[科普中国]-铸造模型

简介

木型是机械制造行业中必不可少的组成部分。一件机械产品的大体制作流程是设计→工艺→木型→铸造→加工→组装。木型对铸造工艺个铸件质量有着直接的关系和影响，木型制作人员也是国内缺少的技能人才，木型工需要掌握木型工基础知识。铸造工艺,木型、芯盒的种类及制作要求，铸工造型及下芯方法等知识。

在铸造生产中用来造型和制芯用的模型叫做木型。木型中用来形成铸型型腔，叫做木型（模型、木模、模样）用来制作铸件的内腔、穿透孔和铸件外形不易驱除部分的砂芯，叫做芯盒。铸件都是根据图样的要求先制作出合格的木型，然后用这个木型造型，浇铸而成。木型是造型、制芯工艺过程中不可缺少的工艺装备。木型与铸件的形状、尺寸等直接有关，它是获得合格铸件的先决条件，对保证铸件质量，提高劳动生产率，改善工艺条件等都具有重要作用1。

铸造模型的温度场有限元分析铸造过程是一个液态金属充填铸型型腔的过程，不包括液态金属流过型腔并且冷却的过程，不考虑液体流动过程，仅仅是模拟在金属液体全部充满后冷却的过程，这个过程是包含了许多对铸件质量有重要影响的物理过程和现象。在长期的生产实践中由于缺乏考察这一过程，并且对整个冷却凝固过程没有确切的数据说明，只能依靠设计者的经验积累和现场试验，因此阻碍了铸造行业的发展。如果能对铸造过程进行模拟，对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种逐渐缺陷以及提高生产效率都非常重要。凝固过程温度场数值模拟可以实现以下目的：提供浇注冲型时序图，凝固过程可视化，预测缩孔，缩松等宏观缺陷，为预测铸造应力，微观组织等提供基础数据，分析评价并通过控制凝固条件优化铸造工艺，减少工艺准备失误率，缩短试制周期，降低试制成本。所以对铸造模型的温度场的模拟是十分有必要且意义重大。

铸造过程的温度场的模拟主要取决于热传导的问题，这个过程主要是液态铸件的冷却凝固过程与铸型的温度不断上升的过程，此过程为热传导，所以对于温度场的模拟主要抓住热传导理论。对于具体问题要具体对待，对于热传导问题主要考虑对流散热系数的选取，也就是边界条件，其中边界条件分三类：

第一类边界条件———温度边界条件，即物体与外界接触周界的温度已知。这类边界条件称为狄利克莱问题。

第二类边界条件———导热边界条件，即物体边界在法线方向上的比热流量已知。这类边界条件成为牛曼问题。

第三类边界条件———热交换边界条件，即在边界上已知物体与外部介质的热交换情况。

首饰精密铸造模型的工艺精密铸造是首饰批量生产过程中必不可少的一个环节，但在实际生产操作中，由于对精密铸造缺乏理论认识及在整个精密铸造过程中的每一工序缺乏准确的理解，往往会出现很多的不合格首饰铸件。针对在精密铸造过程中由于首饰蜡模不合格，最终导致不良首饰品的原因进行分析研究，提出具体的改进方案,以在生产实践中起到指导作用。

首饰精密铸造的操作过程利用精密铸造批量生产首饰过程可分为8个工序：①原模型：用贵金属或蜡制作模型并焊接浇道；②橡胶模具：橡胶模具的硫化与开割；③蜡模组：用橡胶模具注出蜡模并焊接成蜡树；④蜡模的完成：清洁蜡模表面；⑤石膏型：蜡模的石膏浆埋没真空脱泡及自然干燥；⑥脱蜡及焙烧：蜡的回收和石膏模的焙烧过程；⑦熔化金属：熔化要用的合金；⑧铸造：浇注成形。每个工序之间都有着必然的联系。为了获得良好的首饰铸件，每一工序都要严格按照操作规程进行操作，某一工序的疏忽，会导致首饰铸造品的不合格。

首饰原模型的制作精密铸造过程中首饰原模型的制作有2种方法，一种是用贵金属作为主要制作材料，手工制作原模型；另一种是用硬蜡进行雕刻完成原模型。主要研究用硬蜡雕刻首饰原模型至首饰蜡模型树的熔接等有关精密铸造模型部分中易出现的问题及解决措施。

在市面上虽有各种颜色、形状及不同硬度的蜡材料，但应用于精密铸造模型的可分为硬蜡和软蜡。硬蜡可应用切、削等方法来改变形状，配合使用锉刀或雕刻刀作细部形状的修正，从而可做出与创意构思完全一致的首饰作品。一般首饰蜡模的厚度约为1. 0 mm左右，若太薄的话，铸造时会妨碍金属液的流动性。此外，若首饰蜡模厚处与薄处相差太多，铸造后的首饰表面容易产生砂孔。因此在雕刻首饰模时要注意掌握厚度。软蜡则可用手来折、弯曲蜡片或利用线蜡来做成各种形状，当首饰的弯曲程度或厚度表现只看设计图较难理解时，可应用薄片状的软蜡，以雕刻刀切出所要的形状。软蜡片极易自由拿捏塑造出生动自然的曲线，可帮助灵感的发挥。将其作为设计构思之延展时，不但可充分掌握首饰作品的长度及厚度，亦可避免金属材料使用不当所造成的浪费，提高作业效率。

以蜡作为首饰原模型的加工工序，在上述8个工序中表现为要经过第3至第8工序完成，再通过精密铸造过程，转变成批量的首饰作品，即完成从首饰蜡模到贵金属的转变，是比较常用的技法，其中，蜡模在精密铸造阶段是将蜡模所占的空间转换成贵金属过程中不可或缺的有效工艺。而用贵金属制作的首饰原模型，可直接按照第1至第8的工序完成从原模型的制作到最终首饰品的整个过程。

在精密铸造的首饰原模型制作、首饰蜡模射出、焙烧及铸造后的锉削、抛光处理中，因产生收缩首饰品尺寸会发生变化，因此，首饰原模型应比首饰设计图增加1 %的尺寸。在首饰原模型的制作中易发生的缺陷及预防措施具体分析如下。

(1) 首饰原模型表面的抛光程度直接影响首饰蜡模表面的质量，因此首饰原模型表面不应有任何微小痕迹，抛光处理后如有必要，可进行镀镍处理。

(2) 首饰原模型浇道直径与长度的选择对首饰铸件也有很大的影响，浇道直径过小或长度过长的话，浇注时金属液不能充分流到铸模的每个角落而在中途凝固，导致不合格品的出现。在铸造时为了补充模具金属凝固时的收缩部分，一般浇道的长度为20 mm以内,但不能小于6 mm ，因为过短的话贵金属液在浇注过程中产生冲击2。

铸造模型的人性化设计人性化设计是指在设计过程中，根据人的行为习惯、人体的生理结构、人的心理情况、人的思维方式等等，在原有设计基本功能和性能的基础上，对设计品进行优化，使得使用者感到方便、舒适，是设计者的产品是否能够最大化的适用于使用者并被使用者接受的一种衡量标准。现代工业设计中，人性化设计应用的越来越广泛。从设计的本质来说，在产品设计过程中，任何观念的形成均需以人为基本的出发点。模具设计制造与使用维护之间的联系尤为密切，应该尽可能多地将人性化设计的理念应用到生产实践中。

从制造的角度进行人性化设计1.机床加工的可操作性

模型（芯）、模具人性化设计的任务之一，是使设计出来的产品方便制造。图1是一种芯盒的下型腔，其深度在130～180mm，如果做成整体，加工会非常困难，首先要粗加工，待热处理后再精加工，由于型腔过深，存在型腔的立面容易碰到加工中心刀具夹头，以及刀杆过长造成“让刀”而使得加工不到位的问题。将下型腔分成上下两个模块后，下层模块更容易加工，上述两个问题得到顺利解决。

2.材料利用率的最大化

铸造模型（芯）、模具设计不仅要考虑模具怎样实现铸造及其相关的生产过程，还要考虑材料利用率最大化。就芯盒来说，模块一般用热作模具钢或者冷作模具钢，模架用HT250或者QT500即可，而型腔中的部件也根据不同的功能要求选用不同的材质。

另一种上模块的形状，其突起部位高度在120mm左右，主要是形成冒口以及减砂之用。如果做成整体，会造成材料的浪费和加工时间的延长。改成平板+镶块后，大大节约了材料和加工时间。而且减砂块由于使用要求不高，可以采用45号钢等低成本材料。在生产过程中，大镶块往往采用上模块割剩下来的材料。

上下两半砂芯的组合，是半个砂芯的减重设计，合理的减重设计使得砂芯从240kg减至155kg，节省了35%的砂和树脂，同时也使排气更加合理，将铸件的废品率从8%降到了3%左右。

3.方便装配

金属型的抽芯结构抽芯整体是圆柱状的，但端面是斜面的，因此抽芯需要止转。如果直接在模块上打洞并且做止转，模型装配会非常困难，因此将抽芯导套和止转部分做成了镶块式的。结果表明，使用很方便。

从使用的角度进行人性化设计1.操作者的舒适性及安全性及模具维护的方便性模型（芯）、模具人性化设计的任务之一就是让使用者感到方便、舒适。这也是模型（芯）、模具人性化设计的最核心的内容。由于进气歧管的重力铸造模型相当复杂，除了气管处需要下砂芯外，弯管处也必须下砂芯。最初的工艺是将弯管补砂芯做成了一个大砂芯，下芯时必须将弯管补砂芯和主体气管芯一起下芯，两个砂芯加起来重达25kg，而金属型的温度又高达350℃以上，下芯时难度极大。而且，制芯过程中取芯时必须将弯管处的活块一起随砂芯取走，再将活块慢慢取下后放回芯盒中。这个过程也存在很大的问题：一是芯盒活块和砂芯超过20kg，二是芯盒模具与砂芯温度均在220℃以上，三是操作过程中要防止碰坏砂芯。导致操作工的劳动强度较大。

经过改进后的工艺，将弯管补砂芯做成了上、下两个砂芯，下芯时先下主体气管芯，再下弯管补砂芯下层砂芯，最后下弯管补砂芯上层砂芯。制芯过程中的取芯条件也得到了根本性的改善，生产效率提高了30%，同时操作工的劳动条件也得到明显改善。电线外包绝缘耐热防护层，线路布置得井井有条，电路、水路都通过专用快插接头与设备连结，既方便又安全。

在模具设计时一定要考虑到拆装、转运的方便性，见图8。采用叉车转运的，模架上要有方便叉车搬运的叉孔。采用行车吊装模具的，必须考虑吊环，同时要考虑吊装的平衡性。吊环的强度要保证能够承担模具的负重；吊环的位置要方便链条或者吊绳穿过；吊环不能影响模具的安装等。吊装孔的规格应尽量统一，以减少吊环的种类，方便工人操作。

出于管理的方便，模型（芯）、模具外观要有永久性的明显的识别标记，内容包括：产品名称或种类、模具编号、制造厂商名址、出厂日期等信息，特别是型腔内要有永久性的标记，以便进行质量的追溯。

2.生产利润的最大化

在制定模型（芯）、模具工艺方案时，在模型（芯）、模具的加热、壁厚、冷却、测温点设置、排气设置等环节多注意，尽量加快生产节拍，同时又充分考虑到生产同一个铸件所需的不同模型（芯）、模具的匹配性，以利于提将带有射砂嘴的型腔部分设置在虚线框的射砂面积之内，没有射砂嘴的型腔可以伸出射砂面积之外，这种布置的型腔范围远远超出了射砂面积，大大提高了制芯效率，实现了生产利润的最大化。

多角度的人性化设计随着科技发展，对于模具的人性化设计要求也在不断更新，并且呈现多角度、细节化的特点。如模型（芯）、模具的外观颜色要与车间规划匹配，以减少工人的视觉疲劳，也有利于工厂施行“5S”等精益化管理。

随着对铸件的要求越来越高，铸造厂在模型（芯）、模具上控制的细节也越来越多，例如缸盖重力铸造和低压铸造模具的冷却回路，铸造厂普遍要求每个管路单独控温，导致一副模具与设备连接的管路多达几十路，这时一定要在每个管路上做好标记，以便连接管路时识别。并且尽量采用快插接头，使得连接方便，又杜绝了“跑、漏、滴”的发生3。