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。

一．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MAGMASOFT、AFS SOLIDFICATION SYSTEM（3D）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AC Tech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）。

二．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

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 DISA230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≤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。

HWS公司展出了其气流——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%时型砂湿压强度约为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MB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℃，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

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、浸涂料等设备组合而成。造芯中心的某些工艺过程及工序间运输过去主要采用专用机械手来完成，但近年来已普遍采用通用机器人来实现。现代化的制芯中心是由微机通过可编程控器进行控制的。

现代化制芯中心的复杂程度与造型自动线是相当的，有的甚至超出了后者。

六．清理设备不断改进

对铸件进行表面清理主要采用抛丸清理机。铸造生产对清理设备的主要要求是：（1）迅速地将铸件内外表面全部清理干净；

（2）零部件的使用寿命长。可以说抛丸清理设备基本上就是围绕这两个要求而不断发展的。

由于表面清理是铸件后处理过程的一个重要环节，因此清理不同的铸件要有不同工艺参数。即使对于清理小铸件的连续式抛丸清理机来讲，也需要根据被清理铸件的材质（是灰铸铁还是球墨铸铁等）等及几何形状来设定铸件在抛丸区内逗留的时间和抛丸量等参数，以便使抛丸清理过程达到最优化。对于一些专用高效抛丸清理机，工艺参数的设定就更重要了。以一种水平转盘式抛丸清理机为例，在清理铸件时，机械手带动缸体自转的转速是可变的。缸体的顶端和底端在通过抛射区时其自转转速很低（甚至可以暂停旋转），以便使弹丸射流有充分时间将铸件复杂的内腔粘砂抛打干净。

抛丸清理设备主要由抛丸器、丸砂分离系统、除尘系统、铸件运载系统及弹丸循环系统五个部分组成。前三者大都采用通用部件，弹丸循环系统则由螺旋输送机（或振动

输送机）及斗式提升机组成，大都也属定型部件。因此，开发一种新的抛丸清理设备的一个主要任务就是研制其铸件运载系统。

只有采用完全干净的优质弹丸，才能实现抛丸机在技术上与经济上的最优化，弹丸中含砂增多将降低抛丸效率并急剧增加机器本身的磨损。因此丸砂分离系统是抛丸清理设备中十分重要的组成部分。应按照回用的弹丸中含砂量的多少，采用不同结构的分离系统（如风选十磁选，二次风选，风选）。

七．结束语

近十年来铸造技术有重大的发展，世际之交的各国铸造行业在不同程度上遇到来自行业内部和外部的巨大挑战。积极地将信息技术应用到铸造生产中看来是铸造厂使自己能在21世纪激烈的竞争中生存和发展的一个关键措施。