消失模技术

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发动机缸体缸盖的消失模铸造技术
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叶升平 肖晓峰

发动机缸体、盖的制造水平是衡量国家的制造业水平的重要标志之一。中国消失模铸造技术还刚起步，处于技术革新期，需要有一个艰苦的技术积累过程，但前景光明。
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消失模铸造技术的工艺过程
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7 m9 M" w9 F9 q4 A/ ]. g/ Z消失模铸造技术（Lost Foam Casting，简称LFC）是一项精确成形的铸造新技术。1958年，美国人H.F.Shroyer首次用泡沫板材加工的模样，用含有粘结剂的型砂作充填砂制造金属制件并取得专利，直到20世纪80年代专利期满后，消失模技术才获得了大规模的应用。在90年代，美国通用汽车公司率先应用于发动机的缸体缸盖制造，并实现大批量工业化生产获得成功。
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LFC法的工艺过程
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消失模铸造是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘乾后，埋在乾砂中振动造型，在常压或负压下浇注，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。图1是传统的粘土砂铸造与消失模铸造主要工艺流程的比较。
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图1　两种铸造工艺流程的比较

可以看出，消失模铸造每生产一个铸件就要消耗一个泡沫模样，所以增加了预发泡和发泡成型的工序，但减少了型（芯）砂制备、制芯、造型、下芯等许多烦琐工序。
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. p! \4 @/ N9 ^" e9 e  {LFC法的工艺主要特点
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LFC是一种近无馀量、精确成形的工艺。其采用聚苯乙烯或共聚物的泡沫塑料模压成型，组合成模，泡沫模样可实现无起模斜度，既无分型面又无型芯，减少由于型芯块组合而造成的尺寸误差。铸件尺寸精度和表面粗糙度可达CT5~CT7、Ra＝6.3~12.5µ;m，介于砂型铸造和熔模铸造之间。由于充填砂采用乾砂，根除了由水分、粘结剂和附加物带来的缺陷，铸件的废品率下降，铸件质量明显提高。

. ~+ F$ l1 l7 K/ h$ O/ y容易实现清洁生产。低温下聚苯乙烯（EPS）对环境无害，浇注时EPS有机物排放量仅占浇注铁液质量的0.3%，而自硬砂为5%。同时产生有机排放物的时间短、地点集中、易于搜集，可以采用负压抽吸式燃烧净化器处理，燃烧产物净化后对环境无公害，旧砂回用率在95%以上。与传统铸造方法相比，LFC法的杂质、一氧化碳气体和矽石粉尘危害明显减少，工人劳动强度大大降低，劳动环境显着改善，容易实现机械化、自动化和清洁生产。
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为铸件结构设计提供了充分的自由度。原先要由多个零件加工组装的结构，采用LFC工艺后可以通过分片制模然后粘合的办法整体铸出（如：复杂的六缸缸体、盖模样可以由若干个模片组装成一个整体（如图2），而且型芯可以省去，孔、洞可以直接铸出，这就大大节约了加工装配的费用，同时也可以减少加工装备的投资。一般说来，与传统铸造工艺相比，LFC技术设备投资可减少30%~50%，铸件的成本可下降10%~30%（成本下降的幅度取决于零件批量、复杂程度以及加工装配时间的节省等）。

图2　铝合金消失模缸体泡沫模样（左为整体模样，右为分片模样）
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6 h" F: ?/ {' V) v3 H; M$ e% H金属液的流动前沿式热解的消失模产物（气体和液体），它会与金属液发生反应并影响到金属液的充填，如果金属充型过程中热解物不能顺利排除，就容易引起气孔、皱皮、增炭等缺陷。这就要求工艺师掌握消失模铸造成形原理，正确设计浇注系统，制定合理的工艺方案。
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/ b& y: E6 a# }# |5 i- [: @4 r模具制造成本较高，没有一定的生产批量，很难获得好的经济效益。

6 _; p& e0 o5 S缸体缸盖的消失模应用
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消失模铸造符合当今铸造技术发展的总趋势，发展前景广阔，其优越性不容置疑。特别适合于离合器壳、变速箱、发动机缸体和缸盖这类产品的批量生产。目前国内外相关应用情况如：

6 ]0 r" w+ T) G% w8 a美国
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美国通用汽车公司（GM）于1981年利用消失模技术第一次试制了4.3L、V6型铝合金发动机缸盖（如图3a），由于各方面工艺还未成熟，没有取得成功；1985年GM公司又试制2L、L4型铝合金发动机缸盖（如图3b），一举获得成功；2001年GM所属的Saginaw铸造厂消失模生产线正式投产，标志着美国消失模技术走向成熟。
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图3　铝合金发动机缸盖（左为图3a：4.3L、V6型；右为图3b：2L、L4型）

0 r% Y/ y% o1 O( _9 Y# ]5 T+ q: DSaginaw铸造厂是目前世界上最先进、规模最大的消失模生产工厂，共有五条生产线，能够日产198.6kW直列式运动跑车六缸铝合金缸体和缸盖各2100件，试压后总废品率不大于12%，其中内废小于10%。该厂生产的Votec 4200六缸缸体和缸盖（如图4）是目前最复杂、最有代表性的LFC产品，充分体现了该技术的优越性。这型号的缸体和缸盖是该公司的设计部门充分考虑了LFC法的特点而设计的，缸体质量40kg，缸盖质量22kg，产品设计中集成了曲轴箱，油/空气分离器（图5a）、通气系统（图5b）、复杂弯曲的回油管路（图6）全部铸出，大大减小了钻孔加工和螺栓装配工作量，减轻了整机的质量，减少了噪音、振动和污染，提高了燃油效率，降低成本。
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( ^7 N( c  q- [+ O/ K图4　Votec 4200六缸缸体和缸盖
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2 C7 k1 _2 }8 W8 Q  s- F图5　缸体、盖内部复杂结构（左为油/空分离器，右为缸盖通气系统）

另外，Saginaw铸造厂工艺过程完善，完全实现了清洁生产，5台预发泡机、29台成形机每天生产高质量的聚苯乙烯缸体和缸盖模样。缸体分4片，粘合成一个整体，浇注时水平放置，一箱一件；缸盖分5片粘合成一个整体，浇注时水平放置，一箱两件。采用高性能的云母基涂料，由机械手自动浸涂，乾燥后由机械手放入砂箱，雨淋式加砂，分三阶段水平振动紧实。铸件在清理、粗加工后，100%经渗透试验，T6热处理，然后送到加工工厂进行精加工。

" j$ p% |; h# c1 c+ [0 |图6　发动机高压油路系统（右上箭头指向缸体油路，左下箭头指向缸盖油路）

经过十馀年的研究和实践，相关电脑软件快速发展，使消失模的工艺设计建立在更科学的基础上。在工艺和模具设计制造领域，建立了先进实用的CAD/CAM/CAE系统，可以准确、高效地生产像六缸缸体、缸盖之类复杂高质量的模具；通过应用软件（如Flow 3D）类比金属液充型、凝固过程的流动场和温度场，可预测铸件产生缺陷的部位；并着手进行泡沫珠粒射料过程的流场类比和模样在模具中加热、冷却过程中温度场的变化规律类比。成功实现了曲轴、变速箱、差动器、离合器、进气管、排气歧管、发动机缸体和缸盖的工业化生产。

+ _5 |) `3 A" [2 m中国

20世纪90年代中后期，LFC法在中国获得较广泛的生产应用和快速发展，在不到十年的时间里，中国消失模铸造技术已发展到一个新的阶段，在产品质量逐步提高地同时，铸件也由简单的耐磨零件扩展到变速箱体等复杂铸件。2003年前后，山西华恩集团、重庆南川天宝特种铸造有限公司、福州福清跃龙公司、温州欧海实型制造有限公司等、安徽全柴动力股份有限公司等企业，采用消失模技术主攻缸盖、缸体，初步获得成功，开始走向市场，但由于受到增碳、气孔等铸造缺陷的困扰，还未能实现低废品率的大批量工业化生产。

; y$ S3 S# R: m$ ]/ K发动机缸体、盖的制造水平是衡量国家的制造业水平的重要标志之一，消失模铸造技术使得这类零件设计更为柔性、集成度高，减轻铸件重量，提高燃油效率。中国缸体、盖的消失模铸造技术还刚起步，处于技术革新期，需要有一个艰苦的技术积累过程，但前景光明。