一.熔模鑄件尺寸穩(wěn)定性
1.蠟模尺寸穩(wěn)定性及其影響因素
圖 1是美國賓夕法尼亞大學Robert C. Voigt教授對29種精鑄件跟蹤測量后所得結(jié)果[1]。可見在多數(shù)情況下蠟模尺寸波動大時鑄件尺寸波動也大，例外情況是少數(shù)。從總體看蠟模的尺寸波動在鑄件尺寸波動中占 10％～70％。
制模工藝參數(shù)對蠟模尺寸穩(wěn)定性有決定性的影響。主要因素如下:
（1）壓蠟溫度
壓蠟溫度的影響，不同模料有不同的表現(xiàn)(見圖2)[2]。由圖2可見，采用蠟基模料時，壓蠟溫度對蠟模尺寸穩(wěn)定性的影響很敏感，而樹脂基模料則影響較小。
（2）壓注壓力(見圖 3) [2]
由圖 3 可見，壓力較小時壓力增大蠟模收縮率明顯減小。然而壓力增大到一定程度后(≥1.6MPa)，壓力大小對蠟模尺寸幾乎沒有影響。難怪國外試驗結(jié)果往往得出“壓力大小與蠟模尺寸無關”的結(jié)論，而國內(nèi)許多企業(yè)的印象卻不盡然。
（3）流動速度
可以通過以下二個途徑來改變模料的流動速度，對蠟模尺寸的影響卻不盡相同：
·通過改變壓蠟機流動速度設定 此方法對蠟模收縮率影響較小。但對形狀復雜薄壁件或帶型芯的蠟模充型和表面質(zhì)量卻有著重要影響。
·通過改變注蠟口截面積 此方法影響較大，因為增大注蠟口截面積不僅可以降低壓蠟溫度，而且還可以延長注蠟口處模料的凝固時間，從而增加蠟模被壓實的程度，減小收縮率和表面縮陷。
（4）壓注時間
這里所謂壓注時間包括充型、壓實和保持等三個時間段。充型時間指模料充滿壓型型腔的時間；壓實指充滿壓型至射蠟嘴關閉的時間；保持指從射蠟嘴關閉至起模的時間。
壓注時間對蠟模收縮率有顯著影響(圖 4)[3]，這是因為增加壓注時間就可能有更多的模料被擠壓進入型腔，蠟模被壓實程度更大，從而減小收縮率。蠟模重量隨壓實時間延長而增加即可證明這點（見圖5）[3]。壓實時間長短應合適，如果壓實時間過長，注蠟口處的模料已經(jīng)完全凝固，壓實也就不起作用了。從圖4還可見，當壓注時間較短時（15～25s），壓蠟溫度上升，收縮率增大；但當壓注時間延長至 25～35s（在充填時間保持恒定的前提下，實際上是延長了壓實時間）壓蠟溫度的影響變�。划攭鹤r間增加到 35s以上，還會出現(xiàn)相反的情況，即隨著壓蠟溫度上升，蠟模收縮率反而會變�。ㄒ妶D 5）。此現(xiàn)象可以解釋為，提高模料溫度和延長壓實時間一樣都有增加蠟模壓實程度的作用。
（5） 壓型溫度和壓蠟設備
壓型溫度高，蠟模冷卻慢，收縮率增大。這是因為起模前蠟模還在壓型中，收縮受限制，而起模后則變?yōu)樽杂墒湛s。所以如果起模時蠟模溫度高則最終的收縮率大，反之則收縮率小。
同理，壓蠟機的冷卻系統(tǒng)對蠟模尺寸可能產(chǎn)生大約0.3%的影響。
最后值得強調(diào)指出的是，采用蠟基模料時，蠟膏是一種固、液、氣三相共存體系。三相之間的體積比，對蠟模尺寸影響頗大。而這三者之間的比例關系在實際生產(chǎn)中無法控制，這也是采用蠟基模料壓制蠟模尺寸穩(wěn)定性較差的重要原因。
2. 型殼材料和制殼工藝對鑄件尺寸穩(wěn)定性的影響
型殼對鑄件尺寸的影響主要是由于型殼焙燒時的熱膨脹、熱變形(高溫蠕變)和型殼對鑄件冷卻收縮的約束(阻礙)等因素引起的。
（1) 型殼熱膨脹
主要取決于型殼材料。 不同耐火材料膨脹率不同。常用耐火材料中以熔融石英膨脹率最小，硅酸鋁次之，硅石最大且不均勻。經(jīng)試驗確定硅酸鋁型殼從室溫加熱至 1000℃，型殼可產(chǎn)生大約0.25%的膨脹，在鑄件尺寸綜合收縮率中所占比例并不大，所以，如果采用此類耐火材料，型殼具有較好的尺寸穩(wěn)定性, 如采用熔融石英無疑會更好。但如果采用硅石，型殼尺寸波動就很大。
（2) 熱變形(高溫蠕變)
例如以水玻璃為粘結(jié)劑的型殼，在 1000℃以上高溫蠕變程度明顯大于硅溶膠和硅酸乙酯型殼。而電熔剛玉本身雖然耐火度較高，但由于往往存在氧化鈉等雜質(zhì)，所以型殼焙燒溫度高于 1000℃也可能產(chǎn)生蠕變，致使尺寸穩(wěn)定性欠佳。
（3) 型殼對鑄件收縮的約束——型殼的退讓性和潰散性 這也主要取決于型殼材料。
綜上所述，型殼對鑄件尺寸波動的影響, 耐火材料起主要作用，然而粘結(jié)劑的作用也不容忽視。相比之下，制殼工藝的影響較小。
3. 鑄件冷卻不均產(chǎn)生應力對尺寸穩(wěn)定性的影響
鑄件(包括澆注系統(tǒng))各部分冷卻快慢不同而產(chǎn)生熱應力使鑄件變形，進而影響尺寸穩(wěn)定性。這在實際生產(chǎn)中也是經(jīng)常遇到的。降低鑄件冷卻速度和改進澆道組合方式都是行之有效的預防措施。
二. 提高準確度的關鍵——模具收縮率賦值正確
以上所說的“尺寸穩(wěn)定性”跟“尺寸準確度”、“精確度(精度)”是有區(qū)別的。尺寸穩(wěn)定性（即精密度）跟尺寸一致性是同義的，反映尺寸波動或分散的程度，通常以標準差σ來衡量。尺寸不穩(wěn)定的原因主要是工藝控制不嚴，它屬于隨機誤差。準確度則是指對鑄件上某個尺寸而言，眾多測量值的算術平均值偏離名義尺寸的程度, 即平均偏差的大小。對熔模鑄造來說，尺寸準確度差的原因主要是壓型設計時收縮率賦值不當，是一個系統(tǒng)誤差，通常通過反復返修模具來調(diào)整。而尺寸精確度（精度）則是上述二者的綜合。所以要提高鑄件尺寸精度，解決產(chǎn)品尺寸超差問題，不但要嚴格控制工藝過程，減小尺寸波動，同時還要在設計壓型時對鑄件每個尺寸的收縮率正確賦值。
眾所周知精鑄件最終的總收縮率是蠟模、合金收縮和少量的型殼膨脹綜合而成。其中型殼膨脹約 0.25%，所起作用有限。盡管合金的線收縮率往往比蠟模大，但壓蠟過程造成的尺寸波動卻影響更大。為了減少模具返修費用和減小鑄件尺寸波動，控制好蠟模收縮率至關重要。
1. 蠟模收縮率
測量蠟模收縮應在蠟模尺寸完全穩(wěn)定下來之后進行。這是因為起模后蠟模收縮往往并未完全停止，蠟模尺寸有時在起模幾天后才最終穩(wěn)定下來，但多數(shù)模料的收縮是在起模后一至數(shù)小時內(nèi)基本完成。蠟模收縮率主要有以下影響因素：
(1) 模料種類；
(2) 蠟模斷面尺寸；
值得強調(diào)指出的是蠟模斷面尺寸對收縮率有顯著影響(圖 6)。表 1 所示為某種典型的無填料模料在壓制不同厚度蠟模時的收縮率。蠟模的斷面厚度一般不應超過13mm。厚度大于13mm時可通過使用冷蠟塊或金屬型芯來減小壁厚，從而達到減小收縮的目的，這對于無填料模料特別重要[4]。
表 1 典型無填料模料蠟模的收縮率 (％)
|
自由收縮 |
限制收縮 | |
|
厚斷面(>13mm) |
1.00~2.00 |
0.75~1.25 |
|
正常斷面(3~13mm) |
0.50~1.00 |
0.50~0.75 |
|
薄斷面（<3mm） |
< 0.75 |
< 0.5 |
注：1. 水溶性模料收縮率約為0.25％；
2.當使用可溶芯、陶瓷芯、石英玻璃管時，蠟模上與型芯接觸部分沒有線收縮；
（3） 型芯種類
蠟模內(nèi)腔尺寸無疑是與型芯外形尺寸保持一致的。因此采用型芯便成為提高蠟模內(nèi)腔尺寸精度的一種方法。
2. 合金收縮
合金收縮主要取決于以下一些因素：
· 鑄造合金種類和化學成分;
· 鑄件幾何形狀(包括約束狀態(tài)和斷面尺寸);
· 鑄造參數(shù)，例如澆注溫度、型殼溫度、鑄件冷卻速度等;
· 陶瓷型芯、石英玻璃管等的使用。
由于澆注溫度、型殼溫度、鑄件冷卻速度等工藝參數(shù)在生產(chǎn)過程中一般都要通過標準工藝卡嚴格加以控制，所以不同生產(chǎn)批次之間，由此引起的尺寸波動并不大。即使?jié)沧囟瘸龉に囈?guī)程要求的范圍，鑄件尺寸波動通常也不大（見表 2） [4]。跟蠟模相似，鑄件斷面尺寸和型殼的約束才是影響合金收縮的主要因素。經(jīng)驗表明，全約束尺寸收縮率為自由收縮率的 85％～89％；半約束尺寸為94％～95％。表3列出常用合金鑄件的收縮率（不含蠟模收縮率）[4]。
表 2 CF8M 精鑄件收縮率隨澆注溫度的變化
|
試樣尺寸編號 |
澆注溫度/℃ |
型殼＋鑄件的綜合收縮率 （6 個試樣平均值，％） |
|
I (實心) |
1538 |
2.1 |
|
1 (實心) |
1566 |
2.0 |
|
1 (實心) |
1593 |
2.2 |
|
1 (實心) |
1649 |
2.1 |
|
1（空心） |
1538 |
1.9 |
|
1（空心） |
1566 |
1.8 |
|
1（空心） |
1593 |
1.9 |
|
1（空心） |
1649 |
1.8 |
注：型殼溫度 982℃
表 3 鑄件收縮率（不含蠟模率） ％
|
合金種類 |
約束尺寸收縮 |
薄斷面尺寸 （≤9.5mm） |
厚斷面尺寸（＞9.5mm） |
|
碳鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼 |
1.50 |
1.8 |
1.90 |
|
400 系列不銹鋼 |
1.80 |
2.00 |
2.20 |
|
300 系列不銹鋼或相當?shù)?/SPAN> 國外牌號以及鎢鉻鈷合金 |
2.0 |
2.3 |
2.6 |
|
銅合金 |
1.80 |
2.0 |
2.2 |
|
鋁合金 |
1.0 |
1.2 |
1.4 |
注：型芯周圍尺寸收縮率 0.25%~1.0%
3. 首批供測量用樣件的最少數(shù)目
以上所列收縮率是建立在以往經(jīng)驗基礎上的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并非真實的收縮率。按照這些數(shù)據(jù)設計制造模具，返修在所難免。為了提高返修的準確程度和成功率，減少返修次數(shù)，一個關鍵環(huán)節(jié)是認真檢測數(shù)量足夠的試鑄樣件的尺寸。因為我們生產(chǎn)的鑄件尺寸不可能完全一致，所以只有測量樣件數(shù)量足夠多，得出的平均值才能接近真正的算術平均值。由此不難看出，測量樣件的最少數(shù)目跟生產(chǎn)工藝控制產(chǎn)品尺寸一致性的能力(Process Capability )有直接關系，如果鑄出的鑄件尺寸完全一致，那么只需檢測一個樣件就夠了；反之，如果鑄出的鑄件尺寸波動很大，
就要測量很多樣件才能得出較為準確的收縮率數(shù)據(jù)。前已提及，生產(chǎn)工藝控制尺寸的能力可用此種工藝生產(chǎn)出鑄件尺寸的 6σ來代表。按統(tǒng)計學原理算出檢測樣件的最小數(shù)目如表 4 所列[5]。
表中 Hp 指生產(chǎn)工藝控制尺寸的能力 P6σ與相應尺寸公差值 TC之比，即Hp=P6σ/TC。按表 4，Hp 越小，即生產(chǎn)工藝控制尺寸的能力強而尺寸公差要求又松，則要求首批檢測的樣件數(shù)就可以越少；反之Hp越大，則要求檢測的樣件數(shù)目就越多。例如 (Hp<0.1), 只要檢測一個樣件即可；如果Hp >0.6，則需要檢測的樣件數(shù)目至少是44個。從目前多數(shù)熔模鑄造廠的工藝技術水平看，Hp大多在0.5 以上，所以首批測量樣件一般至少需要 11個。
表 4 首批檢測樣件的最少數(shù)目
|
Hp |
測量樣件的最小數(shù)目/ 個 |
|
<0.1 |
1 |
|
0.1~0.2 |
2 |
|
0.2 ~ 0.3 |
2 |
|
0.3 ~ 0.4 |
3 |
|
0.4 ~ 0.5 |
5 |
|
0.5 ~ 0.6 |
11 |
|
0.6 ~ 0.7 |
44 |
|
0.7 ~ 0.8 |
44 |
|
0.8 ~ 0.9 |
44 |
|
0.9~1.0 |
44 |
|
>1.0 |
44 |
三． 測量系統(tǒng)分析
在分析和解決產(chǎn)品尺寸問題的時候，必須注意到所采用的測量系統(tǒng)的精度和可靠性。除測量儀器設備本身必須經(jīng)常校準外，盡量減少測量誤差也很重要。如果測量系統(tǒng)（包括操作人員和操作方法）誤差較大，不但可能將廢品判為合格品，也可能將許多合格品誤判為廢品，二者均可能造成重大事故或不必要的經(jīng)濟損失。判斷測量系統(tǒng)對某一特定測量任務是否適合，最簡單方法是進行再現(xiàn)性(reproducibility) 和重復性(repeatability)鑒定試驗。所謂重復性是指同一檢驗員用同一儀器（或設備）和方法檢查同一零件，獲得結(jié)果的一致性。再現(xiàn)性指不同操作者使用不同儀器檢查同一零件，獲得結(jié)果的一致性。美國汽車工業(yè)活動組( Automotive Industry Action Group)規(guī)定以重復性和再現(xiàn)性綜合標準差R&R在被測量鑄件尺寸波動標準差中所占百分比≤30％作為測量系統(tǒng)滿足要求的標準[5]。在測量某些尺寸較大而形狀復雜的鑄件，并非所有測量系統(tǒng)都能達到此要求。而測量模具時允許的測量誤差還應更小，通常為其1/3。
表5中列出了美國若干精鑄廠常用的測量儀器設備的再現(xiàn)性、重復性和R&R誤差實況調(diào)查統(tǒng)計[5]。由表5 可見同類儀器,測量誤差大小之間相差甚遠，說明鑄造廠中許多檢測系統(tǒng)(包括測量儀器設備、操作人員和測量方法)不符合要求。大的再現(xiàn)性誤差常常是因使用不適當?shù)膬x器設備或操作方法不合理造成的。而重復性誤差大則往往是操作者的技術不佳所致。
表5 幾種常用測量儀器設備測量誤差比較
|
儀器種類 |
再現(xiàn)性誤差 /mm |
重復性誤差 /mm |
綜合誤差 R&R /mm | ||||||
|
平均值 |
最好 |
最差 |
平均值 |
最好 |
最差 |
平均值 |
最好 |
最差 | |
|
數(shù)顯卡尺 |
0.320 |
0.046 |
1.509 |
0.159 |
< 0.005 |
0.473 |
0.382 |
0.062 |
1.509 |
|
測微千分尺 |
0.124 |
0.028 |
0.474 |
0.152 |
< 0.005 |
0.267 |
0.208 |
0.061 |
0.838 |
|
劃線機 |
0.202 |
0.008 |
0.840 |
0.0203 |
0.005 |
0.0355 |
0.4572 |
0.1803 |
1.021 |
|
三坐標測量機 |
0.030 |
0.002 |
0.137 |
0.009 |
< 0.003 |
0.041 |
0.035 |
0.002 |
0.137 |
四．模具結(jié)構(gòu)和加工水平
眾所周知模具結(jié)構(gòu)和加工質(zhì)量對蠟模尺寸和幾何形狀均有重要影響。例如定位、夾緊機構(gòu)是否準確可靠，活動部分(如活塊、插銷等)的配合間隙是否恰當，起模方式是否對有利于保證鑄件尺寸精度等。無庸諱言，對于目前國內(nèi)相當多數(shù)的精鑄廠來說，模具設計和制造水平仍急待提高。
五．結(jié)論
由上述分析不難看出，提高熔模鑄件尺寸精度是一個系統(tǒng)工程，涉及精鑄生產(chǎn)過程的方方面面。其中要點可概括如下:
1) 嚴格控制制模工藝參數(shù)，特別是對鑄件尺寸有顯著影響的參數(shù)。
2) 選擇適當?shù)男蜌げ牧稀?
3) 以符合統(tǒng)計學原理的正確方法收集、統(tǒng)計和分析有關收縮率的數(shù)據(jù)，提高收縮率賦值的準確性。
4) 經(jīng)常監(jiān)察測量系統(tǒng)(包括儀器設備、檢驗人員和技術)，使重復性、再現(xiàn)性誤差達到規(guī)定要求。
5) 不斷提高模具設計和制造水平。
6) 在許多場合鑄件矯正和穩(wěn)定化熱處理等措施仍然不可或缺。
| 【上一個】 球墨鑄鐵的凝固特點和無冒口鑄造的條件 | 【下一個】 解決鑄件皮下氣孔的措施和建議 |