热芯盒工装的变形及预防措施.docx
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热芯盒工装的变形及预防措施
热芯盒工装的变形及预防措施
摘要:
据多年积累的实践经验,本文阐述热芯盒材质选择,热芯盒各部分结构设计及注意要点,验证过程中存在的问题,提出解决的办法,及可推广适用的范围。
主题词:
热芯盒射芯机工装设计热芯盒材料热芯盒结构热变形及预防措施
1热芯盒工装的变形
热芯盒制芯是将热固性树脂作粘结剂的芯砂吹射入芯盒内,通过电或煤气加热,使芯砂在芯盒内硬化到一定厚度(壳芯应倒出芯子中间未硬化的芯砂),并达到强度后,从芯盒中取出砂芯。
采用热芯盒工艺有诸多优越性,他的生产率高,劳动强度低,生产的砂芯表面质量好,尺寸精确,特别适用于形状复杂、强度要求高的砂芯。
壳芯还可节约芯砂,所以对于大批量生产的制芯车间来说,热芯盒制芯仍是首选的工艺。
尽管近几年出现了冷芯盒工艺,但热芯盒工艺制出的砂芯因其强度高、形状复杂、存放时间长,仍然是冷芯盒工艺无法代替的。
因为热芯盒制芯是在电或煤气加热情况下进行的,温度一般为200~230℃,所以有关的部件都会因为受热而膨胀变形。
因此,在设计中必须充分考虑由热膨胀带来的影响。
否则,热芯盒工装就会出现“咬死”、“起拱”、直线度与平面度超差等现象,轻则影响使用,重则报废。
所以有人总结说,设计的节约是最大的节约,设计的浪费是最大的浪费。
2热芯盒材料
2.1对热芯盒材料的要求
因为热芯盒模具的工作条件十分恶劣,它不仅在230℃左右受到周期性的一定压力的高速砂流冲击和冲刷,同时还要作为热芯盒树脂砂固化所需的热源,故对热芯盒材料有一定的要求。
所选用的材料应具有比热容大、导热性好、在高温下具有较高的强度和耐磨性、热处理变形小、热膨胀小、耐腐蚀且易于加工等性能。
芯盒材料的选用很重要,它将直接影响模具的寿命以及砂芯的质量和成本。
2.2不同材料的性能及使用范围
(1)铸铁(HT200)热膨胀系数小,尺寸比较稳定,比热容适当并且具有良好的脱模性、耐磨性及机加工性,变形小且价格低,一般作为芯盒本体、地框。
(2)钢虽然钢的导热性好,但其比热容比铸铁小,铸造性能及机加工性均差,且变形大,成本高,故芯盒本体很少采用,仅用于镶块等附件。
(3)铜虽然铜得比热容极低,导热性好,加工方便,但耐磨性不及铸铁,成本高,并易形成较多的氧化皮,故也很少采用,通常只用于镶块。
2.3部件材料的选择及热处理要求
芯盒部件材料的选择及热处理要求应根据其工件确定,如表1。
表1芯盒部件材料的选择及热处理要求
名称
材料
热处理要求
芯盒本体
HT200
消除内应力
托架
HT200
消除内应力
掏空块
HT200
消除内应力
加热板
HT200
消除内应力
水冷射砂板
HT200
消除内应力
射嘴
45
HRC45~50
镶块、活块
45Cu
无
顶杆固定板
20A3
无
盖板
20A3
无
顶杆、回位杆
45
HRC45~50
定位销
45
HRC45~50
定位销套
45
HRC45~50
回位杆弹簧
65Mn
消除内应力
芯棒
45
HRC45~50
排气塞
Cu
无
3芯盒结构
3.1芯盒本体壁厚及结构
3.1.1芯盒本体壁厚:
用电加热的芯盒本体,特别是不另设加热板的,一般均较厚,以保证有足够的热容量。
这里主要讨论用煤气加热的芯盒体。
用煤气加热的热芯盒多为壁厚均匀的壳体结构。
理论和实践均证明,壁厚太薄易变形,厚一些承受变形的能力会强一些,不同的芯盒其壁厚亦不同,见表2。
表2煤气加热芯盒体壁厚mm
射芯机类别
壁厚
壳芯机
15~25
12~16㎏射芯机
20~25
25㎏射芯机
≧25
40㎏射芯机
≧30
63、100㎏射芯机
≧35
3.1.2芯盒本体结构:
芯盒本体除材质要选好及内腔尺寸正确外,还要有合理结构。
a.分型面的接触面尽量减少
图1改进前的芯盒
图1中未打剖面线为芯腔,打剖面线为芯盒接触面,这是常规设计。
我们在验证过程中发现,经过反复加热后,芯盒总会发生变形,芯盒接触面越大,严密合模越困难,造成芯子射不满或射不实,无法保证制芯质量。
为克服以上缺点,经过分析后,改进如下图2所示。
图2改进后的芯盒
芯盒接触面应尽量减少,一般从芯腔上边缘算起15-20mm的宽度接触面比较合理,其余的面比接触面低2-3mm,这样合模易合严。
此工艺改进既解决了合模困难的问题,又给芯盒平面加工带来方便,因芯盒的非接触面加工精度要求低,改进方法适用于各类大型热芯盒。
b.分芯面复杂曲折,要预留间隙,例如左右芯盒体的凹、凸分盒面很多,如图3所示。
图3分芯面
芯盒长期在热环境下工作,肯定要变形,凹、凸接触面易犯“抗”,造成无法合模无法使用,凹、凸面很难修理,甚至要作废。
经过分析,在芯盒设计时很多接触面应预留间隙,凹、凸接触面(非直接形成砂芯面)预留间隙0.5~1mm,凹、凸接触面(直接形成砂芯面)预留间隙0.15mm,芯盒四周分盒面预留间隙为零。
实践证明,合模时,凹、凸接触面犯“抗”问题得以解决以上经验数据可供其它类似热芯盒设计借鉴,从而起到事半功倍的效果。
3.2顶芯与复位结构:
顶芯及回位结构是芯盒设计的重要组成部分,其设计质量直接影响到砂芯的质量、取芯效率及砂芯成品率。
3.2.1顶芯杆与复位杆直径大小的选择应根据具体情况而定。
下顶芯杆工作中要承受动载荷的冲击,偏细容易变形,一般应尽可能选大值,见表3。
表3顶芯杆与复位杆直径mm
名称
顶芯杆直径D1
复位杆直径D2
壳芯机
12~20
20~25
12~16㎏射芯机
8~15
15~20
25~40㎏射芯机
15~20
20~25
63~100㎏射芯机
20~25
25~30
顶芯杆的数量及布置应考虑到顶芯时平稳,顶芯杆与顶杆孔的配合应考虑到伸缩自如。
顶芯杆直径可选为D1–0.2-0.3,顶杆孔直径可选为D+0.10。
复位杆与孔的间隙可大些,孔的直径可比杆的直径大1㎜。
3.2.2顶芯结构
顶芯结构主要由顶芯杆、复位杆与顶芯板组成,顶芯杆固定在顶芯板上。
其中顶芯杆直接接触砂芯,也可以理解为顶芯杆的顶芯面是芯盒型腔的一部分,合模后顶芯杆的顶芯面必须保持与芯盒型腔圆滑平齐。
否则,制出的砂芯表面质量难以保证。
由于反复受热工作,顶芯板会变形。
顶芯板的结构非常重要,其厚度不能太薄,一般为20~25mm,同时一定要加防变形的加强筋。
见图4
图4顶芯板结构
a)结构不合理b)结构合理
图4中的a)图顶芯板结构是不合理的,实践证明,此种结构经过反复加热后,很易扭“麻花”,造成固定在其上的顶芯杆不能与芯盒型腔平齐。
砂芯表面质量差,有的甚至废掉。
为更换顶芯板,要等热芯盒冷却后从机器上卸下,重新加工顶芯板换上,然后将芯盒再安装,重新调试,这样的过程不仅费时,也浪费了很多人力物力。
因设计考虑不周不细,给以后的工作带来很多问题。
通过分析总结,如图4的b)图,顶芯板中间加了四道拉筋后,基本克服了a)图顶芯板结构的缺点,从而节约了人力,物力,财力,经济效益可观。
3.2.3回位结构
回位结构主要由回位杆、弹簧及顶芯板组成,回位杆固定在顶芯板,弹簧穿在回位杆上。
图5原回位结构
如上图5,当将左、右芯盒合拢时,弹簧被压缩,同时回位杆带动顶芯板及其顶芯杆回到原始位置,即将顶芯杆的顶芯面与芯盒型腔平齐,射砂后固化完毕,开模,同时被压缩弹簧的弹性势能转化为动能,通过回位杆带动顶芯板及其顶芯杆将砂芯顶出。
图中左右芯盒回位杆是错开的,开模瞬间弹簧释放能量太快,造成顶芯速度过快,这样砂芯薄弱处无法承受快速冲击,很易破碎。
这种芯盒结构的成品率最多达到83℅,另外破碎砂芯也难以取出,只能借助工具从凹坑中一点点剔出。
这不仅很易损伤芯腔,而且非常费时。
弹簧反复受热后,其弹性势能会减少,包络面大的一侧会顶不出砂芯,需要卸下并拆开芯盒更换弹簧,生产效率大大降低。
图6改进后回位结构
从图6中可以看出,左右芯盒回位杆相互接触一半面积,开模瞬间弹簧能量缓慢释放,降低顶芯速度,基本解决顶破砂芯问题。
同时,为解决顶不出砂芯问题,在设计中增加了反顶芯装置。
将砂芯包络面多的放在反顶芯装置一侧,将砂芯包络面少的放在没有反顶芯装置一侧(该侧有弹簧),开模时,有弹簧一侧缓慢顶芯,砂芯留在动芯盒(包络面多的一侧),动芯盒向后移到反顶芯杆处,反顶芯杆就会顶到顶芯板,动芯盒继续后移,就能将砂芯顶出,反顶芯距离一般为8-10mm,解决了顶不出砂芯问题。
采取以上改进,不但砂芯成品率提高到94℅,而且生产效率大大提高。
经济效益非常可观。
3.3定位销的布置
定位销的布置如图7所示。
实践证明,这样的布置既能保证热芯盒的准确定位,又能保证温度变化较大时,芯盒开盒自如。
a)12kg及以下热芯盒定位布局b)25kg及以上热芯盒定位布局
图7定位销布局
3.4加热板与下芯盒及底框的固定
加热板与下芯盒的固定结构图。
从图8中可以看出,衬套并未压紧下芯盒,而是留有0.3㎜的间隙。
这样处理的作用是当芯盒受热膨胀时,水平方向可伸展自如,从而避免了因芯盒变形带来的影响。
图9是加热板与底框的固定结构,其结构原理同图8。
该结构确保了加热板在受热膨胀时可沿水平方向不受限制地伸展,不会受膨胀变形的影响。
图8加热板与下芯盒的固定图图9加热板与底框的固定图
1螺钉2垫圈3衬套4下芯盒1螺钉2垫圈3上半加热板4衬套
5上半加热板6下半加热板5下半加热板6底框
3.5导向机构
导向机构也采用了图8和图9的结构原理。
3.6芯盒排气系统
芯砂要通过具有一定压力气流吹射入芯盒内,加热后成型。
其间,必须将气流排出,芯盒内不能存气,否则砂芯会射不满或射不实。
例如226B上下夹层芯热芯盒是垂直分型,很多芯腔面与射砂方向垂直,如图10,射制好砂芯比较困难。
它的排气尤为重要。
除惯用排气塞,主要介绍排气槽排气。
如图11。
图10芯盒局部剖视图
图11排气槽
图11中许多阴影面代表排气槽及排气孔。
试射过程,很多与射砂方向垂直的芯腔面处射砂射不满或射不实,这些位置比较狭小,安装顶芯杆后没办法再安装排气塞,即使勉强安装排气塞,更换也相当麻烦。
但气体必须排除。
一方面在就近分型面处顺着气流方向增开排气槽,一般排气槽深度为0.2~0.3mm另一方面将顶芯杆四周倒棱,倒棱厚度为0.2~0.3mm,如图12。
图12芯盒局部平面图
实践结果表明:
在芯盒接触面的关键处开排气槽及将顶芯杆四周倒棱,排气效果很好,一劳永逸。
而排气塞的反复使用,易堵塞,需经常更换,很费时,建议尽量开设排气槽,排气槽深度为0.2-0.3mm。
4加强工艺管理
加强工艺管理就是要根据生产的要求,制定合理的工艺文件,并在实际操作中严格执行,即要遵守工艺纪律和操作规程。
一套合理的工艺纪律和操作规程是经过反复实践总结制动出来的,是产品质量的保障,应认真贯彻执行,否则就会造成损失,这里着重提出两点:
(1)控制温度每套热芯盒均需安装测温热电偶,以便控制芯盒温度。
芯盒温度一般控制在200~230℃。
若温度太高,将造成芯盒变形太大,经常如此,芯盒很易变形报废。
(2)控制时间根据砂芯的大小、厚薄、形状复杂程度,冬天与夏天气温差异,选择合适的固化时间。
通过摸索取得经验,严格控制加热固化时间,使芯子既不会烧焦,又不会不熟(不固化),做到工艺与工装紧密结合,以确保产品质量和生产效率。
由于特殊的工作状况,热芯盒工装的变形是不可避免的。
但是如果在设计热芯盒工装时,正确选择材料,合理设计芯盒结构,制定正确的生产工艺并严格执行之,就会克服热芯盒工装热变形造成的影响,生产出合格的砂芯,促进铸件质量和产品质量的提高。
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