張海勛1 張建滿2
(1.天瑞集團鑄造有限公司 河南汝州 467500;2.華中科技大學 湖北武漢 )
摘要：對于中小型鑄造企業(yè)，結合企業(yè)特點和V法鑄造的特性，在生產線方案和布局設計、工藝設計、工裝模具的設計制備、主要原材料選用、熔澆設備的選定等方面進行合理性、適宜性和經濟性選擇，避免盲目投資，實現V法鑄造的經濟、高效、環(huán)保、安全、可靠的多品種、中小批量生產，推動V法鑄造技術的長足發(fā)展。
關鍵詞：中小型企業(yè) V法鑄造技術 注意事項
1. 前言
V法和消失模鑄造同為我國同時期引進的第三代物理成形鑄造技術，消失模鑄造技術的推廣和發(fā)展迅速，發(fā)展勢頭良好，鑄件質量和工藝工裝技術水平都有較大的提高，企業(yè)經濟規(guī)模不斷擴大和提升。近年來，因環(huán)保、能耗和勞動力的限制使得大量的國外鑄件生產轉入中國。同時，國內鑄件需求亦不斷增加。客戶在不斷提高鑄件內部質量要求的同時，也不斷提高對鑄件表面質量的要求。然而，中國鑄造行業(yè)的一片繁榮也帶來了環(huán)境污染加重、能源消耗增加和重體力勞動力資源短缺等一系列問題。為此，我國加大對鑄造行業(yè)的限制，抬高鑄造企業(yè)準入門檻，促使國內鑄造技術和鑄造企業(yè)更新換代。
V法鑄造和消失模鑄造一起被譽為 “21世紀鑄造新技術”和“綠色鑄造技術”， 既符合國家“綠色制造”產業(yè)政策又符合企業(yè)效益需求和客戶的產品質量需求。消失模鑄造技術在鑄鐵領域廣泛應用和推廣，鑄鐵類鑄件質量得以大幅提高，使得客戶對鑄鋼件質量的期冀不斷增強，促使鑄鋼企業(yè)在V法鑄造和消失模鑄造技術方面投入越來越多的探索和實踐，尤其是中小型鑄鋼企業(yè)。緣于國家對鑄造企業(yè)更高的準入要求，新增鑄造企業(yè)和原有鑄造企業(yè)的擴建均面臨國家產業(yè)政策的限制，環(huán)境污染和能源消耗方面的評審尤其嚴格。企業(yè)鑄造技術的創(chuàng)新一來提高了鑄造技術水平，同時也易于獲得高新技術企業(yè)性的國家扶持。這樣一來，V法鑄造和消失模鑄造作為“綠色鑄造技術”的優(yōu)勢就更加突出，成為新增鑄造企業(yè)和鑄造企業(yè)擴建的首選。V法鑄造和消失模鑄造在適用方面存在差異，鑄鋼企業(yè)更多選擇V法鑄造技術，近年來， V法鑄造成套設備、工裝模具制作水平、關鍵原輔材料(EVA薄膜、涂料等)的保證能力不斷提升，越來越多的鑄造企業(yè)投入V法鑄造生產實踐，V法鑄造工藝技術獲得了長足發(fā)展。
個人從事V法鑄造生產鑄鋼產品實踐十余年，在V法鑄造生產線方案選擇和布局設計、工藝和工裝設計、原輔材料選用、鑄件質量控制等方面，積累了一些經驗和教訓，并就注意事項進行了總結，希望能對中小型V法鑄鋼企業(yè)提供幫助，實實在在地推動V法鑄造技術向前發(fā)展，并得以廣泛應用。
2. 鑄鋼件V法鑄造生產線方案和布局的選擇及確定
企業(yè)根據考察、分析并確定立項后，應組織工藝技術和設備及生產部門進行生產線方案的初步構想，并結合產品類型、結構和生產綱領確定設計方案的要求。一條V法生產線投入不菲，不可輕率，在自己經營不足的情況下，必須組織實踐經驗豐富的技術人員進行咨詢、討論，結合企業(yè)的投資能力、產品市場周期和匯報率、生產綱領、環(huán)保要求和能力、生產工藝流程等方面確定生產線的組成方案、布局、自動化程度及投資規(guī)模。必須根據企業(yè)確定的工藝、方案、目標和要求進行V法生產線的設計、采購和制作，鞋子合適不合適，只有腳知道，不可做“削足適履”的蠢事，也不可盲目投資。近年來，不少企業(yè)看到了V法鑄造技術的優(yōu)勢，紛紛上馬，設備制造企業(yè)也如雨后春筍般涌現。出現了不少“削足適履”和“削履適足”的情況，也有上馬就下馬的情況，不是設備不適宜，就是質量不合格，嶄新的生產線無法正常運行。
2.1 生產線自動化化程度的選擇
目前，V法生產線存在自動化程度高低并存，且半自動化居多的情況。對于自動化程度的高低，應根據企業(yè)的實際情況和產品生產的實際需要，不可盲目追求高自動化。國內的V法生產線設計水平和制作能力已經獲得長足的提高，但是，真正具備較高設計能力的不多，仿制的較多，尤其在整條生產線的自動控制和真空自動切換方面仍然沒有完全掌握核心技術，在一些關鍵節(jié)點處通過變通處理維持整條線的運行，事實情況就是這樣。
目前，國內設備廠商在高自動化的V法生產線的設計和制作上還存在實實在在的不足，在一些系統上還不能很好地解決一些難題，給鑄造企業(yè)造成一些無奈。
同時，高自動化系統龐大繁雜，各系統銜接要求嚴格，設計難度大，制作成本高，投資規(guī)模自然龐大，適合大型鑄造企業(yè)，中小型鑄鋼企業(yè)會望而卻步;另外，生產效率的高低取決于產品的結構和生產工藝及在線模具數量，不便簡單地計算、比對，而一旦運行不順暢，生產效率就顯得并不是很高。
高自動化的V法生產線對于操作和維修、保養(yǎng)的要求較高，高素質操作人員和設備維保人員的要求對于中小型鑄鋼企業(yè)來說，無疑要大大提高其人力資源成本，甚至無法滿足生產線對這些人員的要求，并且容易出現一個環(huán)節(jié)發(fā)生故障全生產線停止，甚至砂型垮塌。高自動化的V法生產線的運轉成本也是不菲，中小型鑄鋼企業(yè)的單位制造成本上漲，產品的市場競爭力何存?
所以，對于V法鑄造生產線的自動化程度的選擇必須慎重，滿足企業(yè)投資能力、生產規(guī)模和成本控制要求即可。
2.2 生產線功能子系統布局的選擇
為了達到結構緊湊、占地面積小的生產線，有不少V法鑄造生產線的布局集中在一個生產車間或者連通的幾跨廠房內，結果是生產線的各個子系統相互影響，造成整個V法生產線污染特別嚴重，工人勞動環(huán)境極差，車間里充斥著大量的粉塵和噪聲污染，即使投入大量的環(huán)保措施，也無法達到政府環(huán)保要求和對員工身體健康的有效保護。一些企業(yè)上馬V法鑄造生產線的目的，除了達到V法鑄造技術“綠色鑄造”和提高鑄件表面質量的目的外，提升企業(yè)門面的目的也在其中。
根據生產實際需要，V法鑄造生產線布局設計時，根據V法鑄造生產線的工藝和生產布局要求，將真空系統(即真空泵組)單獨安放在一封閉車間，包括水循環(huán)及水冷卻系統，就是采取隔離措施。真空泵組車間采取專業(yè)的降噪措施，降低噪聲污染。
同時，將開箱、落砂系統也采取隔離措施，單獨安放在一個專用空間，除塵、降溫措施在小范圍內布設，減少粉塵污染和高溫影響，以及為此而進行的資金投入。
砂處理系統靠近真空泵組水循環(huán)及水冷卻系統布局，與其共用水循環(huán)及水冷卻系統，避免重復投資或減少設備投入。
將V法鑄造生產線的造型、制芯、落芯合箱、澆注、冷卻布局在一起，其它功能子系統采取隔離措施，車間的粉塵、噪聲及高溫影響大大減弱。如果再適當地采用降塵和通風措施，效果更好，無論是正常生產狀態(tài)，還是相關單位參觀考察，甚至環(huán)保檢查、評審，都能收到較佳效果。
2.3 造型系統方案和布局的選擇
V法鑄造生產線是由多個功能子系統組成的一個封閉循環(huán)，一般情況下而言的V法鑄造生產線主要是指造型部分。V法鑄造生產線的形式多種多樣，主要的形式有固定式簡易V法造型機組、轉臺式V法造型系統(兩工位轉臺造型系統、四工位轉臺造型系統、雙轉臺式四工位造型系統、六工位轉臺式V法造型系統、雙轉臺八工位造型系統)、梭動小車式V法造型系統(一造型工位穿梭式V法造型機、兩個造型工位梭動式V法造型機)、帶振動臺車移動式V法造型系統、一字形組合式V法鑄造機組(見圖2-1)。
目前，固定式簡易V法造型機組已經被淘汰，帶振動臺車移動式V法造型系統成為目前我國V法鑄造的主流設備，大中小型V法鑄造企業(yè)均適用。而一字形組合式V法鑄造機組則適用于大型V法鑄造企業(yè)，這種V法鑄造生產線的投資規(guī)模龐大，設備龐大繁雜，自動化程度和技術含量較高，占地面積較大，投入的模具數量較多，對于一般中小型V法鑄造企業(yè)而言，不太適合，對于那些大型V法鑄造企業(yè)來說，甚至還有“妝扮門面”的效能，一個國家這樣的大型V法鑄造生產線也僅有那么三兩條，實際的運行成本也較高，適用于大批量常態(tài)化單一產品的生產，天瑞集團鑄造有限公司引進德國HWS(豪斯)公司(即瓦格納新東公司)的V法造型線就是該類型，它用于中國鐵路、北美鐵路和獨聯體國家鐵路用搖枕、側架的大批量生產。為提高其生產效率，該生產線運行模具達到10套(即上下模各10件)。通過對形狀復雜、高質量要求的V法鑄鋼件搖枕、側架的工藝技術的長時間不斷探索，使得天瑞鑄造的這條一字形組合式V法鑄造生產線成功運行，這也是德國HWS(豪斯)公司制作的用于V法搖枕、側架鑄鋼件生產的生產線中最成功的一條。據調查，德國HWS(豪斯)公司給俄羅斯制作的轉臺式搖枕、側架生產線，因其廢品率高居30%(初期達到50%)而躊躇不前，德國HWS(豪斯)公司2011年給俄羅斯季赫溫車輛廠制作的搖枕、側架生產線也因廢品率太高而停止運行，烏克蘭提供給白俄羅斯的搖枕、側架V法鑄造生產線也因與企業(yè)原有設備的不配套而不能正常運行，我國鑄造設備廠家與德國HWS公司配套的哈薩克斯坦東方公司的搖枕、側架V法鑄造生產線至今還在調試。
對于我國的中小型V法鑄造企業(yè)，還是采用帶振動臺車移動式V法造型線比較適合，尤其是該類造型線的兩種優(yōu)化和改進結構，實用高效。在此，將天瑞鑄造設計、制作的四工位帶振動臺車移動式V法造型線和帶振動臺車移動式封閉V法造型線進行詳細介紹。
四工位帶振動臺車移動式V法造型線：
一般的帶振動臺車移動式V法造型線，其平面布置如圖2-2所示，移動車自帶振動臺，上下箱分開造型，而造型過程分解為三個工位。Ⅰ工位完成面薄膜加熱、覆膜成型以及噴涂涂料，Ⅱ工位完成加砂和振實，Ⅲ工位完成覆背薄膜、砂箱抽真空和頂桿起模。帶振動臺車移動式V法造型系統特別適合生產中大型鑄件如平衡重等鑄件，設備投資不大，目前成為我國V法鑄造的主流設備。
1上箱振動小車； 2下箱振動小車； 3覆膜裝置；4吸膜臺；5上箱雨淋加砂裝置；6下箱雨淋加砂裝置；
7砂斗；8上箱起模裝置；9上箱翻箱機；10合型轉運車；11下箱翻箱機， 12下箱起模裝置；13舉升臺A；
14鑄型輸送輥道；15空箱返回輥道；16舉升臺B；17落砂柵格
一般的帶振動臺車移動式V法造型線，從其平面布置圖上可以看出該布局比較緊湊。但是，該布局不符合鑄件的生產和工藝流程要求，特別是內腔坭芯較多的鑄件，給制芯及制芯的轉運和落芯操作帶來諸多不便，坭芯破損嚴重，影響鑄件內腔質量。另外，由于造型過程只有三個工位，生產效率偏低，且不適合多品種輪番混合生產的需要。根據生產工藝流程、提高單位時間生產效率及滿足多品種生產的要求，天瑞鑄造設計、制作了如圖2-3所示的四工位帶振動臺車移動式V法造型線，移動車自帶振動臺，上下箱分開造型，而造型過程分解為四個工位。Ⅰ工位完成面膜加熱、覆膜成型，Ⅱ工位完成澆冒口粘接、噴涂涂料和涂料烘干，Ⅲ工位完成加砂和振實，Ⅳ工位完成覆背薄膜、砂箱抽真空和頂箱起模。該形式生產線可以同時有兩套模具在進行造型生產，將澆冒口粘接、噴涂涂料和涂料烘干工作轉移至另外一個崗位，帶振動移動臺車只負責覆膜、加砂和振實，完成覆背膜和頂箱起模，大大提高造型效率。上下箱造型之間騰出制芯和落芯空間，使得造型、落芯、合箱工作順序進行，避免坭芯遠距離搬運，保證生產線順暢、高效和提高鑄件質量的要求。目前，天瑞鑄造的該類V法造型生產線日產鑄鋼搖枕、側架60噸。
帶振動臺車移動式封閉V法造型線：
帶振動臺車移動式封閉V法造型線是對八工位轉臺式V法造型系統和帶振動臺車移動式V法造型系統的綜合、完善，一般的八工位轉臺式V法造型系統如圖2-4所示，系統組成和操作分為：Ⅰ工位，薄膜加熱、覆膜;Ⅱ工位，人工操作粘接澆冒口、檢查、修膜;Ⅲ工位：噴(刷)涂料;Ⅳ工位：涂料烘干;Ⅴ工位：放空砂箱;Ⅵ工位：加砂震實;Ⅶ工位：刮砂蓋膜;Ⅷ工位：頂箱起模、鑄型移出。
1-模樣存放;2-覆膜機構;3-薄膜卷筒支托架;4-覆膜后粘接澆冒口及人工檢查;5-八工位轉臺;
6-噴(刷)涂料;7-涂料烘干;8-放置空箱;9-貯砂斗及振實臺;10-背膜卷筒支托架;11-背膜機構;
12-頂箱起模、鑄型移出
帶振動臺車移動式封閉V法造型線呈封閉的框式布局，取消了轉盤，各工位的轉動改為移動，通過滾動輸送完成，轉向工作與移動式相同，采用轉向推動小車完成。該類生產線為上下模同線，可根據生產效率和場地條件進行一套及一套以上模具同線生產，節(jié)約生產場地，提高生產效率，解決轉臺式生產線生產中大型鑄件設備龐大的問題，且設備投資小。
2.4 造型系統其它注意事項
對于V法造型線系統的設計、制作，在以下幾個方面還需要注意。
覆膜機構距離模具型板的高度問題。V法造型時盡量縮短覆膜時間，以便于在薄膜降溫很少的情況下完成覆膜、成型。如果覆膜機構距離模具型板高度較高，覆膜結構下行覆膜時間較長，薄膜降溫較大，覆膜成型困難，造成太多覆膜成型不良的情況，甚至薄膜破裂，影響鑄件質量。另外，冷模進行覆膜時模具本體溫度較低，覆膜成型困難，需要對模具進行烘烤、升溫，可以利用覆膜機構烘烤器對模具進行烘烤、升溫。如果覆膜機構距離模具型板高度較高，則無法進行對模具烘烤、升溫，或者操作困難，或升溫效果極差，制作專用的設施對模具進行烘烤、升溫。
鑄型脫模機構?，F在的V法造型系統中的鑄型脫模結構多采用翻轉機構直接進行鑄型起模和翻轉操作，由于翻轉機構與砂箱的精準定位難以實現，致使翻轉機構在起模時由于定位偏差造成鑄型偏移變形，涂層破裂和疏松，甚至薄膜破裂，定位芯頭間隙增大。落芯、合箱后出現芯頭處刺破薄膜漏氣、掉砂，坭芯定位不準導致鑄件壁厚嚴重不均等等。為此，對于鑄型脫模，建議采用增設頂箱起模機構，在頂箱起模機構完成頂箱起模后，采用翻轉機構移出和翻箱操作，或采用起重設備移箱、翻轉機進行翻箱操作，避免因翻轉機構與砂箱定位不準造成的鑄型偏移變形、涂層破裂和疏松、薄膜破裂等缺陷。
3. 鑄鋼件V法鑄造工藝的設計
對于V法鑄造工藝的設計，不是只完成單個鑄件的工藝設計，應該是先完成單個鑄件的澆冒口系統、坭芯設計、透氣設計、冷鐵等的設計，然后，根據工廠現有V法裝備的實際和生產效率等進行模具的工藝布置設計，合理布置，重新進行澆注系統的優(yōu)化設計。之后進行模型體和型板上的抽氣塞設計(大小、位置、間距等設計)，抽氣塞的設計必須自行進行，不能交由模具設計和制作單位進行，抽氣塞設計是否合理對后續(xù)生產中的覆膜效果影響很大，同時影響生產中抽氣塞破損、堵塞后的更換。上述工作完成之后開始進行砂箱的設計工作，抽氣布局要合理，尤其是澆口和冒口附近，由于薄膜氣化和涂層受熱嚴重，真空泄漏較多，應在該部位增大真空抽氣量，保證該部位的負壓滿足實際需要。在進行砂箱設計時，不能只考慮真空度是否滿足，砂箱的負壓室容積必須保證足夠的抽氣量，否則，即便是真空度足夠，抽氣量不足同樣造成鑄型緊實率不足、砂型硬度不夠，澆注過程中甚至會由此產生砂型垮塌。
3.1 多品種、中小批量生產工藝的設計
對于中小型鑄造企業(yè)，多為小批量多品種生產。為此，該類型鑄造企業(yè)的V法鑄造生產線應符合小批量多品種生產的需要，同時滿足某一產品中批生產的需要。有些中小企業(yè)的V法鑄造生產線采用上下模共線、多套模具順序移動的設計，致使企業(yè)模具投入較大，因多套模具順序移動單箱造型周期過長，生產效率低下。
在V法鑄造生產線符合小批量多品種生產的要求外，相應的工藝設計也應符合這一要求。工藝設計人員應在生產線最大鑄型輪廓的前提下進行工藝設計?？梢园凑斩嗉残瓦M行工藝布局設計;可以根據產品外型、結構和規(guī)格大小進行分類，采用共用底板框和小底板組合的形式進行多品種共型的工藝設計。通過多件共型達到提高生產效率之目的，通過共用底板框和小底板組合的形式實現多品種同時生產或輪番生產的目的，從而實現多品種中小批量生產的需求和效益。
3.2 澆注系統(包括冒口)的設計
對于澆注系統的設計，不少文獻和資料均有詳盡解說，在此不再贅述，僅就注意事項簡要說明。
澆注系統盡量采用半開半閉方案，這種扼流型澆注系統可以有效避免高紊流狀態(tài)發(fā)生，可以降低金屬液在充型腔過程中的流動速度和對型壁、坭芯的沖擊，減少鑄造缺陷。
盡量采用陶瓷材料成型澆注系統，避免鋼水長時間沖刷澆道而造成由于夾砂、夾涂料產生的鑄造缺陷。
盡可能采用中間澆注方式，這樣可以減少因底注造成對上型壁長時間烘烤造成塌型、上型凹陷、薄膜和涂料產生的氣孔等，亦可減弱頂注產生對下型壁和坭芯的沖擊、紊流和裹氣等缺陷。
合理布置冒口，尤其是明冒口布置，一般應布置在澆口附近和遠離澆口的鑄件末端，便于透氣和排氣，易于鑄件成型和減少氣孔。
3.3 砂芯的設計
砂芯的設計主要是排氣問題，在砂芯的分芯面上開挖排氣和集氣通道，在這些通道上扎制砂芯內部排氣孔，再將這些排氣和集氣通道進行匯集，通過匯集點向鑄型外排出，使得砂芯內氣體有效排出型外，避免氣孔和鑄件內壁氧化等缺陷。具體操作見圖3-1、3-2。
3.4 澆注速度、真空保持時間的設計
由于V法鑄造的真空特點，澆注過程中，外型和坭芯均處于真空狀態(tài)，其澆注充型的能力遠大于其它鑄造工藝。鑒于V法鑄造冷卻緩慢和真空特性，澆注溫度不宜偏高，目的是為了避免或減弱收縮類缺陷。
在通氣和排氣系統適當的情況下，在澆注末期透氣孔不出現“嗆火”狀態(tài)下可以提高澆注速度，滿足產品質量前提下，可以在平常澆注速度的基礎上提高20%～30%;澆注終了的點澆等與其它工藝相同。
4. 鑄鋼件V法鑄造用工裝模具的設計及制作
4.1 多品種、中小批量生產用抽氣箱和模底板的設計
目前，仍有部分企業(yè)的V法鑄造用抽氣箱和模底板分體設計的狀況。隨著V法鑄造技術被越來越多的鑄造企業(yè)采用和V法鑄造技術不斷推進，現在的抽氣箱和模底板多采用一體化整體制作，采用定位銷、導向銷和特制箱夾機構確保加砂振實過程中砂箱、抽氣箱和模底板定位精準、整體振動，實現制作工藝簡化、操作簡單，避免鑄型緊實率偏低、涂層破裂等現象。
4.2 多品種、中小批量生產用模具的設計
由于中小型鑄造企業(yè)多為多品種、小批量生產模式，對于這類企業(yè)的V法鑄造用工裝模具，應按照其生產特性進行設計和制備。按照多件共型進行工藝布局設計;根據產品外型、結構和規(guī)格大小分類，采用共用底板框和小底板組合的形式進行多品種共型的工藝設計。在實現多品種中小批量生產的同時，達到高效生產。
在V法鑄造技術引進后相當一段時間內，V法鑄造的模具多為木模結構。對于單件小批生產而言，還能夠滿足鑄件尺寸精度對于模具的要求。但是，由于V法振實的需要，木模的強度、剛度及其與型板的聯接固定均不能充分滿足生產和鑄件尺寸精度的要求，特別是木模經過一段時間生產使用后，模型體與型板間的金屬聯接因連接件的木質和金屬性能存在巨大差異，模型體與型板間定位間隙增大，二者發(fā)生較大錯移，致使鑄件發(fā)生錯型等缺陷，無法滿足鑄件尺寸精度要求;同時，由于木模承受機械振動的能力限制，木模容易破損、失效，對于那些大型的由多層疊加組合的木模尤為明顯;由于木質模具易于吸收空氣中的水分，尤其是處在南方的鑄造企業(yè)，在不斷的生產或存放工廠中，木模容易產生整體翹曲等變形，造成木模失效、報廢。
在V法鑄造生產實際中，不斷進行V法鑄造模具材質選用和制作工藝的探索。鋼骨架的環(huán)氧樹脂塑料模優(yōu)于木模，但環(huán)氧樹脂的毒性危害、恒溫固化及容易粘膜等不足，不能很好適用于V法鑄造模具的制作和生產;球鐵由于強度和耐磨性適中而被廣泛應用于模具制作，球鐵模具吸熱較慢放熱也較慢，V法鑄造覆膜時EVA薄膜溫度和球鐵模的溫差大，致使EVA薄膜溫度下降幅度較大，覆膜困難，只有在開工生產之前對球鐵模具進行預熱處理方可滿足覆膜要求。在常用金屬中，鋁的比熱容相對較大，達到0.88KJ/Kg .℃，而鋼、鐵的比熱容只有鋁的一半多點，為0.46KJ/Kg .℃。根據比熱容大吸熱快散熱也快的特性，用金屬鋁(或合金鋁)制作模具，模具烘烤預熱速度快、儲熱量大，覆膜時鋁模和EVA薄膜的溫差小，不粘膜，對EVA薄膜成型影響較球鐵模小。所以，鋁模較球鐵模更適于制作V法鑄造模具。天瑞鑄造自2004年開始使用鑄鋁模具至今，使用狀態(tài)一直穩(wěn)定，所有的V法鑄造模具均采用鑄鋁材質。
木模由于組織疏松，即便同樣采用加工中心進行模具制作，其表面粗糙度仍然大于鋁模和其它金屬模具，即便最后采用拋光處理后表面光亮，根據誤差復映規(guī)律，其平整程度還是不及鋁模。鋁模情況如圖4-1、4-2所示。
4.3 多品種、中小批量生產用砂箱的設計
適用于中小型V法鑄造企業(yè)生產的模具采用了適合多品種、中小批量生產的模具，那么，與之配套的砂箱也應盡可能采用共用設計，減少V法鑄造用砂箱的類型，更好地適用于生產線生產的需要。不管是多件共型，還是多品種分組共型，在進行砂箱設計時，應按照工藝設計實際進行多件共型和多品種分組共型的砂箱設計，實現“一箱多用”，減少砂箱制作的投入和便于組織生產線生產。
5. 鑄鋼件V法鑄造用主要原輔材料的選擇
V法鑄造的三個關鍵元素即真空、V法鑄造用EVA塑料薄膜和V法涂料，這三個元素不但是V法鑄造的充要條件，同時，選擇和處理不當會引發(fā)一系列的鑄造缺陷。所以，對于V法鑄造用主要原材料需要根據工藝、質量和合理性等方面進行綜合性選擇。
5.1 V法鑄鋼用涂料的選擇
V法涂料之于V法工藝生產鑄鋼件而言，屬于關鍵材料。除了起到耐火、防止粘砂的作用外，澆注過程中在薄膜氣化后還起到代替薄膜的密封作用，其物理性能和工藝性能對涂覆、型腔成型、鑄件質量影響很大。所以，對V法涂料總體性能的要求可以概述為：除了滿足物理性能之密度、條件粘度、固體含量、懸浮性外，還要滿足其工藝性能之附著性、涂掛性、流平性、不流淌性和工作性能之耐磨性、發(fā)氣性、抗裂性、抗粘砂性，高溫沖擊下穩(wěn)定性好，能夠快速自干，自干后強度高，不分層，不開裂，耐火度高，剝離性好。根據鑄件的質量要求和生產實際，對涂料的要求應關注其發(fā)氣量、抗裂性、燒結性能，減少涂料中有機物的添加，增加涂料的氧化吸氣性能。涂料發(fā)氣量小可以減少表面氣孔缺陷，尤其是冷鐵和鋼水界面的蜂窩狀氣孔;涂料抗裂性好，可以避免鑄型振實過程和翻箱過程中發(fā)生涂層開裂，進而產生鑄件脈紋和夾砂缺陷;涂料燒結性能好可以有效減少鑄件粘砂缺陷;涂料有機物的減少能夠減弱增碳幅度;涂料中添加鋁粉或氧化鐵粉，可增強涂料的燒結性能、減少鑄件表面氣孔。近年來，不少涂料生產企業(yè)研發(fā)復合型涂料，這種復合型涂料對于澆注溫度較低的金屬效果還算可以，對于普通鑄造工藝的鑄鋼件生產也能滿足要求。但是，減少和取消鋯英粉骨料的添加，降低了涂料的燒結性能，緣于V法鑄造的真空吸附作用，鋼水極易滲入涂層造成粘砂缺陷。所以，對于復合型V法鑄鋼涂料，采用時必須謹慎。
5.2 V法鑄鋼用EVA塑料薄膜的選擇
對于V法鑄鋼件使用的EVA塑料薄膜，就是乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的簡稱。生產工藝分為流延法和吹膜法，二者各有優(yōu)缺點。流延膜的優(yōu)點是薄膜厚度薄而均勻、拉伸強度大耐烘烤，薄膜烘烤和覆膜時不易破損，缺點是斷裂伸長率的縱橫向差異偏大，覆膜后薄膜殘余強度大易成型不良。吹塑膜存在薄膜稍厚且不均勻，拉伸強度低于流延膜，薄膜烘烤和覆膜時易出現破損，但吹塑膜斷裂伸長率的縱橫向差異小，覆膜后薄膜殘余強度小易成型。
對于V法鑄造用EVA塑料薄膜的選用，主要從如下幾個方面進行分析考量、選擇。
薄膜類型的選擇：對于各個維度方向都比較復雜的工件，盡量選用方向性較小的吹塑膜，而對于形狀簡單、平整表面較多的中大型工件，流延膜和吹塑膜均可選用。
薄膜厚度的選擇。一般情況下，為了便于成型，我們習慣選擇稍厚的薄膜。由于EVA薄膜較大的斷裂延伸率，并且薄膜的極限拉伸比與厚度成正比，在這種情況下，雖然覆膜良好，不易破損。但是，由于EVA薄膜厚度較大，合理烘烤覆膜時延伸比例較大，即覆膜時薄膜的延伸面積過大，覆膜后在高低差別不大的部位容易形成所謂的“橋”，在平整表面形成薄膜的褶皺和重疊，澆注時這些充裕的薄膜不易氣化或氣化時間長，鑄件表面容易形成氣孔和夾砂。厚薄膜在烘烤不良的情況下，可以減少薄膜形成的“橋”和褶皺，但由于烘烤不良，造成薄膜殘余應力較大，澆注時薄膜氣化不良，造成薄膜裹挾砂子、涂料，待薄膜最后完全氣化后，鑄件容易產生嚴重的夾砂和氣孔。另外，由于薄膜厚度較大，發(fā)氣量大，易于增碳，對于鑄鋼件尤為不利。
為此，對于鑄鋼件用EVA鑄造薄膜厚度的選擇，按照型腔表面積、薄膜延伸率和鑄件結構的高度差等情況進行綜合計算和選定比較科學。首先概算砂箱內腔最大輪廓面積和型板最大表面積初步確定采用EVA薄膜的幅度，然后概算形成整個型腔的總表面積，按照鑄造工藝概算模具上相鄰結構的最大高度差。由于采用EVA薄膜的幅度已經根據型板的面積給予確定，那么后續(xù)的厚度、延伸率和極限拉伸率的計算都是在定面積薄膜的條件下進行的。根據薄膜的延伸率和型腔最大表面積進行厚度選擇，根據模具上相鄰結構的高度差選定薄膜的極限拉伸比，并據此對初選薄膜厚度進行微調。
在定面積薄膜的條件下，如果選用厚度大的薄膜，烘烤覆膜的極限表面積過大，反而造成覆膜不良，達不到覆膜要求，且薄膜氣化效果差、發(fā)氣量大、易增碳。要想達到覆膜要求，則需降低烘烤溫度，這樣又會造成覆膜后薄膜參與應力過大，澆注時薄膜容易裹挾涂料和砂子而形成一系列鑄造缺陷。
在定面積薄膜的條件下，如果模具上相鄰結構的高度差不大，薄膜的極限拉伸比與厚度成正比，選用厚度大的薄膜，反而造成覆膜不良，達不到覆膜要求。另外，對于薄膜的延伸強度和延伸率選擇也不是越大越好，這是因為烘烤、覆膜之前薄膜的大小已經確定，合適即可。同時，采用厚膜生產，其成本增加較多。
綜上所述，對于V法鑄造用EVA塑料薄膜的選用，無論是流延膜還是吹塑膜，應以適用、經濟、減少鑄件缺陷為原則，不可盲目追求某些性能指標。當然薄膜不能存在氣泡、雜質缺陷，更不能為防止粘模而涂覆滑石粉。
5.3 V法鑄鋼用芯撐的選擇
V法鑄造與傳統鑄造一樣需要使用芯撐，采用傳統的芯撐時，在澆注過程中由于鑄型真空度下降，致使芯撐陷入型壁造成壁厚不均。同時，如果采用表面積較大的傳統芯撐時，除了由于芯撐不易熔合產生“撐疤”缺陷外，還會在芯撐附近產生氣孔缺陷。根據工藝試驗和生產實踐，采用壁厚小于0.4-0.7mm、熔合性好、沖孔率高、孔徑大、能夠滿足承重要求的新型穿孔芯撐，這種穿孔芯撐采用沖孔板滑塊成型，接觸面積大，易熔合，易排氣，既滿足鑄件的質量要求，又能起到內冷鐵的作用。
5.4 V法鑄鋼用冒口的選擇
采用V法鑄造工藝生產鑄鋼件，與傳統鑄造一樣離不開冒口，冒口在V法鑄造的作用甚至大于傳統鑄造。
明冒口在V法鑄造中主要起透氣作用，通過明冒口透入空氣形成正負壓差而使得型腔形成并始終保持。但是，明冒口的補縮作用較差，除非澆注后馬上在明冒口上覆蓋保溫劑，再覆干砂和背膜，才能起到一定的補縮作用。根據明冒口在V法鑄造中特殊作用，一般應布置在澆口附近和遠離澆口的鑄件末端，除了便于透氣和排氣外，易于鑄件成型和減少氣孔。
對于鑄造熱節(jié)的有效補縮，還是依靠暗冒口。暗冒口盡量采用保溫材料制作的保溫冒口，不要采用模具自成型的暗冒口，這種模具自成型的暗冒口無法排氣，且極易造成鑄件夾砂。在V法鑄造中使用保溫暗冒口時有別于傳統砂型鑄造，在傳統砂型鑄造中使用保溫暗冒口時，其頂部的透氣孔與上型貫通即可，而V法鑄造中為防止冒口中落入干砂，在保證透氣的情況下須采取防落砂措施，用粗砂打制透氣砂芯，安放與保溫暗冒口頂部的透氣孔中，并與冒口一起用薄膜裹覆。
由于V法鑄造的真空特性，致使發(fā)熱保溫冒口因缺少空氣而不能充分燃燒，發(fā)熱冒口延長冒口補縮時間和補縮能力的特性無法發(fā)揮，使得發(fā)熱保溫冒口在V法鑄造工藝中應用受限。要想使發(fā)熱保溫冒口在V法鑄造中能夠正常充分燃燒、發(fā)熱，發(fā)揮其發(fā)熱、保溫特性，就需要設法使得發(fā)熱保溫冒口在澆注全過程始終處于和外界空氣連通的狀態(tài)。對于發(fā)熱保溫冒口，應該控制延時燃燒時間。低溫燃燒材料加入過多，縮短延時燃燒時間，發(fā)熱保溫冒口提前燃燒、發(fā)熱，縮短發(fā)熱保溫冒口的有效保溫時間和效能，產生的氣體會阻止鋼水順利進入冒口，冒口貯存鋼水量不足，冒口補縮效果不良;低溫燃燒材料加入過少，延時燃燒時間過長，發(fā)熱保溫冒口不能在適宜的時間燃燒、加熱鋼水，發(fā)熱保溫冒口的有效保溫時間和效能仍然不足，同時，低溫燃燒材料不能很好地引燃高溫發(fā)熱材料，冒口的保溫效能不能充分實現。根據鋼水的充型過程、發(fā)熱保溫冒口中保溫材料的保溫效能，發(fā)熱保溫冒口的延時燃燒時間控制在15秒左右比較合適。
6. 鑄鋼件V法鑄造配套的熔煉和澆注設備的選擇
6.1 V法鑄鋼熔煉方法及設備的選擇
由于國家鑄造行業(yè)政策的限制，新上馬的鑄造企業(yè)和進行改造的鑄造企業(yè)均不能采用普通電弧爐進行鋼水的熔煉，大部分中小型鑄造企業(yè)采用小規(guī)格的中頻感應電爐進行冶煉生產。對于一般質量要求的鑄鋼件和小批量生產規(guī)模而言還能夠滿足要求，但對于已經按生產線布局的V法鑄造生產線而言，小噸位的中頻感應電爐就不能滿足生產和質量要求。由于這些感應爐熔煉的鋼水量較少，無法很好地進行鋼水的除渣、脫氧及鋼水凈化，同時，又限制了鋼水盛裝及澆注方式，鋼水的爐外精煉措施無法實施，純凈鋼水澆注很難實現，致使鑄件的質量無法滿足技術條件的要求，進而使得很多質量要求高的鑄件無法生產。一爐鋼水或許只能澆注一箱鑄件，冶煉和澆注的成本大大上升，整條V法鑄造生產線那么多系統在消耗能源，就只澆注一箱鑄件，設備和動能的消耗該如何計算呢?
為此，建議中小型鑄造企業(yè)在上馬或改造前，認證進行鋼水需求量的計算和生產安排的計算，采購使用3噸以上的中頻感應電爐，保證一次熔煉鋼水的數量能夠適宜進行鋼水的爐外凈化或精煉處理，也便于采用合理的澆注方式，獲得合格鑄件。
6.2 V法鑄鋼澆注設備的選擇
在一些中小型鑄鋼企業(yè)，至今還有采用鐵水澆注用的普通揺包進行鑄鋼件的澆注，甚至連茶壺包都不愿使用。由于鋼水的粘性大于鐵水，夾渣較多，鑄件的渣氣孔缺陷非常嚴重;加上揺包的鋼水裸露，鋼水氧化、吸氣情況嚴重，致使鑄鋼件的氣孔缺陷無法去除;鋼水裸露又使得鋼水降溫速度加快，出鋼溫度自然被抬高，增大鋼水氧化、吸氣的能力。
所以，建議中小型鑄鋼件企業(yè)，以生產線的方式組織生產，以稍大些噸位的電爐就行鋼水熔煉，采用塞桿底注式澆包就行多箱澆注，這種底注包加裝透氣磚和吹氬氣裝置后可以進行鋼水的爐外精煉，亦可以對鋼水進行喂絲處理，從而達到凈化鋼水、改善非金屬夾雜物和微調成分的作用。底注包上部的鋼渣能夠很好地對鋼水保溫和避免鋼水裸露氧化。目前，這種塞桿底注式澆包可以做到2噸的規(guī)格。
7. 總結及展望
V法鑄造技術是一個完整的系統，我們不能把V法鑄造技術簡化為V法鑄造設備或生產線。V法鑄造設備或生產線體現了V法鑄造技術，但不是全部，關鍵還是工藝技術。設備(包括工裝和模具)是保障手段，工藝技術是核心，材料是基本。用設備實現最后的所謂“交鑰匙”工程，基本上全部失敗。所以，實現V法鑄造技術達到的鑄件品質和效益，需要對V法鑄造生產技術的全過程、全系統進行認真、全面、詳細的研究和設計，細節(jié)決定成敗，不可輕視。
我國V法鑄造技術的運用群體，主要是中小型鑄造企業(yè)，針對中小型鑄造企業(yè)采用V法鑄造技術生產鑄鋼件，依據生產和工藝實踐進行上述總結。
為不斷推動V法鑄造技術發(fā)展，全體V法鑄造技術工作者均應不斷地進行總結、改進和完善，逐步推廣V法鑄造技術的應用范圍，全面推動V法鑄造技術進步和發(fā)展。
作者簡介：
張海勛，天瑞集團鑄造有限公司。從事礦山、工程機械配件和鐵路配件的鑄造工藝、機加工工藝和熱處理工藝設計，從事上述產品V法鑄造工藝達11年，目前主要從事國內鐵路鑄鋼件、北美鐵路鑄鋼件和獨聯體國家鐵路鑄鋼件生產工藝設計和產品質量認證。
