淺談國內(nèi)外消失模鑄造震實臺的發(fā)展現(xiàn)狀

　　郭鵬1 葉升平1 孫黃龍2

　　(1.全國消失模與V法鑄造學會 湖北 武漢，2.圣源機械制造有限責任公司 山西 永濟)

　　摘要: 震實臺是消失模鑄造必備的關(guān)鍵設(shè)備之一，振動緊實的效果直接影響到鑄件的成品率、尺寸精度、表面質(zhì)量以及產(chǎn)品的品質(zhì)。當前國內(nèi)鑄造廠家生產(chǎn)汽車渦輪增壓器中間殼殼體、發(fā)動機缸體、發(fā)動機缸蓋等高端復雜鑄件的廠家通常都存在以下兩個問題：首先，白模模樣的死角部位難以填砂的問題。其次，白模模樣變形的問題。筆者進而分析了當前國內(nèi)外消失模鑄造震實臺的特點和發(fā)展現(xiàn)狀。

　　關(guān)鍵詞：消失模鑄造;填砂;白模變形;震實臺

　　震實臺是消失模鑄造必備的關(guān)鍵設(shè)備之一，振動緊實的效果直接影響到鑄件的成品率、尺寸精度、表面質(zhì)量以及產(chǎn)品的品質(zhì)。隨著人們對消失模的認識和消失模技術(shù)的不斷發(fā)展，鑄造企業(yè)對加砂振動緊實越來越重視。

　　當前國內(nèi)鑄造廠家使用消失模鑄造工藝生產(chǎn)的鑄件類型越來越多，其中有許多形狀結(jié)構(gòu)較為復雜附加值較高的鑄件，如汽車渦輪增壓器中間殼殼體、發(fā)動機缸體、發(fā)動機缸蓋等。但這些復雜高端鑄件在生產(chǎn)中通常都存在以下兩個問題：首先，白模模樣的死角部位難以填砂的問題，這一方面與產(chǎn)品特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)，另一方面與當前國內(nèi)的震實臺無法形成滿足充填要求的定向砂子運動有關(guān)。通常的解決方法是使用人工手工在難填砂部位預先填埋樹脂砂，如圖1-1所示。這種方法最大的弊端是生產(chǎn)效率低下。它阻礙了消失模鑄造工藝實現(xiàn)自動化的大批量流水線生產(chǎn)，影響到消失模鑄造技術(shù)的進步。

　　以山東某公司使用消失模鑄造工藝生產(chǎn)六缸發(fā)動機機體為例。該公司使用樹脂砂預填工藝，在砂子中加入硅烷偶聯(lián)劑、酚醛樹脂等添加劑，然后進行攪拌。三個女工一天可以預填15-20個白模;對一個日產(chǎn)40個左右六缸發(fā)動機機體的鑄造廠家來說，至少得使用六個女工來做這項工作，才能滿足日常生產(chǎn)需求。而發(fā)動機主機廠通常要求與其配套的鑄造廠至少日產(chǎn)300-500臺機體毛坯，這在當下的消失模鑄造生產(chǎn)環(huán)境中是不可能實現(xiàn)的。所以至今為止，該廠家的所有產(chǎn)品都銷售到汽車配件維修市場，只能賺取微薄的利潤，根本無法獲得鑄造工藝改進所帶來的合理增值效益。

　　再以山西某公司為例，該公司針對消失模工藝生產(chǎn)干式缸體水道中預填砂的問題設(shè)計了多種工藝。一種是填樹脂砂，如上段所述，見圖1-1a;另一種是預填干砂，見圖1-1b,其具體步驟如下：(1)先將刷涂并烘干好的缸體白模的側(cè)面孔用質(zhì)量好的玻璃絲布膠粘封好;(2)在特制震實臺上從缸體上面孔中往進填70～140目、含SiO2≥98%的天然硅砂一邊填，一邊震，一邊塞，確保水道上部犄角旮旯亦填充緊實;(3)將缸體上面孔用質(zhì)量好的玻璃絲布膠粘封好。這種方法省去了做芯盒，制芯、下芯的工藝，避免了制芯、下芯和漂芯出現(xiàn)的缺陷，降低了成本，但其效率極低，無法實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

　　其次，白模模樣變形的問題，這一方面與產(chǎn)品特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)，另一方面與當前國內(nèi)的震實臺激振力不均勻或者過大有關(guān)。

　　通常的解決方法是使用木條拉筋等防變形措施，見圖1-2。這種方法是先將白模泡沫模樣在卡具上校正到符合要求的尺寸或形狀，再將這些部位用木條進行固定，并用熱熔膠粘接支撐，冷卻后取下卡具再進入下道工序。這種方法操作簡單，在控制離合器殼類圓形鑄件的失圓以及大型變速箱的關(guān)鍵定位尺寸方面，一定程度上確實能夠有所改善，降低了鑄件因變形而引起的廢品率，但因為木條搭接固定需要較多的人工來操作，所以其最明顯的弊端同樣也是生產(chǎn)效率問題，以及無法實現(xiàn)自動化生產(chǎn)的問題。

　　另一種解決方法是成對白模背扣粘接在一起進行防變形處理。這種方法主要針對大平板類、長條類鑄件，例如鐵路用墊板等鑄件。

　　研究表明，解決這兩個問題的關(guān)鍵在于消失模鑄造用震實臺技術(shù)的發(fā)展。國內(nèi)外的各種不同形式的震實臺很多，但一直沒有一個統(tǒng)一的標準來說明其震實充填和緊實效果的好壞，且至今尚沒有一種震實臺能夠徹底解決發(fā)動機缸體缸蓋類產(chǎn)品內(nèi)復雜油路水路的填砂問題。消失模鑄造震實臺的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

　　消失模鑄造震實臺的作用是使干砂在砂箱中產(chǎn)生動態(tài)流動，提高干砂的充填性能及其最終緊實度。在干砂振動充填時，比較理想的狀況是，干砂在振動過程中進行有序流動，在保證白模不變形的前提下，均勻地充填到模型的各個部位，使砂箱內(nèi)型砂獲得較高和較均勻的充填密度。

　　1. 國內(nèi)震實臺的結(jié)構(gòu)形式

　　(1) 砂箱夾緊式震實臺

　　1) 四周各布置一臺，中心底部放置兩臺，共六臺振動電機的結(jié)構(gòu)形式

　　這種結(jié)構(gòu)的震實臺為消失模鑄造企業(yè)所常用，它采用氣缸夾緊砂箱。在實際使用過程中，安全彈簧的氣囊抬升，起到很好的隔振作用。水平方向的四個振動電機可以產(chǎn)生X向和Y向的振動，而底部的兩個電機可以產(chǎn)生Z方向的振動。

　　2)雙振動電機的可夾緊式震實臺

　　對于普通結(jié)構(gòu)的消失模鑄件，雙振動電機的可夾緊式震實臺既可以達到緊實要求。因為雙電機驅(qū)動的可夾緊式震實臺采用不同的電機轉(zhuǎn)向，可形成不同振動模型。當雙電機反向轉(zhuǎn)動時，垂直方向的振動為兩電機的疊加，振動模型為一維直線振動(如圖1-6a)，有利于垂直充填;而雙振動電機相同方向轉(zhuǎn)動，可獲得較大的水平振動，其振動模型為二維橢圓形(如圖1-6b)。

　　根據(jù)泡沫模樣的不同結(jié)構(gòu)，采用不同的雙電機振動組合，可以獲得較好的緊實較果，參見表1-1所示。

3)兩側(cè)各裝有3個振動電機的抱夾式震實臺

　　如圖1-8所示，當4個水平安裝的電機同時朝圖示方向轉(zhuǎn)動時，垂直方向上的激振力互相抵消，只產(chǎn)生水平方向上的激振力。

　　如圖1-9所示，當4個水平安裝的電機同時朝圖示方向轉(zhuǎn)動時，水平方向上的激振力互相抵消，只產(chǎn)生垂直方向上的激振力。

　　(2)砂箱非夾緊式震實臺

　　1) 四周各布置一臺，中心底部放置兩臺，共六臺振動電機的結(jié)構(gòu)形式

　　(a)震實臺的正面 (b)震實臺的反面

　　2. 國外震實臺的結(jié)構(gòu)形式

　　國內(nèi)的合肥叉車集團、全椒柴油機集團、陜西法士特集團、福建龍工鑄鍛集團等公司紛紛引進了國外的整套消失模生產(chǎn)流水線設(shè)備，其中包括各式各樣的消失模鑄造用震實臺。現(xiàn)介紹如下：

　　(1) 垂直振動帶動橫向充填的振實臺

　　合肥叉車集團引進的是美國GK公司的震實臺。它具有高頻率、低振幅、振實效率高的特點。其臺面尺寸為1250mm*1250mm，可承載Φ812 mm X1010 mm砂箱，最大負載1210Kg，其中砂箱重450Kg，砂重760Kg。振動系統(tǒng)配備兩個5.5KW，3000rpm/min~6000 rpm/min變頻振動電機，在滿載情況下，振幅為0.2mm~0.5mm。高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生高頻振動，將干砂迅速緊實。頻率越高，擊振力越大，30秒內(nèi)可使型砂緊實度達到1.73g/cm3～1.78g/cm3。該振實臺只有垂直方向的振動電機。砂箱與振實臺不夾緊，振實臺上有三個等邊三角形的圓臺，砂箱底部對應有三個圓臺沉孔，與振實臺上三個圓臺相配合。由于加速度較大(1.6-2.2G)，砂箱被拋起后，自由落體下降，砂箱與圓臺頂面相碰產(chǎn)生垂直振動外，還不規(guī)則地同圓臺錐面相碰撞。產(chǎn)生無規(guī)則的橫向振動，從而實現(xiàn)任意方向的橫向充填，起到三維振動效果。為保證振動緊實后鑄型緊實度，采用反向旋轉(zhuǎn)方式緊急制動。

　　垂直震實系統(tǒng)由一個大的焊接結(jié)構(gòu)件和兩個偏心塊振動電機組成。振動電機安裝在震實臺的兩側(cè)，一側(cè)一個，或者直接安裝在震實臺的下面。支撐氣囊可以升起將振動部件和震實臺基礎(chǔ)或者其他聯(lián)接的設(shè)備(比如流水線輥道)分開。當它到達行程的最高點時，它接觸到砂箱的底部，使砂箱升起并和砂箱輸送流水線分開。兩個偏心塊振動電機通常在一塊接線，并且運行同一個可變的頻率，交流電機驅(qū)動。當他們運轉(zhuǎn)時，兩個電機以相反的方向旋轉(zhuǎn)，根據(jù)能量守恒定律來調(diào)整各自的相位角。兩個振動電機偏心塊在水平方向上產(chǎn)生的驅(qū)動力互相抵消，從而合成一個幾乎純粹垂直的正弦驅(qū)動力作用。只有在電機的轉(zhuǎn)速還沒有達到使震實臺和砂箱分開的程度時，上面那種關(guān)系才存在。在達到臨界速度時，偏心塊產(chǎn)生的驅(qū)動力使震實臺和砂箱在電機的每一個循環(huán)中分開一次。這個臨界速度完全由砂箱以及砂箱中砂子的重量所決定。當電機運轉(zhuǎn)速度高于臨界速度時，整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)從穩(wěn)定的正弦狀態(tài)變化到特別混亂的狀態(tài)。此時，震實臺與砂箱分開，隨后在下一個向上的行程中又一次撞擊砂箱。這種加載的撞擊激勵著整個砂箱，使砂箱底部和砂箱壁都振動。這會使型砂變的松散，填充進模樣型腔和倒扣部位。許多鑄造廠在廣泛應用這種型砂震實的方法。這種震實方法確實很簡單，但一旦振動電機的速度達到能夠創(chuàng)造出一種加載撞擊的振動模式時就只有很有限的能控性(即電機的轉(zhuǎn)速高于臨界速度時，不好控制)。

　　1—砂箱;2—振動臺;3—空氣彈簧;4—振動電機

　　圖1-12是一個水平震實系統(tǒng)的簡化動態(tài)模型。如圖所示，由旋轉(zhuǎn)偏心塊所產(chǎn)生的水平激振力沿著兩個帶有偏心塊的軸的中間的中心線。系統(tǒng)有兩個主要的部件，而每個部件都有其質(zhì)量中心。每一個部件的垂直和水平的質(zhì)量中心由其特有的幾何結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布特性所決定。整個系統(tǒng)的質(zhì)量中心是由由各個部件的質(zhì)量和質(zhì)量中心通過重量平均計算出來的。因為整個系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)的原因，這個質(zhì)量中心總是偏向系統(tǒng)中的砂箱的后面。在經(jīng)過“調(diào)?！钡乃秸饘嵪到y(tǒng)中，系統(tǒng)的驅(qū)動力中心和系統(tǒng)的質(zhì)量中心在垂直方向是對齊的。

　　(a)震實臺的正面 (b)震實臺的反面

　　在砂箱的落砂過程中，不斷加入的砂子引起整個系統(tǒng)在垂直和水平方向上的質(zhì)量分布的變化。這種質(zhì)量分布的變化引起砂箱的質(zhì)量中心在垂直和水平方向上相對于整個系統(tǒng)發(fā)生位置上的變化，進而引起系統(tǒng)的質(zhì)量中心的變化。通常的趨勢是：在裝箱循環(huán)剛開始時，這些質(zhì)量中心開始下移;然后隨著繼續(xù)落砂，這些質(zhì)量中心開始上移。圖1-14描述了在不同的百分比的裝箱的時候，砂箱和系統(tǒng)的質(zhì)量中心在垂直方向的位置。因為這些質(zhì)量中心的移動，激振力的中心高度和系統(tǒng)的質(zhì)量中心在整個循環(huán)中總是有一些錯位。這種錯位會導致在某一刻，會在平移加速度階段出現(xiàn)角度加速度。這種由錯位引起的角加速度以砂箱的垂直加速度的形式而顯著存在。當錯位的高度值增加時，由旋轉(zhuǎn)能量所產(chǎn)生的垂直加速度也增加。因為相對砂箱的前面而言，系統(tǒng)的質(zhì)量中心更靠近砂箱的背部，所以垂直加速度在接近砂箱的前面更顯著。

　　水平震實系統(tǒng)使它的使用廠家獲得了顯著的效益。水平系統(tǒng)所產(chǎn)生的振動可以使型砂的密度很快地達到它的最大值。一些獨立的研究結(jié)果表明，水平震實系統(tǒng)在填充白模型腔方面比垂直震實系統(tǒng)更加有效。由于水平震實系統(tǒng)中型砂振動的效果可以進行細微調(diào)整和控制，這給了消失模鑄造工藝發(fā)展的更多的靈活性。

　　水平震實系統(tǒng)也有一些局限性。因為系統(tǒng)質(zhì)量中心的非對稱性，砂箱上某一部分的垂直加速度比另一部分要高。另一個局限性是，系統(tǒng)中所有高速旋轉(zhuǎn)慣性所儲存的能量在震實循環(huán)結(jié)束之前必須釋放出去。此外，系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速被系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的共振和軸承潤滑要求所限制。這在一些大的震實系統(tǒng)中尤其明顯。這些系統(tǒng)中，機械剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計的更加困難，軸承要求更高的承載，以此來產(chǎn)生所需的加速度。夾緊機構(gòu)和震實系統(tǒng)的安裝框架需要設(shè)計的避免產(chǎn)生共振和其他不需要的振動模式。另外，水平震實臺所產(chǎn)生的砂子流動模型要求白模在砂箱中以特定的位置和朝向來擺放。

　　(3)意大利FATA公司的震實臺

　　如圖1-15所示，為意大利FATA公司的震實臺。該震實臺下方安裝兩個同步轉(zhuǎn)動偏心輪，兩偏心塊振動相位角相差90°。其工作原理是：當A輪向左振動時，B輪已向上振動，使砂箱內(nèi)的干砂向左上方拋起;轉(zhuǎn)過90，B輪偏心向右，A輪偏心向上，又使干砂向左上方拋起，但幅度較小些。FATA振動模型的橫向充填能力較強，并兼有向上充填效果。

　　1- 氣墊2- 同步處理器3- 振動電機4-萬向聯(lián)軸器 5- 傳動帶6- 電動機

　　(4)美國Vulcan公司的抱夾式振實臺

　　美國Vulcan公司的振實臺VECTOR-FLO®(見圖1-16所示)采用4個氣缸將砂箱夾緊并升舉，變頻振動源來自砂箱兩側(cè)的各兩對偏心電機，每對偏心電機的相位差在0-90°之間自動調(diào)整。該振實臺可根據(jù)鑄件的需要，實現(xiàn)向上振動充填、向下振動充填，還可以完成向上與向下復合振動充填即實現(xiàn)圓周振動充填，解決水平盲孔和一定向上高度的充填和緊實難題[20-21]。

　　它在結(jié)構(gòu)和操作上都與其他任何當前使用的震實系統(tǒng)技術(shù)不同。新的震實系統(tǒng)不僅能改變砂箱振動的頻率，而且還能改變振幅和振動方向。此外，改變振動頻率、振幅、振動方向不需要對震實系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，而且在震實循環(huán)進行的過程中就可以進行調(diào)整。這個系統(tǒng)由3個主要的部件構(gòu)成---系統(tǒng)基座，振動框架和砂箱。這個型砂震實系統(tǒng)與先前介紹的震實系統(tǒng)有一些明顯的不同之處。

　　如圖1-16的截面圖所示，砂箱四周被振動框架所包圍。安裝在震實臺上的夾緊系統(tǒng)利用4個液壓油缸向下壓緊在砂箱的加強筋上。這種夾緊方式始終作用在砂箱上，以確保夾緊連接處總是處于預加載的壓緊狀態(tài)下，而非張力狀態(tài)。這個系統(tǒng)是這樣設(shè)計的：質(zhì)量沿砂箱移動軸向的鏡像線對稱分布，同時垂直于砂箱的運動方向。在垂直方向上，系統(tǒng)相對于其質(zhì)量中心是大約對稱的?？梢允股跋渫ㄟ^的震實系統(tǒng)的開口通道也可以容納砂箱的輸送輥道。

　　四個裝有偏心塊的振動電機產(chǎn)生系統(tǒng)所需的激振力。這些電機與普通振動電機的使用并不相同。它們設(shè)計的有一個調(diào)節(jié)器，這個調(diào)節(jié)器與位置反饋編碼器相連接。這個編碼器不僅能檢測電機的轉(zhuǎn)速，還能檢測電機的偏心塊與零位或者基準位之間的夾角，以及偏心塊當前的位置。對每一個電機的加速度、速度、位置反饋的控制共同構(gòu)成了對系統(tǒng)的控制。這個控制系統(tǒng)利用一個電機驅(qū)動連接線去電子化地同時驅(qū)動震實系統(tǒng)的四個電機。這能讓四個電機以完全相同的速度運轉(zhuǎn)，同時能讓1，2，3號“跟隨”從動電機相對于“參照”主動電機有一個精確的相位角。這種相位控制能力通過取消或者添加離心力矢量，使震動系統(tǒng)有幾乎無限多種振動模式可供選擇。在運轉(zhuǎn)過程匯總，控制系統(tǒng)給四個振動機一個“狀態(tài)矢量”命令，其中包括給另外三個“跟隨”從動電機提供參考的“參照”主動電機的轉(zhuǎn)速和相位角的設(shè)置。然后電機控制系統(tǒng)使各個電機相對于其他電機在正確的相位角度定位，然后讓他們加速或者減速到正確的轉(zhuǎn)速同時保持相位角的偏移量。

　　(a)空振動 (b)純水平運動 (c)純垂直運動

　　3. 總結(jié)

　　對所有用消失模鑄造工藝來生產(chǎn)的鑄件來說，把好的產(chǎn)品設(shè)計和對鑄造工藝要求的透徹理解結(jié)合起來是很重要的，尤其是在消失模工藝的型砂充填和震實環(huán)節(jié)。這主要是因為型砂充填和震實環(huán)節(jié)是一個決定成敗的環(huán)節(jié)。另外一個原因是，型砂充填和震實環(huán)節(jié)是影響生產(chǎn)效率的瓶頸環(huán)節(jié)，因為生產(chǎn)率很大程度上取決于填砂和震實工序所需要的時間。有一些產(chǎn)品是不適合使用消失模鑄造工藝的，因為其泡沫模樣太過于柔韌易損或者模樣型腔很難填充進砂子。填砂震實需要的時間常常限制了整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

　　這些年型砂充填震實設(shè)備的技術(shù)發(fā)展很快，出現(xiàn)了越來越多的技術(shù)非常先進的震實系統(tǒng)。這些新的震實系統(tǒng)把消失模工藝中型砂充填震實操作的能力和多功能性帶到了一個完全新的水平。相對于現(xiàn)有的震實系統(tǒng)，這些新的震實系統(tǒng)既增加了生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力，也增加了產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計的彈性。

　　作者：郭鵬，華中科技大學文華學院教師，全國消失模與V法鑄造學會副秘書長