国内外铸造技术发展现状

国内外铸造技术发展现状 铸造成型是制造复杂零件的最灵活的方法。 先进铸造技术的应用给制造工业 带来了新的活力。 为数众多的软件问世和计算机技术的迅独猛发展使得为生产在 几何形状、尺寸、使用性能等方面都符合要求的铸件提出确切可靠的信息成为可

能。铸造厂在其用户进行产品设计和开发阶段就能成为后者在 CAD层次上一个有 力的伙伴。 与此同时， 铸造厂也遇到了来自铸造行业内部和外部的巨大挑战。 或 许可以说，处于世纪之交的各国铸造厂都把下述四项目标作为自己的主要任务：

1．提高铸件质量和可靠性，生产优质近终形铸件； 2．加强环保，实现可持续性发

展； 3．降低生产成本； 4．缩短交货期。

不言而谕， 其中第一项是最重要的， 如果不能生产出优质铸件， 其它目标就 无从谈起。

．信息技术在铸造生产中得到广泛应用 由计算机、网络技术、 传感技术、人工智能等所构成的信息技术近年来在铸 造生产中得到更为广泛的应用。 这正在改变着铸造生产的面貌。 可以说， 现代铸 造技术的主要特征就是将传统的铸造工艺与信息技术溶于一体。铸件充型和凝固模拟在世界各国铸造厂中得到越来越多的实际应用。 据不完 全统计，仅仅包括 MAGMASOFAFS SOLIDFICATION SYSTEM3D）在内的欧美八

种软件共已销售出 1200 多套。

为了优化铸造厂的生产组织和车间设计， 铸造工作者已经着手对铸造生产过 程进行仿真研究。人们可以通过在屏幕上进行整个铸造厂或其中某一局部的生 产，以找出其中的薄弱环节， 提出优化生产组织和车间设计的方案。 这已在美国、 瑞典的一些铸造厂中得到应用，取得了良好结果。德国Laempe公司、Honttinger 公司、西班牙 Loramandi 公司等对其用户的制芯工段也进行三维仿真的实现优化 设计。

造型、制芯过程的数值模拟正在成为国际铸造界关注的前沿领域之一。 清华 大学、日本新东工业等对湿型粘土砂紧实过程进行了数值模拟。 德国亚琛工业大 学、清华大学等正在对射芯过程进行数值模拟。

计算机网络技术的发展改变了铸造厂进行管理和经营的方式。 例如，美国福 特汽车公司的铸造部位于底特律郊区，它通过互联网与其所管辖的分别位于美 国、加拿大、英国、澳大利亚、新西兰境内的多家铸造厂进行技术管理、策划扩 建或技术革新， 并解决各厂的关键技术问题。 又如， 隶属于法国 Valfond 集团的 位于德国萨尔布吕肯的 Halberg 铸造厂，通过互联网与其所生产发动机铸件的用 户厂、模具供应厂、大学及研究机械进行联系从而大大缩短了新产品开发周期， 提高了在市场上的竞争能力。快速原型技术在铸造生产中的应用也有了新的发展。 它除了可应用于制造新 产品试制用的模样及熔模铸造的蜡模外， 还可用于直接造出酚醛树脂壳型、 壳芯， 它们可直接用来装配成砂型。 德国 ACTech 公司采用这种直接壳型法与快速原形 来为客户生产样品铸件，该公司在接到客户提供的三维 CAD数据后，根据铸件尺

寸和复杂程度的不同在达到3周时间内为客户提供1〜5个铸件。

西班牙 Loramandi 公司推出了砂芯人工视图技术， 它采用三维数值化仪建立 砂芯的图像， 然后由一软件通过云纹法来对所制出的砂芯表面质量进行分析。 该 系统可自动地识别出不合格的砂芯。德国 Honttinger 公司也开发了称为砂芯观 察（ Core-Vision ）的检验砂芯质量的技术，其工作原理较简单：一摄像机在不 同方向的光源下对每个砂芯采集最多五个图像。 然后计算机对这些图像与合格砂 芯标准图像进行对比并指出任何明显的差别 （表明在砂芯上出现缺陷）。

．粘土砂湿型造型设备有新的提高 由于粘土砂湿型铸造具有造型材料成本低及造型生产率高等优点， 在工业化 国家中目前铸件总产量的 65%〜70%是用粘土砂湿型工艺所生产。德国铸造学会

（VDG对比了 1999年与1994年在德国生产中使用的各类造型线按其生产能力

每小时所造砂型体积 m3/h ）的百分率分布（表 1）：

表1 造型线 1 1994 1999 垂直分型无箱射压造型 1 29 37

气流 压实 1 18 24

空气冲击 22 16 其它（无箱） 9 3 其它（震压等） 33 20 共计 100 100

由表1可见，在德国震压造型正在逐步被其它先进的造型设备所取代。而 到1999年垂直分型无箱射压造型、气流一压实造型、空气冲击造型这三类造型 线的生产能力之和已占有77%居于主导地位。

在 GIFA' 99 上, Georg Fischer Disa 公司展出了其新产品 GFD DISA23（垂 直分型无箱射压造型机，其生产能力为 500型/小时（无砂芯时）。由于增加了 机器刚度，其合型精度为W 0.1mm这样高精度的造型机可以带来以下优点:

1. 减少对铸件后处理的要求，这意味着降低成本;

2. 主油缸活塞行程十分精确能生产出薄壁铸件，这意味着减少铸件重量。在展览会上，该公司还展出了 GFD Gompac 530系列动态预紧实、高压压实 终紧实的水平分型有箱造型机。 动态预紧实的特点是砂型紧实度在型腔部位高而 朝砂型背面方向逐渐降低。 高压压实则反之。 将两者相结合就使整个砂型紧实度 既高又均匀。 该机在动态预紧实方面采用了一项新技术： 折线型的升压曲线， 其 特点是开始升压速率很低， 而随后升压速率增大以达到较高的气体压力。 这样既 能使型砂能很好地充填很深的吊砂部位又能得到有效的预紧实。 型砂的终紧实是 用柔性压实进行高压压实来完成。目前在世界各国的铸造厂中已由 300多套

Georg Fischer Disa 公司的水平分型冲击造型系统在运行着。

HW公司展出了其气流一一压实造型系列化产品，该公司的水平分型气流预

紧实、高压终紧实的造型系统也有 300 多套在世界各国的铸造中运行着。

日本新东工业公司早在十年前即推出了以空气冲击预紧实、 高压压实终紧实 的APK系列水平分型有箱造型机。这种造型机在进行气流预紧实时其余隙中的空 气升压速率达到 40Mpa/s, 因此其实质上属于空气冲击紧实。

三．型砂处理向智能化质量控制方向发展 为造型机提供性能好而稳定的型砂是生产优质铸件的必要的条件。 对用于包 括空气冲击、 气流一压实、 垂直分型无箱射压等造型方法的型砂， 其性能有以下 要求：

1.在紧实率为40%寸型砂湿压强度约为200kpa。砂箱尺寸越大，湿压强度

也要越高。

2 ．上述推荐的湿压强度应在较低的膨润土含量条件下获得，这意味着型砂 应当很好混制即

应保证足够的混碾时间。 型砂混制是非常重要的， 不可忽视。 与 此同时，建议采用优质特别是耐用性好的膨润土。钙基膨润土应进行苏打活化。 3. 理想的型砂ME膨润土（亚甲基兰膨润土）含量不超过 9%含泥量不超

过 12%。

4．在造型机处的紧实率在 35%-40%之间。

为保证所需的型砂性能，现代化的砂处理系统首先其工艺流程要合理。

型砂处理的关键是旧砂处理。 旧砂处理的难点是热砂冷却， 即将回用砂的温 度降到不高于室温10°C,目前，在生产中使用的各种热砂冷却装置，都是利用 水的蒸发潜热来带走旧砂所含热量使之降温的。

国外近年来在智能化型砂质量控制方面有很大发展， 特点是利用计算机辅助 对型砂质量进行预防性控制。

预防性型砂质量控制的主要点是： 砂处理是一循环系统。 砂处理系统的基本 任务是保持系统砂各组成物料的动态平衡。由于浇注不同的铸件时砂铁比不同，砂芯量及所用芯砂不同，浇注后型砂各组分爱热烧损及混入型砂中的芯砂量也不 一样。因此应根据所浇铸件的具体情况来确定新砂、膨润土、煤粉的补加量，并 排除适量的旧砂，从而使砂系统的组分保持不变。

由于计算机应用的迅速发展，目前国内外的一些铸造厂已实现了按模板 （所 浇注的铸件品种）来调整向混砂机加料的配比，由此来实现使系统砂的组分保持 动态平衡。

为了实现砂处理的闭环控制，对型砂性能进行在线检测是必不可少的重要环 节。因为只有既保持砂系统组分的稳定又保证型砂主要性能波动范围窄， 才能使 型砂质量持久地符合生产优质铸件的要求。 经过三十多年的探索，国内外市场已 经推出了多种型砂性能在线检测装置， 它们的一些共同特点是：检测的项目主要 是紧实率和湿强度并采用气动。

四.树脂自硬砂工艺及设备日趋完善 树脂自硬砂特别适合于单件和中、小批量生产中、大型铸件，机床、矿山、 重型、石油、造船、通用等机械行业的铸造厂只需配备相对简单的设备即可组成 机械化生产。国外在五十年代末以来，随着树脂砂应用的不断扩大和技术进步, 所需用的成套设备日趋齐全和完善， 其中包括砂型落砂、砂块破碎、过筛、磁选、 再生、除尘、调温、树脂砂混制、砂型紧实、翻箱、起模、上涂料、干燥、合型 等工艺设备，以及新砂与旧砂运输、砂型运输等设备。近二十年来，树脂自硬砂 在我国铸造生产中逐步得到推广应用。

五.冷芯盒制芯用量在增加在成批、大量生产铸件中，三乙胺冷芯盒制芯的芯砂用量最大。 1997/98年 在德国其用量已达到总芯砂用量的 57%见表2。

表2 1997/98年德国批量生产中使用化学粘结剂的分布情况

制芯方法 三乙胺 1热芯盒1 壳芯 S02法 水玻璃法 甲基酚 醛树脂 其它 冷芯盒 温芯盒1 冗心 甲基 甲酸盐

57 16 9 6 5 4 2 〈0.

5

冷芯盒砂芯由于它是常温下在芯盒中硬化后取芯的，所以它可以达到很高的 尺寸精度。这种砂芯还可用来进行组芯造型， 即装配成精确的砂型，它特别造于 近终形铝合金复杂铸件(如缸体、缸盖)的生产。这种工艺被称精确砂型铸造 (Precission sand casting )。作者1996年先后访问了 Ford汽车公司在加拿

大境内的温莎铸铝厂及德国联合铝业公司 VAW在 Dillingen 的铸铝厂, 它们都采 用这种工艺生产缸体、缸盖。

作者1996年访问位于德国萨尔布吕肯的 Halberg Guss铸造厂时, 见到该厂 用空气冲击造型线生产并为德国大众汽车公司提供的轿车发动机铸铁缸体, 其大 部分壁厚〈3mm水套空腔最窄处仅2mm所用的砂芯也是由冷芯盒法所制。

制芯设备近年来有不小的变化。如果说射芯机构本身变化并不大的话， 但制 芯机的“外围设备”包括去除飞边、砂芯组装、粘结或紧固、浸涂料等设备组合

砂芯用量%