的铝合金毛坯粗糙度也大，同时表面或多或少存在夹杂缺陷，所以毛坯预留的加工余量比较大（一般为4mm），需要数控机床进行精加工，数控机床能一次铣削出光滑平面甚至曲面，因此无需人工打磨，生产效率高。

1.6、模具总装

在发泡成型过程中，向消失模模具型腔充填泡沫珠粒，需要模具表面分布合理的排气塞。设置了排气塞才能将珠粒冲入，排气塞分布合理才能充填均匀，从而制作出密度一致、表面光洁度高的泡沫模样，浇注时才能平稳。死角、薄壁处排气塞适当多加，使得充料充分。排气塞分布合理，有利于蒸汽加热时快速均匀；否则，要么有的位置珠粒过烧，造成萎缩，有的位置温度过低，珠粒融合不良，造成模样表面光洁度低和生料易断裂、破碎。国内的消失模模具排气通道为排气塞，先在模具上打上通孔，然后再在孔中敲入铝质或铜质的排气塞，此方法方便快捷（见图6），排气塞建议采用铝质的，直观上铜质的比铝质耐用，但是铝质排气塞同铝质模具收缩和膨胀一致，且喷涂特氟隆一致；国外部分消失模模具排气通道为分布均匀的微孔，微孔为激光打出，和国内的相比，此方法虽工艺麻烦、成本较高，但排气更为均匀充分，不会存在死角，泡沫模样相对成型更好，表面光洁度更高，不过此工艺暂不适合我们的国情，因国内泡沫模样生产企业发泡用冷却水较随意，微孔很容易因水垢而堵塞。

消失模模具上下模进排水必须同步，进汽必须保证发泡均匀充分，排水排气一般共用一个通道。出于排水通畅考虑，凸模一般在下，凹模在上。由于水往低处流的特性，上模即凹模冷却较快，下模即凸模冷却较慢，因此常常需要在下模加装喷淋管，以保证同时同步冷却。平板类模样一定要考虑上下模的同时冷却，下模必须配有喷淋管，否则会造成白模出模后即变形。对于上下高度较大的模样也需加装喷淋管。相反结构较复杂的可以不加，因为复杂的结构可以互相牵制，变形较小。

对于有些复杂结构，为了使得泡沫模样一次成型，减少分片及其粘合难度，常常在此复杂结构处设置活块。活块设置在上模即凹模。上模活块最好能够配有自动锁紧装置，保证活块拆装自如，大大提高生产效率、减少了模具的维护和提高模具的整体寿命。

1.7、特氟隆喷涂处理

为了降低脱模时泡沫模样与铝质模具的粘附力，需要在模具内表面喷涂一层特氟隆涂料，涂层一般厚0.02mm。特氟隆防水、防静电、耐高温、耐腐蚀，化学性质稳定。防水有利于泡沫的成型，尤其是共聚料STMMA，防静电有利于珠粒充填，耐高温可以保证涂料层在模具加热冷却中性能稳定、不脱落。特氟隆一般与铁等黑色金属粘合性很好，但与铝合金粘合性很差，因模具精加工后表面很光洁，故粘附性更差，一般涂覆特氟隆时将模具型腔内表面通过抛砂处理，但这势必会降低模具表面的光洁度，从而降低了泡沫模样的光洁度和尺寸精度。因此笔者研发了一种新型的消失模模具专用的特氟隆涂料，此涂料可以与光洁度很高的铝合金表面粘附很好。特氟隆涂料不与泡沫模样粘结，因此在泡沫和铝合金模具之间形成一层介质。（见图8）。

2、消失模模具设计与制造案例分析

在节能减排的时代背景下，涡轮增压器应运而生，它是世界上唯一在不增加燃料的前提条件下提高发动机输出功率的一种装置。涡轮增压器连接在排气管上，利用排出的高温高压的尾气的动能推动涡轮旋转，带动叶轮运转，将新鲜空气压缩到进气管。涡轮增压器实际上是一个利用尾气动力的空气压缩机。一方面利用尾气的动能，另一方面增加了气缸的空气压力，使得燃油燃烧的更加彻底，达到了节能减排的目的。

涡轮箱是涡轮增压器关键部件之一。此部件内腔复杂，要求耐高温高压，牌号要求为QT400-15。对于此涡轮箱，树脂砂造型需要两个砂芯和两个型壳，且砂芯存在尖端，容易破碎，因此生产效率低下，成本较高，环境污染严重。消失模铸造可以省去砂芯，无环境污染。对于耐压件，尽量避免分片制造，因为分片粘合处较容易出现渗漏的问题，但有时由于结构复杂，泡沫模样不可能实现整体成型，必须分片，因此只能从分片技术上解决这个问题。

幸运的是，笔者找到一种解决方法，从模具设计上减少了后续工艺的麻烦，避免了渗漏的铸造缺陷。此为国内分片技术首创。笔者暂为其取名阶梯分片。如下图所示，分片处薄壁被一分为二，形成一个阶梯。因此避免了平面分片中沿着分片面渗漏的铸造缺陷。

根据二维图纸，设计涡轮箱三维如上图。涡轮箱分为三片，对三片分别设计相应的模具，见图11。分片过程中，除了采取阶梯分片方法，还要注意片与片之间的配合间隙。

球铁消失模铸造中，泡沫模样原料一般要求为共聚料，即STMMA。相比EPS，共聚料可以大大降低球铁消失模铸造中存在的皱皮和碳夹杂缺陷。但共聚料的成型难度比EPS大，因此对模具要求高，否则难以制得高质量的泡沫模样。图12即为笔者设计的涡轮箱模具发泡成型的完好分片泡沫模样。

三片粘合为一个完整的涡轮箱泡沫模样，见图13。对于此小件，采用消失模特有的串浇工艺，铸出的球铁铸件见图14。涡轮箱内腔复杂，型砂充填难度大，对震实台要求高，要求震实台能对型砂定向控制。型砂要求采用细宝珠砂，宝珠砂流动性好，有利于充填，宝珠砂耐火度高，内腔型砂不会烧结。由于涡轮箱内腔复杂，对内腔不能抛丸处理，所以要求涂料能自然脱落，建议涂料里添加2-4%的黑铅粉。结论

本文详细讲述了中小件球铁消失模模具的设计与制造，总结了设计过程中需要注意的问题，对内腔复杂的球铁涡轮箱模具的设计与制造进行了案例分析。消失模模具在消失模铸造中举足轻重，是消失模铸造取得成功的第一把钥匙。在案例分析中，可以看出，没有设计合理的消失模模具就不能高效的生产合格的产品。