05-1502-1602-1602-1602-1602-1602-1602-1602-1602-16最新范文01-0101-0101-0101-0101-0101-0101-0101-0101-0101-0101-0101-0101-0101-0101-01Sorry, Page Not Found您所在位置： &
&nbsp&&nbsp&nbsp&&nbsp
锻造行业生产过程管理系统的研究与设计.pdf 64页
本文档一共被下载：
次 ,您可全文免费在线阅读后下载本文档。
下载提示
1.本站不保证该用户上传的文档完整性，不预览、不比对内容而直接下载产生的反悔问题本站不予受理。
2.该文档所得收入(下载+内容+预览三)归上传者、原创者。
3.登录后可充值，立即自动返金币，充值渠道很便利
你可能关注的文档：
··········
··········
硕士学位论文
锻造行业生产过程管理系统的研究与设计
姓名：张文新
申请学位级别：硕士
专业：计算机应用技术
指导教师：贾春福
随着计算机技术和网络技术的飞速发展和应用，传统制造业逐渐在其生产
管理过程中引入信息化技术，并且已经取得了明显的经济效益。锻造行业作为
机械装备制造业的基础行业，其生产制造能力已成为衡量一个国家工业水平的
重要标志。近年来，随着经济全球化和网络一体化进程的加快，国内锻造行业
在迎来机遇的同时也面临着巨大的挑战，传统生产管理模式已难以适应现代锻
造行业生产发展的需要，因此，锻造行业必须在其生产管理过程中引入信息化
本文中，我们首先对国内锻造行业的现状进行了调查，从行业生产特点入
手，分析了其生产管理过程中存在的问题，指出实行精细化管理是国内锻造行
业发展的必由之路，而信息化是提升企业精细化管理水平的有力工具；接下来，
从企业的实际需求出发，对信息化管理系统架构及系统网络架构进行了总体设
计；然后，对锻造行业生产过程中各业务流程的需求进行分析，重点对系统总
体架构、各功能模块、系统数据库以及系统的安全性进行了详细分析及设计；
此外，考虑到系统应用实际和企业未来发展的需要，对系统开发过程中的动态
权限分配与管理以及系统功能页面设置的关键问题进行了分析，并给出其实现
方法。最后，本文对系统应用后所带来的经济和社会效益进行了展望。
本文的现实意义在于将信息化管理思想引入锻造行业复杂的生产过程中，
能够有效解决行业生产管理过程中存在的一系列问题，加快其信息化发展进程，
具有行业针对性。与此同时，通过本系统在锻造行业内的研究与应用，对于推
动和提高装备制造业信息化管理程度和水平具有重要的参考价值和现实意义。
关键词：锻造行业生产过程管理信息化管理系统
●。一——————————————————————————————————————————————————一
technology
developmentapplications
industries
manufacturing
technology,traditional
intothecourseoftheir
information
production
introducing
technology
alsoachievedremarkablebenefits．Forgingindustry,
management，and
正在加载中，请稍后...铸造生产节能节材技术及装备-工作总结范文网
全站搜索：
您现在的位置：&>&&>&地质冶金
铸造生产节能节材技术及装备
第3章铸造生产节能节材技术及装备
铸造工业生产现状及节能减排2
数字化无模铸造精密成形技术及装备
电渣熔铸技术及装备4
轻合金典型铸造技术及装备
铸造技术未来发展趋势
机械装备工业节能减排制造技术 且我国铸造专业化程度只有30%，而发达国家铸造企1
铸造工业生产现状及节能减排铸造是铸造、锻压、焊接、切削四大主流成形工艺之一，是制造业的基础行业，汽车内燃机中铸件的重量占总重的70%～90%；机床、拖拉机、液压泵、阀和通用机械中铸件重占65%～80%；矿冶、能源、航空航天和国防军工等工业的重、大、难装备中铸件都占很大的比重和起重要作用。进入21世纪以来，尽管先进制业专业化程度达到80%～90%。我国相当多的铸造企业没有形成自己的特色产品，造成设备利用率低，能源资源浪费。我国铸造企业涉及从业人员约120多万，从业人员众多，但是与德、美、日等发达国家相比，人均劳动生产效率低下，约为日本人均劳动生产率的1/7。国外铸造企业普遍采用CAD/CAE等数字化设计和模拟软件，而我国多数企业还是以工艺员经验设计为造技术突飞猛进，但是作为具有6000年历史的铸造行业并没有大的变革，依然是通过木模、金属模等模具翻制铸型。铸造行业是制造业中的基础，我国制造业的迅速发展带来了铸件需求的大幅增长。2012年，我国铸件产量超过4000万t，是美、日、德三国铸件产量总和，铸件产量连续13年居世界首位。虽然我国目前已经成为铸造大国，但是还远远没有成为铸造强国，在产品质量和档次方面，我们还落后于发达国家。1.1
我国铸造行业基本概况据不完全统计，目前我国有铸造企业约3万家，比世界上发布统计数据的35个国家和地区铸造企业的总和还多得多。我国铸造企业数量多、规模小、专业化程度低，主要分布在东部发达地区。既有专业铸造厂，也有从属于汽车、机床等行业主机厂的铸造分厂或车间，但更多的还是乡镇铸造厂。一些大型发电机的转子、水轮机叶片等大型高质量铸件还依赖于进口。我国铸件出口以中低档产品为主，包括各类管件、散热器、厨具及浴具等，价格低，质量与发达国家相比也有一定差距。我国各地已经建成和正在建设一批铸造产业集群、产业基地和工业园区。如安徽省宁国“中国耐磨铸件之都”，河北省泊头“中国铸造之乡”，湖南省嘉禾“中国铸造产业集群试点县”，广东省高要“中国压铸产业集群示范基地”，福建省龙岩新罗铸造产业集群，南安英都水暖阀门铸件产业集群等。河南林州铸造集聚区的铸造企业300余家，年产汽车铸件达60万～70万t。工业发达国家的铸造企业规模一般都在年产5000t以上，而我国年产超过5000t的企业仅占1/6，年产超过万吨的大型铸造企业主要是重型行业、汽车行业、航空工业的专业铸造厂，这些铸造厂铸造工艺和设备都较为先进，已接近或达到国际水平。而广大乡镇企业一般是铸件年产量在数百吨左右的小型铸造企业，多数还处于国外20世纪70～80年代的水平。主，铸件加工余量大，尺寸精度低。目前大部分企业生产的铸件尺寸精度低于国际标准1～2个等级，废品率高出5%～10%，加工余量高出1～3个等级，加大了能源、资源消耗。我国铸造行业污染严重，据统计，我国每生产1t合格铸件，大约要排放粉尘50kg，废气m3，废砂1.3～1.5t，废渣300kg。2012年，我国铸件产量超过4000万t，排放废渣600万t、粉尘100万～140万t、废气200亿～400亿ｍ3、废砂2580万～2990万t，是发达国家的10倍。日本铸造工厂提出了3R的环境保护新概念，即减少废弃物、重用及回用。所以，铸造原辅材料绿色化是解决我国铸造资源的供求矛盾、减少铸造污染物排放的关键技术之一，也是铸造行业发展循环经济，实现可持续发展的必然。铸造作为热加工行业，生产过程消耗了大量能源，能源和材料的投入约占我国铸造生产产值的55%～70%。铸造行业的能耗约占机械工业能耗的23%～62%，能源利用率仅为17%，综合能耗是发达国家的2倍。每生产1t合格铸铁件，能耗为0.55～0.7t标准煤，而国外仅为0.3～0.4t标准煤；生产1t合格铸钢件的能耗为0.8～1t标准煤，国外为0.5～0.8t标准煤。铸造生产能耗主要包括以下几个环节：（1）金属熔炼，采用冲天炉、各种电炉、焦炭炉等熔炼设备进行铸铁、铸钢、有色合金等金属的熔炼消耗了大量煤炭、焦炭、电力，以及燃油和天然气等能源。（2）热法造型制芯及型壳焙烧。 （3）铸件热处理。欧洲铸造企业生产中金属熔炼与保温占能耗比例为50%左右，国内企业熔化与热处理的耗能比例为70%～80%，这主要是因为国内企业造型、砂处理、清理等工序自动化程度低。所以，我国铸造企业节能关键是提高熔化炉的热效率。与冷风冲天炉熔化铁液相比，使用炉气自燃外热式热风冲天炉可将热效率提第3章
铸造生产节能节材技术及装备
67 高到45.4%，而中频感应无芯电炉的热效率更可提高到70%。此外，熔炼铸铁时连续作业也能避免热量损失，我国大多数冲天炉每次只开4～8h，造成炉体蓄热损失，而工业发达国家多采用热风连续作业的长炉龄冲天炉。冶炼合金钢时，发达国家多采用AOD、VOD等先进设备，我国大多数仍采用电弧炉生产方式，且由于采用夜间低谷用电，每次只能开4～5次炉就停炉，而一般第一炉钢水和第三炉开始的钢水耗电量相差200kW?h/t，导致了炉体的蓄热损失。璃砂。湿法再生过程包括水洗、擦洗、废砂烘干、废水以及废气的处理等。湿法再生效果受到溶剂的温度、浓度及流动等的影响，而且产生大量废水，造成二次污染，废液的处理也制约了湿法再生的应用。湿法再生设备由储料斗、螺旋给料机、擦洗室、水泵、液力旋流器、振动分水器、离心脱水机以及流态床等组成，废砂通过擦洗、分离、清洗、脱水以及干燥等完成再生，同时再生产生的污水需要处理。热法再生是通过加热使含氢、碳、硫、氮的有1.2
铸造型砂回收再利用我国铸造生产过程的废砂，除了很少部分不经再生而直接用于背砂外，大部分作为废弃物排放，而发达国家基本上全部回收利用。废砂的大量排放，一方面造成大量有限优质原砂资源的浪费，不得不大规模地开采砂矿来补充铸造所用的新砂的需求，直接造成山体、海滩、河道等自然生态环境不同程度破坏；而另一方面，废砂中含有大量的二英、呋喃、甲醛、苯酚、水玻璃等有害物质，不仅造成土壤、水质、大气的严重污染，也对人的工作环境和生活环境构成严重威胁。随着国家对环境保护治理力度的日益加大，旧砂再生循环利用已成为铸造生产中迫切要求发展的技术。铸造废砂表面包覆着粘结剂膜，废砂再生就是要有效地去除包覆在砂粒表面的粘结剂膜，废砂再生的基本方法主要有干法再生、湿法再生和热法再生，以及上述三种方法的组合。干法再生就是通过撞击与摩擦将砂粒表面粘结剂膜去除。砂粒的粘结剂膜去除过程有两种形式：破裂和剥离。同时由于砂粒之间存在碰撞和搓擦，还可能磨掉砂粒表面的突出部分，实现砂粒圆整。当在外力的作用下，砂粒表面粘结剂膜受到的能量足以克服其附着能及内能之和时，将导致粘结剂膜破裂，使其从砂粒表面去除。干法再生主要通过碰撞和搓擦两种方式完成。碰撞再生是砂粒通过多次与撞击板撞击破坏砂粒和粘结剂膜之间的附着力，将粘结剂膜去除，一般用于粘结剂和砂粒之间的粘结力相对较低的脆性膜。搓擦再生是砂粒与砂粒产生相对滑动，与碰撞单一点的作用不同，而是沿线或面接触，对粘结剂的去除更快，也是以脆性粘结剂膜为宜。在采用干法再生设备进行再生时，一般都是将撞击或搓擦再生运用结合。干法再生设备包括离心式再生机、振动式破碎再生机、螺旋振动再生设备、多功能振动再生机等。湿法再生是利用水或溶剂将砂粒表面可溶性粘结剂溶解，实现废砂再生，可用于再生黏土砂和水玻机粘结剂燃烧从而获得废砂再生。由于砂子是固体颗粒物料，使砂子处于流态化状态可以获得最佳传热效果，传热方式包括对流换热、辐射传热和热传导，其中以对流换热为主。热法再生可以降低砂子的急热膨胀性以及发气性，使砂子表面更洁净、粒形更圆整，进一步提高了再生砂的铸造工艺性能。此外，低温加热脆化法是采用低温加热使塑性粘结剂膜变脆，使其适于干法再生去除。加热脆化与热法再生不同，不是通过加热去除粘结膜，而是使粘结膜脆化，所以加热温度低，粘结剂是在脆化后干法再生去除的，目前已广泛应用于黏土砂及水玻璃砂的废砂再生。热法再生设备是在机械再生的基础上通过焙烧炉，将进入的分离杂质后的废砂加热去除残留的有机粘结剂膜。高效流态化焙烧炉能够有效提高废砂热法再生的热利用率。混合型铸造废砂可以通过上述几种再生方式组合实现废砂的再生循环利用。广西玉柴机器股份有限公司铸造厂每年排放铸造废砂约15万t，随着铸造中心二期项目建成投产，每年废砂排放量将超过25万t。广西玉柴机器股份有限公司采用机械再生和热法再生组合工艺，工艺过程如下：（1）前处理。废砂在密闭室内进行破碎、筛分、磁选、风选得到预处理废砂，浮尘通过脉冲除尘器收集。（2）机械再生。预处理废砂经过多缸串联柔性机械擦洗去除表面残留的惰性膜，并在FA型砂除膜剂和CS型砂改良剂辅助作用下恢复其原貌，然后进行砂液分离脱水，脱出水和擦洗用水经絮凝、沉降、分离污泥后过滤循环使用，含水污泥经压滤后和脉冲除尘器收集的细粉通过螺旋混合器混合湿润（以防止细粉搬运扬尘）后进入细粉贮罐，细粉含大量煤粉可供水泥、制砖外掺料及其他铸造厂作代用煤粉使用。（3）热法再生。脱水后的湿砂进入太阳能、地热68
机械装备工业节能减排制造技术 能烘干房进行烘干，后进入天然气焙烧系统进行低温焙烧。（4）冷却、贮存。经焙烧的再生砂进入冷却系统冷却，冷却系统余热回供烘干系统重复利用，经冷却的合格再生砂密闭风送至成品罐贮存、回用。主要用到的机械设备及设施包括破碎机、筛分机、磁选机、脉冲除尘机组、机械再生擦洗线、回用水处理系统、烘干线、焙烧线、冷却机组、余热回收 系统、气体输送系统、带式及斗提输送系统、贮罐等。硬化速度快、硬化强度高，所以可保证砂型芯的尺寸精度，生产的铸件缺陷少、成品率高，生产效率也高。溃散但是水玻璃CO2硬化砂存放过程中表面易粉化、性差且不易回收利用。研究人员通过对水玻璃砂改性以达到提高粘结强度，增加抗吸湿性和改善溃散性的目的。水玻璃改性方法包括：加入阻缓老化的改性剂，减缓老化速度，例如聚丙烯酞胺阻缓水玻璃老化的有效期对低模数水玻璃约2个月，对高模数水玻璃约1个月；提高强度的化学改性，可以提高单位水广西玉柴机器股份有限公司采用铸造废砂再生循环利用技术以后，不仅能够年处理废砂25万t，年产再生砂20万t；还能年产副产品5万t微细粉污泥。这种微细粉污泥（代煤粉）富含25%～35%的有效精煤和30%～40%的活性黏土，可被水泥厂、砖厂、小型铸造厂等市场利用，可为他们节约煤及黏土使用量，降低了他们的制造成本，真正做到了变废为宝，使得铸造废砂再生循环利用率达100%。1.3
铸造型砂绿色化铸造型砂中的湿型砂和树脂砂在铸造生产中产生了的大量的废气，废气中含有二英和呋喃两种持久性污染物，不仅严重损害人类的健康，而且造成了环境污染，尤其是二英，它是一级致癌物，毒性巨大，会引起人类各种疾病与畸形。所以实现铸造型砂绿色化是实现绿色铸造必然环节。铸造型砂绿色化就要使用对环境无污染的环保型砂或开发低毒性、低污染的新型型砂，主要通过粘结剂绿色化、添加材料绿色化和辅助材料绿色化实现。型砂用到的粘结剂可分为无机粘结剂和有机粘结剂两大类，主要包括黏土、水玻璃、树脂等。采用传统黏土作为型砂粘结剂生产的铸件尺寸精度低，表面质量较差，容易产生粘砂、夹砂和结疤等表面缺陷，所以需要加入一定量的煤粉。而作为黑色粉状物，煤粉的加入，容易造成粉尘飞扬，污染环境，同时浇注过程中，产生大量含有一氧化碳和致癌物苯并芘的烟气，危害工人健康。目前，已有研究人员开发出黄壤土天然黏土作为粘结剂而不需要添加煤粉，能有效预防粘砂的缺陷，得到表面光洁的铸件，而且对环境污染小。作为无机化学型粘结剂，钠水玻璃是铸造生产中应用最广泛的。水玻璃作为粘结剂在浇注过程中不燃烧并且无烟，不产生有害气体，是最有可能实现绿色铸造的型砂粘结剂。且水玻璃砂流动性好、易紧实、玻璃的强度，改善水玻璃砂溃散性，用硼酸盐、磷酸盐、铝酸盐等改性的水玻璃，其强度得到了提高；在抗湿性改性方面，使用钠锂复合水玻璃或往混合料中添加质量分数为1%的LiOH的溶液，有助于改善水玻璃砂的吸湿性。添加材料指在铸造中为了改善型砂的某些性能而在型砂中添加的一些特殊材料，如煤粉、淀粉、溃散剂、促硬剂等，添加材料绿色化就是在铸造过程中使用环保型添加材料。煤粉在高温浇注中会产生大量的烟尘，内含挥发性有机化合物成分主要为苯、酚以及它们的多种烃基替代衍生物，其中的多种化合物毒性和致癌性较大。目前环保型煤粉替代品有FS粉、MD粉、α―淀粉等。其中FS粉由多种有机纤维质和无机组分组成，无毒无味、无腐蚀性、无粉尘污染，是理想的煤粉绿色替代品。此外，FS粉用量仅为煤粉的1/3左右，铸造工艺性能优异。FS粉型砂既有良好的韧性，又具有较好的流动性，很好地解决了铸型凹坑、拐角等处砂型充型问题，而且改善了起模性能。FS粉砂型水分敏感性小，性能稳定，可提高型砂的热湿拉强度，防止产生夹砂结疤缺陷。北京华德液压工业集团铸造分公司使用FS粉全部代替煤粉后，型砂的综合性能及浇注的铸件表面质量均达到很好的效果。桂林1号粉是天然胶质植物经醚化处理而成的水溶性天然植物类的潮型砂强化剂，是无毒无害的碳水化合物。该强化剂能大幅度提高型砂的热湿拉强度、退让性、溃散性及表层风干耐粉化性，同时发气量低，可有效地消除浸入气孔和析出气孔。华中科技大学机械厂使用了桂林1号潮型砂进行生产，配方为砂15%+旧砂85%+桂林1号粉1.5%+膨润土0%～2%+水6.5%～7%”，结果表明型砂的溃散性和退让性好，生产的铸件质量好，大幅度减少了夹砂、粘砂、气孔、砂眼等缺陷。铸造用辅助材料包括涂料、脱模剂等。目前国产脱模剂多为油类，易产生油雾，污染空气，影响操作（代煤粉）“新第3章
铸造生产节能节材技术及装备
69 工人身体健康。而水溶性脱模剂无油雾对环境污染小，且操作安全，已逐步发展成油基脱模剂的代替品。通过改变硅油、表面活性剂等的配比，环保型水溶性脱模剂可以改善其稳定性、不分层，且脱模效果可以进一步提高。由于水溶性脱模剂流动性好，也适用于自动喷涂使用。为了人类健康和环境保护更加符合未来的环境保护法规，无机粘结剂采用热空气硬化，浇注过程不产生有害气体，是一种环保型粘结剂。目前无机粘结地之一，拥有庞大的铸造、机械加工、冲压等工艺生产能力，每年形成约有10万t铸铁屑、废钢屑及下脚料，不但造成了资源的巨大的浪费，并且给公司造成了巨大的损失。钢铁废屑的回收利用关键是钢铁屑的熔炼技术。国内一般的回收再熔方式多采用冲天炉，由于鼓风机送风强度较大，铁屑铁液氧化严重，也造成了空气污染。为了提高利用率和减少污染，国内一些企业选用电炉直接熔化铸铁屑，由于空气氧化造成铸铁屑利用率在80%左右。此外，还可以采用电剂在宝马、大众等汽车铝合金铸件上得到应用，占制芯总量10%左右，未来几年每年以5%速度递增，伴随日益严格的环保要求，无机树脂将逐渐取代有机树脂。并可以实现复杂几何形状砂芯的铸造，减少砂芯发气引起的铸造缺陷。1.4
铸造回炉料及金属废屑回收再利用铸造回炉料主要包括废铸铁、浇冒口、剩余金属液锭、铁豆等。铸造回炉料回收再利用首先要进行回收料的回收处理，去除有害杂质，并加工成具有一定尺寸、形状和致密度的清洁的可入炉炉料。在废钢铁回收利用方面，相比于生铁具有遗传性，可能会产生铸造缺陷，回炉铁经过一次或多次熔炼，可遏制生铁的遗传性，利用铸造废钢铁回炉料作为灰铸铁的金属炉料利于提高铸件质量。而且回炉料的来源广泛，即使其中某一部分废铸件带有遗传性，但受其比例限制，其遗传性也不易达到有害作用的临界值。在工业发达国家由于其废钢供应充裕，为了实现废钢回收利用采用废钢和回炉料并用增碳的方法来生产力学性能良好的“合成铸铁”，废钢用量达60%～100%。铸造有色合金回炉料回收再利用可以缓解我国有色金属供不应求的问题。铸造铝合金回炉料回收再利用包括预处理、重熔炼和浇注。预处理包括废料的分割拆解以及分类筛选。尤其是铁作为铝合金废料中最有害的杂质，不易机械分离，一般采用电磁法和热析法去除。铝合金废料重熔炼可根据产品要求适当调配合金成分并进行精炼，最终浇注出铝合金铸件。铸造镁合金回炉料主要是压铸废料和铸造废料，包括废件、流道结块、飞边等，其回收再利用工艺流程为熔化、去除氧化物、除铁、调整化学成分、除气以及铸锭。可以采用双炉法和过滤法进行体积较大的清洁镁合金回炉料熔炼。我国机械加工每年产生大量的切削铁屑，造成了资源的浪费，且一般露天堆放，使含有的切削液也造成了环境污染。山东时风作为我国最大的机械制造基弧炉炼钢法进行钢铁屑熔炼生产碳素结构钢、高锰钢、低合金结构钢等。铝合金铸件机加工产生的切屑废料约占其重量的20%～30%，其回收也是按照分类，去除铁夹杂物、清理并进行重熔。采用火焰反射炉或铸铁坩埚重熔铝合金切屑可以提高回收率，火焰反射炉重熔产量高、含铁量低，但铝液氧化严重，回收率低；采用铸铁坩埚熔化回收率高，需涂抹涂料，防止铁与铝液直接接触，使铝液含铁量提高。镁合金切屑的再生方法包括蒸馏法、电解法、熔解法。其中，蒸馏法是利用镁中杂质的蒸气压不同将镁合金废料再生为高纯镁，能耗较大。电解法是利用电解原理进行镁精炼，电解精炼电耗也较高。熔解法是镁合金铁屑回收最常用的方法，可以采用坩埚炉法和盐浴槽法进行表面附着油、脱模剂、润滑剂的切屑的熔炼。熔炼上，日本大同特殊钢与新日本制铁（株）和法国Usin-Sacil一起共同开发了DC电弧炉（DC arc furnace）。大同特殊钢已建立了洁净钢制造系统ELVAC，为世界第一综合钢铁制造过程。它包括电弧炉熔炼，钢包精炼，真空脱气和连续铸造，其核心是钢包精炼（Ladle Furnace Refining）。大同已开始用新发展结合了RH真空脱气系统AOD（Argon-Oxygen Decarburizing）炉精炼生产洁净不锈钢。1.5
铸造绿色制造工艺及装备在电渣熔铸短流程铸造方面，电渣熔铸技术最早起源于美国20世纪70年代，是在电渣重熔技术的基础上发展起来的，集钢水精炼与铸造成形于一身。国际上以乌克兰巴顿电焊研究所、德国ALD公司、奥地利INTECO公司、美国Cansarc公司为代表，研发了一系列新设备、新技术。由于电渣锭在铸态下就具有良好的与普通锻造或轧制钢锭大致相当的性能。无论从宏观上还是微观上，电渣钢锭的化学成分都是非常均匀的，缺陷和夹杂物也很少，且具有良好的力学性能，因而在国外得到了广泛的应用。从发展情况看，70
机械装备工业节能减排制造技术 控制系统已由简单自耦，手动控制，发展为晶闸管或PLC控制，部分厂家采用了计算机控制。传动机构方面，已由精密球型丝杠及液压传动取代了钢丝绳及梯形丝杠，使支臂及托锭承重小车升降更加灵活、平稳、准确。另外，立柱旋转取代了支臂旋转，解决了支臂旋转巨大齿轮制造及安装方面困难，减少了零部件重量，所占空间及造价，转动更加灵活，设备外观给人以简洁明快之感。变压器由过去冶炼过程中必须断电换挡无载有级调压，发展为不需断电即可动态调整潮。目前全国有10多家科研院所从事消失模铸造技术的研究和推广工作，涌现出数十家为消失模铸造服务的专业设备、模具制造和原辅材料厂商。在我国有22000多家铸造企业中，消失模铸造企业仅仅有100多家，大量企业仍然是传统的砂型铸造技术。铸造污染大，零件加工余量大，工艺出品率低，排除大量的废水、废渣以及粉尘，急需在铸造行业推广消失模铸造技术。虽然我国消失模铸造技术率先在箱体类铸件、管接头及阀体类铸件和耐热、耐磨合金钢铸件以冶炼电压有载有级和有载无级变压器，有载无级变压器可以带有负载，即冶炼过程中，不需断电就可把电压调整到任何所需位置。有载无级调压变压器的出现，为实现真正意义上计算机控制提供了必要条件。从变压器冷却方式上，由原来强制油循环冷却，发展为干式风冷。铁心材料质量提高，变压器发热现象明显减弱，自冷式变压器将成为电渣炉用变压器发展方向。我国是电渣冶金起步较早的国家，属于电渣冶金技术先进国家。但是采用电渣熔铸、电渣浇注、电渣转注、电渣热封顶、电渣离心浇注、电渣复合熔铸、快速电渣重熔等新技术方面普及面不宽，某些领域近乎处于空白状态。我国冶炼工艺与计算机结合方面存在着薄弱环节，当前很多厂家计算机控制实质上停留在一般冶炼过程控制上。真正意义上计算机控制应当是控制冶炼过程的同时控制熔化速率及熔池深度和形状。沈阳铸造研究所在电渣熔铸技术研究方面现已取得了一定的进展，获得了技术上的突破，所制造的大型电站用水轮机叶片、挖掘机复合斗齿、气压机连杆获得了较好的使用效果。在消失模铸造工艺方面，美国是消失模铸造工艺的领跑者，其消失模铸件的产量已经占世界产量的50%以上。欧洲消失模铸造技术应用晚于美国，但研究开发发展非常迅速。由意大利法塔公司设计，在伯明翰附近建成了世界先进水平的萨金诺铸造厂，年产量已经达到50万只铝合金缸体和50万只缸盖。从国外技术发展研究看，正在进一步研究消失模的铸造工艺流程、铸造工艺设计准则、消失模铸造的缺陷形成机理以及解决措施、消失模铸造的工艺优化设计、新型合金在消失模铸造中的应用研究以及典型零件的消失模铸造技术研究等，以进一步完善消失模铸造工艺技术，更好地推广应用。20世纪90年代初，继美国、德国和日本等发达国家之后，我国掀起研究和推广消失模铸造技术的热及汽车零部件等铸件上获得成功应用，形成我国消失模铸造之特色，但是目前国内仅机械科学研究总院、清华大学、华中科技大学等科研院所和高校开展消失模铸造技术研究，由于资金的缺乏，缺乏对消失模铸造技术的系统化、标准化的研究以及理论基础研究，已经成为消失模铸造技术进一步发展和工业应用的瓶颈。对比国外水平，我国消失模铸造工艺存在以下四个方面的差距：（1）由于成套成熟工艺的缺乏，我国消失模铸件产量偏低。（2）有待优化完善消失模铸造成套工艺技术。 （3）企业缺乏成套的工艺技术指导手册。 （4）铝合金消失模铸造工艺存在问题多。 铝合金、镁合金等铸造技术得到推广应用，例如在汽车工业上，应用压铸工艺生产铝合金缸体和支架等，采用金属型重力铸造生产缸盖、进气管和活塞等，采用低压铸造制造缸盖、缸体等，采用挤压铸造、半固态铸造生产活塞、转向节、转向臂等。发动机缸体、缸盖、活塞、进气歧管、水泵壳、发动机壳、起动机壳、摇臂、摇臂盖、发电机支架、气门室罩盖等均采用铝合金铸造件。北美及欧洲的每辆汽车平均用镁合金3.5kg，目前年增长率为24%，10年后镁在汽车上的应用可达每车10kg，福特公司单车最大用镁量计划可达到118kg，大众公司年计划达到178kg。铸造业“十二五”规划中明确指出：积极采用先进铸造技术与装备，优先发展铸造产业重大技术装备，必须建立造型（制芯）砂处理、熔化、浇注、除尘和铸件检测设备龙头企业产业集群。关于机械化浇注机、全自动浇注机，保温浇注炉都有采用，国产全自动浇注机尚在初试阶段，气压浇注炉还依赖进口。德国德毓克（Dueker）公司的名字伴随着高品质的铸件流传了500多年，现在它已经成为供水、供气、承压管道和管件，排水管领域的领航者。凭借悠久的铸造历史和经验，其研发的无焦冲天炉和
铸造生产节能节材技术及装备
71 设计无法造型。不仅严重阻碍了我国汽车产业升级换代的步伐，而且成为国防军工、航空航天等国家重大工程进度的瓶颈，已经到了不得不改的地步，但缺乏新技术的推动。从木模、塑料模、金属模、蜡模一直到消失模铸造，传统铸造工艺一直局限在模样变革上，难以有较大的突破。数字化无模铸造精密成形技术是在铸型三维CAD模型驱动下，采用开发的专用设备和刀具进行铸型数控加工，将加工铸型合模浇注得到金属件，极大地推动了铸造行业的发展。离心铸造机已经在其工厂平稳运行30年之久。无焦冲天炉的显著优点为：间歇开炉的工厂可免去焦炭存储和运输的烦恼；熔炼工艺中以天然气为能源，容易调节和控制稳定的出铁温度，灵活的熔炼操作性能；熔炼工艺精确可靠的增碳功能，铁水质量好，化学成分稳定，波动小，流动性极佳；环保，硫化物和炉渣等造成空气污染的有害物质排放较少。德毓克公司设计了两种工艺方法的离心铸造机。热模工艺法，模具预热和喷涂料无需高耗能的终退火，模具寿命长。而水冷工艺法，采用无需处理的水冷模具，基本用于承压管道的批量生产。德国昆格瓦格纳公司（KW公司）创建于1907年，早起从事铸造技术的机械制造。1911年第一台（手动）造型机问世以来，KW公司为在研制铸造设备的同时，为铸造技术发展做出了重大的贡献。1950年后期，公司成为第一批提供全自动造型线的公司。20世纪80年代研发了一系列砂芯过滤方案。KW公司主要以造型线技术和砂处理设备著称。主要有EPM、APM、DFM以及HPM四种类型的造型机。砂处理设备为旧砂冷却器和混砂机。丹麦DISA迪砂公司（DISA）以生产铸造用的垂直分型无箱射压造型线和抛丸机而闻名于世，它从1964年出售第一台这种造型机以来，在短短的10多年发展很快，截至1988年就向全世界出售了700多条。我国1967年引进了2011型，使用良好。迪砂公司为铸铁及有色金属铸造业开发并制造一系列整体的金属铸造解决方案。迪砂公司的造型产品系列包括了各类潮模砂造型机，有垂直造型机DISAMATIC?）、双面模板造型机（DISA MATCH）和水平有箱（DISA FLEX）造型机。该公司为许多客户提供了整体铸造线，主要包括垂直造型线、双面模板造型线、水平造型线和震压造型线。其中除了造型技术平台外，还包括了完整的砂处理系统、输送系统、冷却系统、清洗系统、CIM模块及制芯系统等。2
数字化无模铸造精密成形技术及装备传统铸造存在劳动强度大、制模周期长、成本高、资源浪费、废弃物排放多、数字化水平低等问题，尤其是以汽车缸体缸盖、航空发动机、导弹架等为代表的复杂金属件尺寸大、形状复杂，壁厚厚薄悬殊，铸型制作难度大。需用十几套乃至几十套模具翻制，组芯合模困难，尺寸精度难以保证，甚至一些好的结构数字化无模铸造精密成形技术与装备是计算机、自动控制、CNC、铸造等技术的集成创新，三维CAD模型直接驱动设备进行铸型加工，合模组装后浇注出金属件。与传统铸造相比，其不需要木模等模具，缩短了铸造流程，特别适合于单件、小批量复杂零部件的快速制造，在节约铸造材料、缩短工艺流程、减少铸造废弃物、提升铸造质量、降低铸件能耗等方面具有显著特色和优势。2.1
数字化无模铸造精密成形加工方法数字化无模铸造精密成形技术是铸型数字化加工和组装造型的无模化金属件制造技术，实现了单件、小批量、复杂金属件的快速制造。该技术将先进的数控切削技术应用于砂型制造，为传统的铸造技术提供了一种新的绿色、快速制造的方法，带来了铸造尤其是铸型制造技术根本上的变化，避免了木模制作，缩短了铸造流程。随着市场全球化以及竞争的不断加剧，产品更新换代的速度不断加快，新产品的开发、研制、生产周期短、批量小、更新快成为制造业的必然趋势。那么如何在短时间内低成本地制造出精度高、合理的铸型则成为铸造工作者研究的热点和重点问题之一。于是铸型的生产方法发生了显著变化。在普通的砂型制造中，从传统的有模铸型生产发展到无模铸型是铸造生产中的一次重大变革。有模铸型生产需要工艺转换，周期长，成本高，且存在精度损失，难以制造出高精度、表面质量好的铸型，不能更好地满足小批量大型铸型的生产要求。有模铸型的制造工艺路线图如图3-1所示。首先根据金属件的CAD模型设计铸型和制造铸型所用的模具，通过手工的方式制造木模等模具，遇到复杂的铸模，还需要采取机加工的方式制造金属模具或者塑料模具，然后再通过翻模得到铸型和砂芯，在合箱浇注出金属件。整个过程环节较多，人为影响因素大，大部分都是以二维图样为基础进行设计、制造。（72
机械装备工业节能减排制造技术
传统有模制造工艺路线图鉴于传统的有模铸造制造周期长、成本高，且产品开发略微发生改动，就要推倒重来，严重影响了新产品开发的速度，将快速成形技术和数控切削技术应用于砂型制造为传统的铸造技术提供了一种新的绿色、快速制造的方法，带来了铸造尤其是铸型制造技术根本上的变化，避免了模具制作，缩短了铸造流程，尤其适合于单件、小批量、大型铸型的生产，其工艺路线如图3-2所示。
无模铸型制造技术路线图为了实现金属件的快速制造，提出了基于铸型数字化加工的金属件无模化快速制造方法，其工艺路线如图3-3所示。根据铸型的三维CAD模型进行分模，并结合加工参数进行砂型切削路径规划；对规划好的切削路径在计算机中进行加工过程的模拟仿真，确保不会发生刀具干涉和砂型破坏；将已经固化好的砂坯置于加工平台上进行铣削加工，加工产生的废砂被喷嘴吹出的气体排除。最后将加工的铸型单元组合浇注，得到合格的金属件。该方法省去木模制造，改变了传统的有模制造方式，能够大大缩短加工制造周期，节省材料，特别适合于单件小批量零件的快速制造。
无模化砂型制造技术路线图数字化无模铸造精密成形机是计算机、自动控制、新材料、铸造等技术的集成创新和原始创新，三维CAD模型直接驱动铸型制造，是一种全新的复杂金属件快速制造设备，能够实现复杂金属件制造的柔性化、数字化、精密化、绿色化、智能化。不需要木模及模具，缩短了铸造流程，实现了传统铸造行业的数字化制造，特别适合于复杂零部件的快速制造，在节约铸造材料、缩短工艺流程、减少铸造废弃物、提升铸造质量、降低铸件能耗等方面具有显著特色和优势。与传统铸造技术相比，数字化无模铸造采用型芯直接数字化加工，取消了拔模斜度，提高了零件的成形精度，减少了零部件设计中加工余量；型芯柔性化的设计和灵活多样组合，为零部件的设计和制造提供了充分的自由度；数字化设计、模拟仿真与加工制造第3章
铸造生产节能节材技术及装备
73 一体化；多种类、激冷效果各异的型砂可构造自适应复合砂型。与传统有模铸件制造相比，加工费用仅为有模方法的1/10左右，开发时间缩短50%～80%，制造成本降低30%～50%，见表3-1。表3-1
传统有模铸造和无模铸造对比表类别 制造 周期 造型 工序 成形 精度 生产 成本 绿色 环保传统有模铸造数字化无模铸造对比分析结果无模铸造周期30～90天1～15天更短，缩减50%～80%多次翻型直接制造无模铸造流程更短 无模铸造精度高 无模铸造低1/10 无模铸造更绿色化、清洁化加工出现坍塌、表面粗糙、高速旋转的刀具加工崩刃与磨损、加工的废砂如何及时排除及刀具冷却、砂型芯如何高效高精加工等技术难题。围绕方法、刀具、工艺等方面，数字化无模铸造精密成形关键技术主要包括专用型砂加工材料、高耐磨长柄长寿命加工刀具、刀具冷却及废砂排除一体化以及自适应铸型等。1．专用型砂加工材料
铸型加工不同于金属加工，铸型作为非均质离散体，主要是砂粒通过粘结剂粘结而成，加工过程极易发生薄壁砂型坍塌以及砂粒剥离引起的表面粗糙问题。传统的树脂自硬砂、覆膜砂、水玻璃砂等铸造常用型砂配方可以基本满足金属件无模化制造工艺的要求，但在加工复杂、薄壁等铸型时容易出现塌型、强度不足等现象。无模铸型数控加工既需要砂型（芯）固化速度快，硬化后具有较高的强度，还要具有良好的透气性，较好的尺寸精度及表面质量。无论是树脂砂还是水玻璃砂都是由原砂和粘结剂、固化剂混合而成，尤其是原砂的物理性能和质量对砂型切削过程有着重要的影响。铸造用原砂一般是以石英为主要矿物成分的天然硅砂。它的物理性能主要包括原砂粒度、颗粒形状和表面状态等。表3-2为铸型数控切削加工中原砂的化学、物理性能指标。低（CT13～CT15） 高（CT8～CT12高（主要是模具） 封闭成形、无工艺补贴量、资源消耗少粉尘多、资源消耗大、工作环境差造型自差（单件小批生产几无模铸造自动动化乎全部手工造型） 直接制造铸型）化程度更高2.2
数字化无模铸造精密成形关键技术由于对型砂直接切削加工，存在着复杂薄壁砂型表3-2
原砂化学、物理性能指标粒度2含量（%）2O3含量（%）Fe2O3含量（%）K2O+Na2O含量（%）TiO2含量（%）含泥量（%） 角形系数 70/140 100/200≥≥≤0.30 ≤1.5≤1.2 ≤1.2
铸型数控切削加工工艺主要针对复杂铸型的制造，所以原砂的颗粒尺寸要求适中，颗粒尺寸过小，不易混合均匀，且铸型透气性差；但又不能太粗，否则切削过程中容易引起大的砂粒剥离，影响加工铸型表面的质量。因此，铸型数控切削工艺的原砂粒度级别一般为70/140目和100/200目。另外，原砂粒形也是影响铸型性能的因素之一。根据GB规定，原砂的颗粒形状可分为三二是多角形，种：一是圆形，颗粒为圆形或接近圆形；颗粒为多角形，且多为钝角；三是尖角形，颗粒呈尖角形，且多为锐角。在其他条件相同的情况下，圆形砂的紧实度高，砂粒的实际比表面积小，砂型强度比尖角形砂高很多，尤其是在铸型切削加工过程中，当刀具与砂粒发生碰撞时，圆形砂容易脱落而不对加工表面造成较大的损害，而尖角形砂细而长，与刀具碰撞，随着嵌入型砂内部的细长砂粒飞出，容易引起加工表面产生凹凸甚至发生边缘的坍塌。故铸型数控切削加工工艺应尽量选取圆形砂，可以增强型砂砂坯的强度，减少刀具磨损。实验中用的原砂为大林擦洗砂，尤其是覆膜砂采用的是宝珠覆膜砂，砂粒为球形，流动性好，表面光滑，结构致密。大林擦洗砂和宝珠覆膜砂微观照片如图3-4、图3-5所示。74
机械装备工业节能减排制造技术
砂粒对切削的高速钢刀具的磨损作用是“磨粒磨损”和“碰撞冲击”双重作用的结果。砂坯中的硬质颗粒使刀具材料迁移，造成刀面材料的微小剥离。在铸型切削中，砂块中的SiO2、粘结剂、已加工表面上粘附的切屑（散砂粒）等硬质点如同“磨粒”一样摩擦刻划微切削刀具表面，最终致使刀具表面形成擦痕、犁沟以及崩刃现象。分别采用高速钢刀具、硬质合金刀具及PCD刀具进行了相同条件下的对比磨损实验。在铸型加工图3-4
大林擦洗砂微观形貌图
宝珠覆膜砂微观形貌图2．砂型切削专用刀具
在铸型高速切削加工过程中，刀具受包裹着粘结剂的砂粒摩擦碰撞冲击，产生较大磨损。切削中，铣刀高速旋转且无切削液，表面容易形成明显划痕甚至发生崩刃现象。图3-6所示为高速钢铣刀切削砂型后在超景深三维显微系统VHX-500K下刀刃表面图像，可以清楚地看到平行的划痕。这是切削过程中，砂粒沿刀刃旋转切线方向对刀刃表面进行颗粒磨削及碰撞作用的结果。
高速钢表面的明显划痕
中，聚晶金刚石（PCD）刀具呈现出良好的抗磨损性能，在切削初期出现小的刀具磨损（0.06mm），随着切削时间增加，刀具也未出现明显的磨损特征。在刀具磨损曲线中，PCD刀具曲线近似为平行于X轴的直线。然而，高速钢和未涂层的硬质合金刀具出现显著磨损趋势，两种类型的刀具从切削初始就出现明显的磨损量，随着切削长度的增加，磨损急剧增加，直到刀具失效。实验表明，高速钢刀具切削6min就发生正常磨损失效。未涂层硬质合金刀具连续切削10min后也发生正常磨损失效；而PCD刀具可以连续切削700h以上。对于加工的复杂铸型大部分是深腔结构，铸型强度有限，尤其是薄壁复杂件，刀具不合理易造成无法加工、铸型破坏等问题，为此需要开发大长径比、高速长寿命加工的刀具。铸型数字化加工专用的长杆式金刚石加工刀具采用长杆式金刚石方式。该长杆式金刚石刀具刀刃长度为3～4mm；刀身材料采用低成本的白钢磨削而成，对刀头直径小于或等于6mm的刀具，刀身材料选用硬质合金以增加刚度；为适应复杂铸型深腔加工要求，刀颈长度延长至80～150mm；同时为了不同铣刀换刀方便，刀柄统一为13mm，长度50mm。与普通铣刀相比，专用刀具具有耐磨性好、加工深度深、换刀方便等优点，金刚石刀具可以连续切削1000h以上。专用金刚石刀具如图3-7所示。
专用金刚石刀具3．刀具冷却和废砂排除一体化技术
在铸型加工过程中产生了大量废砂，如不及时清理会严重影第3章
铸造生产节能节材技术及装备
75 响加工质量和刀具寿命。另外，由于不能用冷却液对刀具进行冷却，加工砂型时容易产生大量摩擦切削热，导致刀具失效及破坏。刀具冷却与废砂排除一体化系统，通过节气喷嘴的高速气流将刀头附件的废砂带走，解决铸型高速加工中刀具摩擦、磨损、冲击崩刃等问题，实现了气动排砂和刀具冷却一体化（见图3-8）。该系统采用了可调减压阀，将输入气压控制在4MPa以内，为喷嘴提供稳定的进口压力。采用二联件过滤阀过滤压缩空气携带的微小水珠和杂质。通过节气阀调节过滤后的压缩气体流量，最后通过电磁阀接受控制系统指令控制喷嘴气流的开关。
加工废砂前后对比采用分布在刀具两侧的节气喷嘴，使高压气流交叉覆盖刀头，并随切削刀具一起运动实现随动排砂，同时对刀具提供了强风冷却，解决滞留砂屑影响加工精度和刀具寿命的问题。喷嘴气流在切削加工开始前启动，在加工结束后一段时间内停止以保证刀头附近没有砂屑。采用节气喷嘴排砂，喷嘴在距离加工表面150mm以上，随着气流流动废砂能够有效排除。同时对刀具提供了强风冷却，刀具升温在10℃以内。多喷嘴吹砂系统如图3-9所示。
控制，电主轴采用进口主轴单元，主轴变频调节，实现无级调速。数控系统采用开放式系统，通过编程输入可自动实现各种复杂形状铸型的加工，特别适合于多品种、中小批量产品的生产，能满足对复杂、高精度零件铸型的加工。该机采用全密封结构，外形大气美观，操作维修方便，由于整体刚性好，可实现高速、大进给量的切削，效率高，广泛用于机械、汽车、摩托车、阀门、仪表、医疗、航空航天、军工等行业。由于铸型的加工是由数控系统完成的，所以铸型的尺寸形状精度高，加工的周期短，极大地满足了上述各行业的需求，引领了当今绿色制造的潮流。数字化无模铸造精密成形机，采用封闭加工空间，产生的废砂、粉尘都可以回收，能够实现在苛刻条件下运行的稳定性和可靠性；运动系统采用高架动梁龙门结构，所有运动单元均置于加工砂坯上方，有效防止了粉尘污染；采用刀具进行X/Y/Z/A/C五轴运动，使设备功率由通常的几十千瓦减少至十几千瓦；提出直线、圆弧和样条插值耦合运动控制算法，开发出包含二次路径优化、功率自匹配双轴同步控制、固化砂型加工工艺参数的专用开放式数控系统和数据接口管理软件，有效提高加工效率。图3-10所示为开发的系列化成形机。其可用于树脂砂、水玻璃砂、覆膜砂、石膏、石墨、消失模、陶瓷等多种铸造用砂型或石膏型等的加工制造。
多喷嘴吹砂系统2.3
数字化无模铸造精密成形设备CAMTC?SMM系列铸型数控加工成形机是机电一体的铸型加工设备，它的核心部分由X、Y、Z驱动轴及电主轴构成，驱动轴采用交流伺服电动机76
机械装备工业节能减排制造技术
数字化无模铸造精密成形机系列产品针对树脂砂、水玻璃砂、覆膜砂等特殊加工材料，结合实际切削加工工艺，开发了CAMTC系列专用控制软件系统，较好地解决了形状复杂、精密、小批、多变的型砂加工问题，在保证精度的前提下，大幅提高了加工效率。CAMTC系列控制软件具有如下特点：（1）工艺与高效算法集成。减少加工时间、提高效率、节约成本，最直接的表现就是机床速度的提高。该软件集成了铸型数控加工工艺参数，同时固化了铸型高速高效切削算法。针对生成的标准G代码具有大量长度仅为μm级的短线进行优化删除；引入三次样条差值方式，使大量毫米级短线能够匀速加工，避免采用传统的直线、圆弧命令带来的加减速问题，提高加工速度。（2）良好的开放性和互操作性。在集成环境下，CAMTC系列数控系统通过标准的接口能与不同的系统互连，实施正确有效的信息互通，完成应用处理的协同工作。此外，构成CAMTC系列数控系统的多功能组件通过标准化的定义、通信、交互机制，允许第三方软件进入，共同运行于同一平台上，协调工作。CAMTC系列数控系统能方便地挂上第三方的应用软件，如测试软件或管理软件满足自己的需求。研发部门可以在该开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统。（3）模块化设计与可互换性。CAMTC系列数控系统采用模块化的设计，各模块提供详细的接口定义。构成系统的各部件依据其功能、可靠性及性能要求可相互替代。本数控系统中的各模块相互独立，可让用户在较大范围内根据需求配置系统，如机床轴数、I/O点数等，而当系统硬件改变时，只需简单修改数控系统软件，即可满足需求，具有更大的灵活性。（4）良好的系统柔性，性价比高。CAMTC系列数控系统良好的开放性和模块化结构，使得开放式数控系统是可变的，既可以增加软件或硬件使系统功能更加强大，也可以裁剪其功能来适应低端应用，还可以拓展构成不同类型的数控系统。开放式数控系统的可移植性，可以充分利用已有的成熟技术，使其开发费用大大降低，维修更加简单，质量更加可靠，性能 更加完善，增加了开放式数控系统的市场竞争能力。CAMTC系列数控软件具有宜人的操作方式，为操作者提供了一个方便直观的操作环境。由于数控系统界面要求具有良好的人机交互性，在人机界面部分采用主菜单和相关子菜单的形式，菜单采用按钮式，当主菜单中的某一按钮按下时，就出现与其相应的功能界面和子菜单，而且界面上的每一个按钮都对应于键盘上的某一个功能键，操作方便快捷。这种图形化软键盘代替了传统数控机床上的错综复杂的操作按钮，使得操作面板显得非常简洁易于操作，如图3-11所示。开发的CAMTC系列控制软件能够读入UG、 ProMill等CAM软件生成的标准G代码；然后，数控系统根据实际加工工艺参数自动对数据进行格式转换、路径优化，生成优化的刀具运动轨迹，并将插补结果输出到执行部件，使特制刀具加工出所需要的CAMTC系列数控软件主要由以下几部分组成：零件。零件加工程序的生成、数据优化处理、插补计算、伺服机构的控制和应急防护。为使数控系统软件易维护，具有可重构性、可扩充性，CAMTC系列数控系统采用模块化方法设计，对整个软件作如下功能模块划分，主要分为程序操作模块、主控制模块和实时状态显示模块。功能包括对整个数控系统进行初始化、对加工中状态信息进行实时显示、对运动程序进行编辑和下载、对系统参数进行设置、对系统进行故障诊断等。同时还具有手动操作，命令输入的功能。第3章
铸造生产节能节材技术及装备
77 操作界面中最重要的一块是菜单命令条，系统功能操作主要是通过菜单命令来实现。每一级菜单项下包括若干子菜单项，即在主菜单下选择一个菜单项后，用户可根据显示的子菜单内容选择所需的操作。如图3-12所示，每级菜单命令在工具条中都有对应的快捷图标显示，使得操作使用更为便捷。
软件界面操作图
CAMTC菜单栏成形机手动操作主要由终端操作控制面板完成，包括断电保护，起点设定，回零设定，相对坐标、绝对坐标显示，移动速度、距离设定，移动操作等六大部分。选择工具栏中终端操作的图标端操作控制界面，如图3-13所示。手动移动控制操作主要包括X轴、Y轴、Z轴的移动调整，是由终端操作控制面板上的导轨移动、Z轴升降、移动速度、移动距离设定三大部分共同完成。在导轨移动控制面板中，主要包括X轴、Y轴、Z轴电动机转速以及正、反向连续移动的调整。当触摸按键“X?”时，成形机沿X轴负方向连续移动，当触摸按钮“X+”时，成形机沿X轴正方向连，进入终续移动；当触摸按键“Y?”时，成形机沿Y轴的负方向连续移动，当触摸按键“Y+”时，成形机沿Y轴正方向连续移动；当操作过程中需要上升成形机Z轴时，触摸“上升”按键即可；相反，需要下降成形机Z轴时，触摸“下降”按键。在手动进给操作方式下，X轴、Y轴、Z轴的移动速度可通过控制面板设定移动速度参数，设定等级分为低速、中速、高速。CAMTC-SMM1500S为了达到快速加工的目的，对生成的pmc文件实现快速连续下载的功能。，进入如图3-14所示的选择工具栏中下载图标下载界面。78
机械装备工业节能减排制造技术
终端操作控制界面
下载界面单击文件连续下载，弹出文件选择窗口，单击相应的文件就可以实现文件的连续下载。下载状态显示栏会显示下载的文件状态。选择开始的程序段文件后，单击“初始化”按键，“程序段执行”按键变为 可单击状态，单击即可实现连续下载操作。在“下载状态栏”中会显示上一次操作时执行的文件号，下一次执行时只需从下一个文件执行便可。单击“暂停”可暂停正在执行的程序。第3章
铸造生产节能节材技术及装备
数字化无模铸造精密成形技术及设备应用数字化无模铸造精密成形技术及装备在一汽铸造、中国一拖、广西玉柴等多家单位进行推广应用，在北京、吉林、江苏、河南等地建立8个应用示范基地，应用到汽车缸体、缸盖、液压泵阀等多种复杂零部件开发。该技术可用于陶瓷、石墨、树脂砂、覆膜 砂等多种材料数字化无模成形，典型应用案例如下：1．汽车工业关键零部件的无模铸造技术的广泛应用
中国一汽等汽车企业应用该发明技术广泛应用到汽车零部件制造，图3-15所示为汽车前轮毂（560mm×370mm×185mm）的无模铸造从CAD模型到铸件5天内全部完成，传统工艺需要模具且耗时30天以上。图3-16所示为排气管的数字化无模铸造，单面加工出上下外模及复杂砂芯，仅用18h，砂型尺寸450mm×220mm×120mm，传统工艺至少需要3套模具及45～60天。2．舰船、汽车发动机关键零部件的数字化无模铸造
图3-17～图3-19所示分别为广西玉柴采用数字化无模铸造精密成形技术及装备开发的500kW以上汽车、船用、发电大型柴油六缸发动机MG100、TD100、TC100机体。其中，TC100柴油机是玉柴新开发的轮船和发电机组大型柴油机，功率500kW，机体重约600kg，轮廓尺寸1270mm×830mm×300mm，一次开发成功，开发周期由90天缩短至30天，节约模具费用120万元。砂型加工仅用70h，减少模具材48t）4000h）料（约 ，减少模具加工时间（约 ，节约模具加工用电4万kW?h。在传统的开发流程中，模而具设计和模具制造环节通常需要花费3个月时间，采用先进的无模铸造精密成形技术则不需要“模具设计和模具制造”这两个重要环节。从CAD模型到铸件时间10天左右，产品开发周期缩短2/3以上，每个发动机件至少节约经费100万元。
轮毂铸件无模铸造
排气管的无模铸造
MG100发动机重机机体（972mm×420mm×427mm）的数字化无模铸造
TD100发动机重机机体（1230mm×680mm×430mm）的数字化无模铸造
机械装备工业节能减排制造技术
TC100发动机重机机体（1270mm×830mm×300mm）的数字化无模铸造3．交通、水利电力领域关键零部件的无模铸
采用无模铸造开发的涡壳（见图3-20），传统铸造工艺需模具6～8套，周期2～3月，成本20万～50万元；采用数字化无模铸造，从CAD到铸件只需7天（砂型加工60～70h），成本2万元左右，节省模具材料1t，减少模具制造加工时间1000t，节电1万kW?h。图3-21所示为应用到电动机壳体的快速开发，砂型整体尺寸691mm×755mm×413mm。传统铸造需模具3副，开发周期60天，成本30万元。采用无模技术，开发周期缩短为7天（砂型加工时间30h），节约模具材料（约1.2t），减少模具加工约1200工时。4．液压泵阀、工程机械等行业关键零部件的无模铸造
数字化无模铸造技术应用到液压零件及工程机械，图3-22所示为液压阀体部件的复杂砂芯（800mm×547mm×72mm），薄壁处4～5mm，传统工艺需2～3套模具、60天以上开发时间，采用无模工艺仅需30h。图3-23所示为广西柳工传动箱体的快速开发。通过铸件型芯的组合优化设计，砂型1300mm×780mm×800mm，累计无模加工成形仅用100h，成功浇注出传动箱体铸件，加工成本仅2万元，减少模具材料（约10t），铸件减重约80kg；传统工艺需4～8副模具，至少60天，节约25万元。产品开发由60天缩短到20天。图3-24所示为西班牙TECNALIA研究院（欧洲第四大研发机构）委托加工的某箱体铸件。采用传统铸造工艺，需要20天，成本5000欧元。采用数字化无模铸造成形技术加工的组合砂模分为上、中、下三个部分，尺寸为550mm×540mm×500mm，铸件制造仅需5天时间，成本1000欧元。5．模具行业关键件的数字化无模铸造
图3-25所示为中国一汽的汽车电动机支架冲压模具的铸造案例。采用传统金属坯切削工艺，需要加工凹模的型腔，费时费力，从图样设计到模具加工完成至少需要45天。采用数字化无模铸造模具的方式，可大量节省加工工时，模具砂型尺寸为685mm×775mm×450mm，砂型加工仅需20h，电动机支架模具从设计到模具加工完成仅需25天，周期缩短了44.4%。
涡壳无模铸造
电动机壳体无模铸造砂型（左）及铸件（右）
液压阀体部件复杂砂芯
工程机械传动箱体的无模铸造
铸造生产节能节材技术及装备
西班牙TECNALIA研究院箱体铸件
电动机支架冲压模具的数字化无模铸造3
电渣熔铸技术及装备大型铸钢件一般用于机器设备的关键和核心部位，是制造重大装备的基础件。比如电力、钢铁、石化、造船、交通、军工、重矿机械、航空航天工业设备都离不开大型铸钢件。因而，大型铸钢件的发展对经济建设、国防实力、出口创汇以及工作母机制造，材料加工业的进步都具有重要的意义，可以说大型铸钢件产业的发展是衡量一个国家工业水平和国防实力的标志之一。电渣熔铸技术，把电渣重熔的提纯精炼和铸造成形合二为一，具有提高金属纯净度和控制凝固组织的双重功能，是特种冶金和特种铸造等成形技术相结合的近净成形高新技术，是21世纪大型零部件毛坯生产的一条崭新发展途径。采用电渣熔铸方法生产高质量的大型铸钢件是近年来新兴的特种铸造工艺方法，通过在大型水轮机铸件、发电机转子、冶金轧辊、隔膜泵曲轴及高压核电阀门等产品成功应用，表明该技术适于生产某些高质量要求的大型铸钢件，具有广阔的发展前景。3.1
电渣熔铸方法电渣熔铸起源于电渣重熔，与电渣重熔过程基本相同，它一方面对精炼电极进行二次精炼，另一方面又可直接将金属液铸成异形铸件，并且铸件具有良好的冶金质量，力学性能可达到同材质锻件标准，形状尺寸接近或等于最终产品。电渣熔铸的基本原理如图3-26所示。在铜制水
电渣熔铸基本原理图1―自耗电极
2―水冷异型结晶器
4―金属熔池 5―熔铸件
9―变压器82
机械装备工业节能减排制造技术 冷结晶器中加入固态或液态炉渣，将自耗电极的端部插入其中，当自耗电极、炉渣（固态启动时，预先加入少量固态导电渣）和底水箱通过短网与变压器形成供电回路时，便有电流从变压器输出流过液态熔渣。由于在上述供电回路中熔渣电阻相对较大，占据了变压器二次电压的大部分压降，从而在渣池中产生大量焦耳热，使其达到高温熔融状态。由于渣池的温度远高于金属熔点，从而使自耗电极的端部逐渐被加另外，大型电渣炉将采用一系列新材料、新工艺，实现无磁短网，使得短网压降得到有效降低；变压器采用有载无级调压，变压器压降基本不随负载变化而变化，保持了冶炼工艺的稳定。并且变压器损耗较低，功率输出也比较稳定，使冶炼工艺的稳定性和重现性得到了加强。因此，在节约电能方面有明显改善。（3）减少废物排放，利于环保。电渣炉设有抽风排烟装置以及除尘和烟气净化处理设施，有利于环境保护。采用先进的电渣炉除尘装置技术，除尘效率热熔化，熔化的金属汇成液滴。在重力的作用下，金属熔滴从电极端部脱落，穿过渣池进入金属熔池，在水冷异形结晶器的强制冷却作用下，液态金属逐渐凝固形成铸件。在正常熔铸期，电流从自耗电极流入渣池后，要通过金属熔池和铸件再由底水箱返回到变压器，电流的大小通过自耗电极的下降速率来控制。由于在电极熔化、金属液滴形成、滴落过程中液态金属和炉渣之间要发生一系列的物理化学反应，从而可以去除金属中的有害杂质元素和非金属夹杂物。形成的铸件由下而上逐渐凝固，金属熔池和渣池就不断向上移动，上升的渣池使结晶器内壁和铸件之间形成一层渣壳，它不仅使铸件表面平滑光洁，而且降低了径向导热，有利于铸件自下而上的顺序结晶，改善铸件内部的结晶组织性能。在电渣熔铸中，自耗电极是原料，也是被精炼的对象，它可由其他冶炼成形方法制备。电渣熔铸是一种集金属精炼和铸造成形技术于一身的特殊铸造新技术。它在节能经济、减排环保方面也具有突出贡献，因此，在工业上具有广阔的发展前景。（1）缩短生产流程。短程化生产主要通过充分利用前期工序中的材料、热能，或者将几道工序进行集成，使整个制造过程实现流程再造。该工艺可以节约生产和能源成本、缩短生产周期、提高生产效率，提高各种能源的利用率，达到节能减排的目的。电渣熔铸具有提高金属纯净度、控制凝固组织的双重功能。利用该种方法生产的铸件，力学性能良好，达到同材质锻件水平。与锻造方法相比缩短了生产周期，降低能耗，达到了节能减排的目的。（2）节约能耗，提高金属材料利用率。首先，应用电渣熔铸技术可以减少铸件60%工艺补贴量和30%加工余量，降低铸件总能耗10%。提高铸件的合格率、材料利用率，缩短生产周期，电渣熔铸近净成形技术符合现代绿色环保节能加工的理念，实现了节能降耗和近终形铸造的目标。&85%，净化能力&80%。电渣熔铸实现了清洁化铸造生产，节能环保。铸造车间对环境的污染主要是粉尘、烟尘对大气环境的污染，生产中的噪声、有害气体、废水废物等也污染环境。电渣熔铸不使用型砂、粘结剂、涂料等造型材料，工艺上属无型砂造型工艺，不存在粉尘、烟尘以及噪声对环境的污染；旧渣可回收利用，固体废物排放极少（20kg/t铸件），仅为普通砂型铸造的5%。（4）实现机械产品再制造。我国现有铸造技术水平及铸造工艺的特殊性决定了各种铸件的废品率平均在10%左右。应用高新技术进行修复使其恢复使用要求，达到合格铸件标准，避免铸件的回炉重新熔炼，从而提高效率，降低生产成本。在电渣熔铸基础上发展出来的电渣熔接技术可以实现该功能，对于形状较为简单的铸件可以采用该方法进行熔接。它的原理与焊接方法类似，将铸件的废品区切除后，剩余部分放置在专用结晶器内，然后利用电渣熔铸技术重新熔化电极，在金属液的高温作用下，将铸件上部熔化与金属液粘结在一起，重新在金属结晶器内凝固成形。最后在结晶器内凝固形成铸件切除部分的形状与未切除部分熔接在一起，形成完好的铸件。采用该方法，避免了铸件的回炉重新熔炼，从而提高效率，降低生产能耗成本，达到了节能减排的目的。3.2
电渣熔铸关键设备电渣熔铸件质量主要由熔铸工艺和设备等关键环节来保证。电渣熔铸设备一般包括电渣炉、结晶器、电源及相应的辅助设备。这些设备结构复杂、功能多样化、控制更为精确化。（1）电渣炉结构主要包括供电、机械传动及其自动控制系统。目前国内外多数电渣炉只适合熔铸形状简单的钢锭类铸件，电极与结晶器之间的位置调整只有1～3个自由度。为了适应大型复杂铸件熔铸工艺需要，电渣炉必须具备多个自由度，能够沿X、Y、Z第3章
铸造生产节能节材技术及装备
83 三个方向具有双向调速运动功能，以及沿X-Y、X-Z、Y-Z三个方向旋转功能，满足熔铸过程中更换电极、叠加结晶器、微量调整等特殊要求。电渣炉供电结构直接关系到电网的相平衡和节能问题。现代化新型电渣炉将采用一系列新材料、新工艺，实现无磁短网，使得短网压降得到有效降低；变压器采用有载无级调压，变压器压降基本不随负载变化而变化，保持了冶炼工艺的稳定。并且变压器损耗较低，功率输出也比较稳定，使冶炼工艺的稳定性和重现性得到了加强。钢复合结晶器的应用。对于铸件几何尺寸较大，形状较为复杂的铸件来说，由于结晶器尺寸也较大，如果采用结晶器整体制造的方法，将给结晶器制造增加难度，同时很难保证尺寸精度，而且经过几次使用后，由于冷热变化，结晶器会出现严重的变形，严重影响到结晶器使用寿命。最新开发的分体组合可退让式结晶器解决了这一技术难题。一方面，结晶器采用分体制造，可大大降低结晶器的制造难度；另一方面也可并且在节约电能方面有明显改善，降低30%。电渣炉设有抽风排烟装置以及除尘和烟气净化处理设施，有利于环境保护。采用先进的电渣炉除尘装置技术，除尘效率&85%，净化能力&80%。采用电渣炉计算机自动控制系统可以对电渣熔铸工艺过程进行动态优化控制，保证了铸件的精炼及凝固条件。在电渣熔铸起弧及补缩阶段，采用计算机自动控制可以实现铸件少切头、切尾，可减少金属消耗5%～10%；在电渣熔铸变断面铸件时，通过采用计算机自动控制系统调整输入功率，可提高电渣炉的热效率和电效率，节约电耗约为8%～10%。（2）结晶器是电渣熔铸设备中重要的部件之一，它一方面起着熔炼室的作用，金属自耗电极在结晶器中熔化、精练，是电渣炉的炉体；一方面又起着铸造模具的作用，熔融金属在结晶器中受到强制冷却而结晶，形成铸件。实际生产中电极在结晶器中熔化，熔融的金属被强制冷却，冷却后的金属获得与结晶器内腔形状相同的铸件。由于结晶器的无退让性，在熔铸大型铸件时，铸件收缩受阻，必然产生裂纹。同时，常规的结晶器设计工艺无法完成复杂铸件在结晶器内的近净成形。传统的结晶器大多采用钢制或铜一钢复合结构，但均存在不同程度的缺点。钢制结晶器虽简便经济，但钢材的热导率小，造成铸件成形质量很差，使后序修补操作困难；在开炉过程中如遇循环水冷却强度不够，就会出现粘箱、变形、漏渣、漏水等情况，易造成废品。另外钢制结晶器型面产生的变形不易修复，所以使用寿命较短。在铜?钢复合制结晶器中，由于铜的热导率较大，与铸件的熔接性差，一般不会出现粘箱现象，而且电渣熔铸件的表面成形质量也很好。但是，铜钢之间的焊接性很差，没有很好的熔合区，因此铜?钢结晶器的制造与维修都比较困难，而且制造与维修的成本也很高。对于横截面变化较大，结构复杂的铸件只能采用简化型线的办法，使加工余量增大，降低了金属利用率，增加成本。所以限制了铜?使结晶器在长期冷热过程中变形量减少到最小，同时如果某一部分损坏，可以进行局部替换，延长了结晶器的使用寿命，降低成本；最后，分体组合式可退让结晶器可实现结晶器可退让距离50mm，是电渣熔铸用结晶器设计的创新，解决了长期制约电渣熔铸大型复杂铸件的关键工艺难点，同时为铸造行业其他金属型铸造领域消除铸件裂纹提供了共性技术，如图3-27所示。
分体组合式可退让结晶器示意图 3.3
电渣熔铸特殊工艺技术简介1．电渣熔铸特殊起弧技术
电渣熔铸特殊起弧技术解决了传统电渣重熔起弧料利用率低、起弧阶段成功率不高的问题，它的原理就是用特殊的检测装置检测电极与起弧料接触前后，电极与底水箱之间电阻值的变化。当电极压紧起弧料的瞬间，检测装置产生一个信号使控制电极下降的电动机停止转动，而且还能在控制台上显示报警，提示操作者电极已下降到位，如图3-28所示。这套特殊的起弧装置操作方便，反应灵敏，与电渣设备的连接十分容易。研制的新型起弧装置已应用到水轮机导叶的生产中，使起弧料的利用率由原来的约60%提高到95%以上，原有的电渣熔铸准备时间减少30%，节省了人工成本，提高了安全生产系数。84
机械装备工业节能减排制造技术
且是控制成形质量、冶金凝固质量、能耗等问题的重要判据。传统意义的填充系数指电极直径与结晶器直径的比值。对于异形铸件，填充系数通常用电极截面积与结晶器截面积的比值来表征。对于电渣熔铸工艺来说，传统的电渣重熔填充系数计算方法已不太适合于电渣熔铸工艺设计。电渣熔铸均匀填充系数，即在传统意义的填充系数基础上，进一步考虑大宽厚比异形
新型起弧装置示意图2．电渣熔铸均匀填充系数确定
填充系数是电渣熔铸工艺设计的主要依据参数，不仅决定自耗电极形状、供电参数、耗渣数量等工艺参数选取，而件截面的“均匀填充系数”问题。具体方法是：将异形铸件的截面进行网格剖分，确保每个剖分网格内的局部填充系数相等或相近，对确保成形质量和冶金凝固质量尤为重要。以固定导叶铸件为例，铸件截面的剖分网格Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等，需保证每个网格内的局部填充系数相等或相近，如图3-29所示。
大宽厚比异形件截面网格剖分示意图3．电渣熔铸防缩松补缩技术
为了达到防缩松补缩效果，电渣熔铸补缩工艺可采用特殊间断补缩方式对铸件进行补缩。补缩期内，短时间从正常熔铸电流逐渐减小到最小补缩电流，再从最小补缩电流逐渐升高到略小于正常熔铸电流，反复多次，使每次的最高电流都略小于前次，最后一次减小到零，如图3-30所示。
和补缩量的控制更为方便。此外，电渣熔铸大型结晶器变形规律及校型方法等工艺技术，解决了电渣熔铸复杂铸件的工艺难关；大型薄壁曲面铸件电渣熔铸工艺模拟软件为电渣熔铸行业首个实用工艺软件，实现了电渣熔铸工艺过程的工艺模拟验证；随形自耗电极设计方法、最佳渣层厚度计算公式、恒熔速控制方法，也填补了电渣熔铸基础研究的空白。3.4
电渣熔铸技术的典型应用电渣熔铸主要用来生产现有工艺（铸、锻、焊、轧）难以制备的毛坯，用传统工艺生产这些产品时，往往工时多、金属损耗大、成本高或者由于形状复杂、质量要求高而无法制造。如俄罗斯的多拐曲轴、电渣
特殊间断补缩供电曲线实现间断供电可采取直接调节供电电流或者间断进给电极两种方法，实践证明后者较易于操作，补缩效果也较好。每次间断，电流不宜回零（最后一次除外）。与连续补缩法相比，间断补缩法的电流调节穿管，乌克兰的高压容器壳体、连接管，日本的旋转连续熔铸薄壁管、偏心管、椭圆管和弯管等。现在电渣熔铸的产品已广泛应用于能源、造船、石油化工、航空及冶金机械工业等部门，如石油裂化管、核电重水堆的主回路管道、飞机起落架、喷气发动机涡轮盘、船舶柴油机大型多拐曲轴、各种高压容器、复合冷轧辊等，熔铸件质量接近甚至超过铸锻第3章
铸造生产节能节材技术及装备
85 件水平。“十二五”到“十三五”期间，我国大型铸钢件的市场需求量是比较大的。加快水电建设，重点产品如百万千瓦级混流机组电站、抽水蓄能电站、15～20m水头贯流式机组电站等，需要大量铸锻件。大力发展核电，如1000MW压水堆核电锻件，200MW沸水堆核电锻件等。钢铁工业方面，我国已经是世界第一产钢大国，轧钢工艺对轧辊有很高的要求，其中，mm整锻支承辊，高铬钢、半高速钢轧辊仍不能满足要求。石化工业，每年大约需要数十套锻焊结构的加氢反应器。另外，如军工、航空航天、矿山、铁道交通等高技术产品都需研究开发。因此，我国大型铸钢件生产将进入新的快速发展阶段。与普通铸件相比，电渣熔铸件的各项性能指标基本可以达到同钢种的锻件指标，甚至还避免了锻件的一些不足。沈阳铸造研究所在电渣熔铸导叶技术上具有独创性，所生产的导叶具有结晶组织致密、有害元素及非金属夹杂物含量低、无缩孔、疏松等铸造缺陷，金属利用率高等优点。现在电渣熔铸导叶已被国内外很多电站业主认可，并已取代砂型铸造导叶。目前，沈阳铸造研究所已经为包括三峡电站在内的国内外50多个水电站生产了近200台份的电渣熔铸导叶，产品质量稳定，装机运行情况良好。图3-31所示为采
用电渣熔铸生产的各种水轮机导叶。
电渣熔铸水轮机导叶电渣熔铸导叶与砂型铸造导叶的指标对比情况如表3-3～表3-6所示。表3-3
非金属夹杂物分析结果试样号 砂型 铸造 电渣 熔铸非金属夹杂物直径/μm非金属夹杂物含量（%）（GB/T1）评级砂型铸造电渣熔铸工艺种类小型导叶（≤1t） Ⅱ级 Ⅰ级中型导叶（1～4t）Ⅱ～Ⅲ级Ⅰ～Ⅱ级大型导叶 （4～10t）Ⅲ级 Ⅱ级表3-5
质量情况对比（按CCH70―3标准检验）特大型 导叶 （&13t）― Ⅱ级10～～～3级8～～0.00401～2级累计时间h/表3-6
超声波气蚀试验结果20 60.85表3-4
力学性能测试结果试样号 砂型 铸造 电渣 熔铸σ0.22砂型累计AK/JHB失重/mg 电渣累计 失重/mgσb2δ Ψ/（N/mm） /（N/mm）%）%）8226545.45136270以上对比分析说明，电渣熔铸导叶的各项指标明显优于砂型铸造导叶。
机械装备工业节能减排制造技术 随着我国国民经济快速增长，为能源、冶金、船舶、石化等工业提供了巨大发展空间，这也间接对大型铸钢件产品质量与数量提出了更高水平的要求。此外，随着我国大型水电工程、西气东输、核电开发以及振兴东北工业基地等重要工程的逐步推进，也给我国大型铸钢件行业带来了更为广阔的市场前景。2．金属型铸造
金属型铸造又称硬模铸造或永久型铸造，是将熔炼好的铝合金浇入金属型中获得铸件的方法，可以有效地克服砂型铸造的不足。铝合金金属型铸造方法因生产效率高、劳动环境清洁、铸件表面质量高和内部组织致密等优点而被广泛采用。欧美汽车工业发达国家采用金属型铸造制造汽车发动机铝缸体和缸盖等部件。近几年，我国许多厂家也引进先进金属型设备或是自制设备生产汽车发动机铸4
轻合金典型铸造技术及装备降低能耗、减少环境污染以及节约地球有限资源是当今人们所面临的一个十分重要而紧迫的任务。在汽车、3C等产品轻量化的总趋势推动下，轻合金铸件获得了广泛的应用。实际工程应用的轻合金主要包括铝合金和镁合金，钛合金则主要用于航空和航天工业。与轻合金其他成形方法相比，铸造方法具有生产成本低、能够生产结构复杂和集成结构铸件等优势，在汽车工业中获得了广泛的应用。目前欧美发达国家90%以上的轻合金铸件用于汽车业。围绕着高性能、复杂结构集成轻合金铸件的应用，开发了先进的轻合金铸造技术及其相应装备。4.1
重力铸造轻合金的重力铸造工艺主要包括砂型铸造、金属型铸造、消失模铸造、熔模铸造等多种工艺，但是主要的生产工艺为砂型铸造、金属型铸造和消失模铸造。1．砂型铸造
大多数轻合金铸件都可采用砂型铸造方法生产。由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、小批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是轻合金铸造生产中的基本工艺。砂型铸造所采用铸型通常由外模砂型和型芯组合而成。为了提高铸件的表面质量，需要在外模砂型和型芯表面刷涂料。涂料的主要成分是耐火度高、高温化学稳定性好的粉状材料和粘结剂，此外还加有便于施涂的载体（水或其他溶剂）及其各种附加物。砂型铸造工艺包括造型、熔炼与浇注、落砂与清理等工序。由于砂型/型芯性质和表面质量，采用砂型铸造的有色合金铸件尺寸精度较低，表面较粗糙，无法满足具有高尺寸精度和表面质量要求铸件的需求。
件。金属型铸造也广泛应用于航空、航天、高压电器、电力机械以及仪器仪表等行业。轻合金金属型铸造采用金属型外模，型芯可采用金属型芯也可采用砂芯。金属型铸造过程中，铸件的冷却速度较快，铸件组织较致密，可进行热处理强化，力学性能比砂型铸造高15%左右；铸件质量稳定，表面粗糙度明显优于砂型铸造，废品率低，劳动条件好，生产效率高，工人易于掌握。金属型铸造的主要不足在于金属型热导率大，充型能力差；金属型本身无透气性，必须采取相应措施才能有效排气；金属型无退让性，易在凝固时产生裂纹和变形。3．消失模铸造
20世纪80年代，美国铸造协会（AFS）将采用泡沫模样与干砂造型的铸造方法定义为消失模铸造。消失模铸造工艺过程中采用发泡模具生产泡沫模样或浇注系统，然后将模样和浇道粘结成模束模组并浸挂涂料。涂料烘干后将模组放入砂箱，填入干砂，振动造型使干砂充填到内腔并紧实。浇注使泡沫模样汽化消失形成铸件。铸件冷却后取出清理，干砂循环使用。消失模铸造属近净形铸造方法，铸件尺寸公差等级可以达到CT6～CT9，铸件外形可与树脂砂铸件媲美。消失模铸造既可生产外形复杂的铸件，又可生产内腔复杂铸件。与树脂砂工艺相比较，可取消砂芯。消失模铸造的核心竞争力是生产内腔复杂的高难度铸件，如缸盖、缸体和箱体等，使消失模铸造的优越性和经济效益充分显现出来，实现铸件轻量化和精确化。图3-32所示为采用消失模铸造生产的宝马铝合金缸盖的消失模模组。该模组为多片粘结而成，可以形成复杂内腔结构，细小的进油道也可以直接铸造出来而无需使用砂型，可实现近净成形，有效地减少铸件的重量。第3章
铸造生产节能节材技术及装备
宝马铝合金缸盖消失模模组4.2
压力铸造低压铸造的核心是使液态金属在外力的作用下，逆重力方向流动，并充填铸型，并凝固成形的铸造方法。根据建立压力的方式不同，低压铸造可分为气压低压铸造和电磁泵低压铸造两种方式。1．气压低压铸造
通过在液态金属表面施加一定的气体压力，使金属液逆重力方向充填型腔并凝固成形，由于使用的压力较低，所以称为低压铸造。其基本原理如图3-33所示。在装有金属液的密封容器中，通入干燥的压缩空气（或惰性气体），作用在保持一定浇注温度的金属熔体液面上，形成密封容器内与铸型型腔之间的压力差，使金属熔体在气体压力的作用下，沿升液管上升，通过浇口平稳地进入型腔；待金属液充满型腔后，适当增大压力并保持坩埚内液面上的气体压力，使型腔内的金属液在较高压力作用下结晶凝固，然后解除熔体上的气体压力，使升液管中未凝固的金属熔体依靠自重流回坩埚中；开型并取出铸件，即完成一个低压铸造过程。
气压低压铸造设备工作原理图1―压缩气体
3―密封容器
4―坩埚5―金属熔体
6―铸型2．电磁泵低压铸造
电磁泵低压铸造是利用电磁泵原理开发的一种反重力铸造方法。其工作原理为对液态金属施加电场和磁场，使金属液在电磁推力的直接作用下流动，从而实现反重力铸造浇注过程。其控制技术主要是通过电流密度和磁感应强度来实现对压头大小的控制。电磁泵低压铸造的原理如图3-34所示。
电磁泵低压铸造原理图1―导轨
2―金属熔体
5―铸型6―电磁泵
8―液压顶升机构与气压低压铸造相比，电磁泵低压铸造具有非接触式输送金属液的特点，使金属液处于与大气隔绝的状态，并可在保护性气氛下工作，从而减少气体侵入，防止金属液被二次污染，减少了气孔及二次氧化夹渣的形成。同时，金属液的流动速度精确可调，从而容易按低压浇注规范来获得优质铸件，可用于铝镁等合金铸件的生产。但是与气压驱动相比，受硬件条件的限制，电磁泵低压铸造的电磁驱动力较弱，充型和增压能力有限，因此，只适用于中小型铸件的成形。低压铸造对合金牌号适用范围较宽，适用于镁合金和铝合金铸件的生产，可以有效地防止合金熔体的氧化，以及在浇注过程中产生氧化夹渣；生产劳动条件好，生产效率高，易于实现机械化和自动化；工艺应用范围广，可生产各种大中小型复杂铸件。目前，低压铸造在铝合金发动机缸体和缸盖的生产中获得了广泛的应用，并基于反重力铸造的原理开发了差压铸造、真空吸铸和调压铸造等工艺方法。高压铸造技术的发展至今已经有100多年的历史，是目前轻合金铸件的主要生产方法之一。高压铸88
机械装备工业节能减排制造技术 造过程是将液态或半固态金属在高压作用下，高速充填压铸模具型腔，并在压力下快速凝固并获得铸件的铸造方法。高压铸造生产效率高，容易实现自动化。与重力铸造和低压铸造相比，高压铸件尺寸精度高，力学性能好，能够形成复杂结构的薄壁铸件，可实现零件的组合，取代部分装配过程，节省装配工时。图3-35所示为采用布勒Carat400（4000t）压铸机为BMW公司生产的减振器上盖，浇注重量20kg，铸件重量4.6kg。该零件将原有的数个冲压零件集成设计效地排出型腔和金属熔体中的气体；浇注过程中金属熔体无氧化；浇注过程中无热损失，可以以更低的浇注温度进行浇注，并在实时监控下进行无扰动层流充填。上述工艺已经成功地应用于汽车框架结构铸件的批量生产，为高质量轻合金铸件的应用提供了先进的成形方法与工艺。
为一个铝合金高压铸造零件，实现了零件的集成化和轻量化，可直接进行装配。
高压铸造减振器上盖采用高压铸造批量生产时，成本相对较低，但是在铸造过程中容易卷气，铸件内部容易形成气孔，不能进行热处理。针对这一问题，先后开发了真空压铸，充氧压铸等一系列新工艺，有效地提高了铸件的性能，为扩大压铸件的应用提供了有效的技术支持。（1）真空负压吸铸工艺。随着汽车轻量化的发展趋势，轻合金越来越多地应用于汽车底盘和车身框架类铸件，如发动机托架、转向节和车身横梁等。此类产品的主要特点是将原有多个零件集成设计为一个零件，对材料力学性能，特别是疲劳性能要求较高，普通的高压铸造工艺已经无法满足零件的使用要求。德国富来公司针对这一需求，开发了真空负压吸铸工艺，其工作原理如图3-36所示。在这一压铸过程时，金属液通过真空状态下的模具、压室和吸管在无氧化情况下由吸管从熔炉中吸入，脱模剂蒸气也由真空系统排出。整个压铸过程都在高真空状态下（低于30mbar，1bar=105Pa）进行的。真空负压吸铸工艺的主要特点是，在开始定量浇注时整个系统就处于高真空状态下；在定量浇注过程中可有
真空负压吸铸工艺示意图1―熔炉
5―静模板6―静模
9―浇道 10―真空阀
11―真空泵
12―真空罐（2）真空压铸。真空压铸法是通过在压铸过程中抽除压铸模具型腔内的气体而消除或显著减少压铸件内的气孔和溶解气体，从而提高压铸件力学性能和表面质量的先进压铸工艺。通常来说，真空压铸是通过与模具相连的真空阀和真空罐，在压铸开始前将模具中的气体排出，并在整个压铸过程中确保型腔和压室保持在一定条件下的真空度，因而可消除或减少压铸件内部的气孔，提高铸件的力学性能和表面质量，压铸时大大减少了型腔的反压力，可使用较低的比压和铸造性能较差的合金。其装置如图3-37所示。用于真空压铸的模具密封结构复杂，制造及安装较困难，因而成本较高，同时如果真空压铸法如控制不当，效果就不是很显著。应用真空压铸法生产的铝镁合金压铸件已被证明可以采用焊接、热处理等加工手段，常温性能也有一定的提升：如目前已经成功地在冷室压铸机上利用真空压铸法生产出AM60B镁合金汽车轮毂，在锁模力为2940kN的热室压铸机上利用真空压铸法生产出AM60B镁合金汽车方向盘，压铸件伸长率由8%提高到16%以上。只要工艺控制得当，
铸造生产节能节材技术及装备
复杂的厚壁铸件，在乘用车底盘类铸件生产方面获得了广泛的应用，图3-38所示为采用挤压铸造工艺生产的马自达9乘用车铝合金副车架。该零件将原有多个冲压零件集成设计为一个挤压铸造零件，取消了原有的冲压焊接工艺和装配过程，有效地降低了零件的图3-37
真空压铸装置1―压铸模
4―法兰 5―真空阀
6―电真空表
8―真空管道9―真空泵
10―电动机真空压铸法可以给压铸件性能带来令人满意的改善。而模具密封所造成的成本提升，随着技术的普及以及批量化生产所带来的成本分摊，会得到很好的解决。（3）充氧压铸。充氧压铸是将干燥的氧气充入压室和压铸模型腔内，以取代其中的空气和其他气体。当铝合金浇入压室以及压入压铸模型腔的过程中与氧气发生化合，形成均匀分布的Al2O3小颗粒（1μm以下），从而减少或消除了气孔，提高铸件的致密性。这些小微粒分散在压铸件中，对后续的机械加工没有显著的影响。充氧压铸的铸件在进行热处理时淬火时不产生鼓泡，可利用热处理改善压铸件的力学性能，但是充氧压铸仅适用于特定结构的铸件，并不适合于所用铸件。（4）挤压铸造。也称“液态模锻”，其工作原理是对进入铸型型腔内的液态（或半固态）金属施加较高的机械压力，使其在压力下凝固，从而获得铸件的一种工艺方法。挤压铸造工艺是一种介于模锻与压铸之间，实施铸锻相结合的工艺。与模锻的不同之处在于置于铸型中的不是固态坯料，而是液态（或半固态）金属；与高压压铸不同，其液态金属是自下而上缓慢、平稳充型的，并高压力持续作用下凝固。挤压铸造工艺主要分为直接挤压和间接挤压两大类。直接挤压铸造是液态金属在压力推动下充填由冲头与凹型组成的型腔中，挤压冲头直接挤压在铸件上，并在铸件凝固过程中持续保持压力；间接挤压铸造是液态金属在压力推动下，充填入已闭合锁型的型腔中，挤压冲头通过内浇道将压力传递到铸件上，并在铸件凝固过程中持续保持压力。挤压铸造铸件的组织致密，有利于防止气孔、缩松、裂纹产生；显微组织可细化；可进行固溶热处理；力学性能高于其他普通铸件，对直接挤压铸造件，其性能可接近同种合金锻件水平；铸件有较高的尺寸精度和表面质量；工艺适应性较强，适用于生产多种轻合金铸件。目前挤压铸造工艺主要用于生产形状不很重量，实现了零件的一体化设计和生产。
马自达9铝合金挤压铸造副车架 我国目前约有压铸厂、车间7000多家，各类压铸机约为30000台，其中从国外进口的压铸机约占总数的10%，国内最大压铸机的合模力是40000kN，压铸件产品主要以汽车和摩托车零件为主，以及家用电器、电信、建筑装饰、玩具、五金等压铸件。4.3
半固态铸造半固态加工主要有两种方式：一种是将经搅拌获得的非枝晶半固态金属浆料在保持特定温度条件下直接成形，通常称为流变铸造。另一种是先将半固态金属浆料连续铸造为预制坯料，成形时将预制坯料定量切割，随后重新加热至液固温区，最终输送至成形设备，通常称为触变铸造。1．流变铸造
在流变铸造过程中，由于非枝晶半固态合金浆料在保持、状态控制和输送等方面存在着困难，在很大程度上限制了其工业应用。因而半固态金属浆料的制备和精确控制是流变铸造实现产业化的主要障碍。流变铸造技术在全球范围内尚处于研究开发阶段，除日本UBE公司推出流变压铸样机外，还没应用于规模化生产。因此，研究开发能够满足实际生产要求的浆料在线制备技术将成为流变铸造技术产业化的关键和瓶颈。另外，为了与生产节拍同步，以提高生产效率，需要最大限度地缩短浆料制备时间。随着上述关键问题的突破，流变铸造技术的生产流程将比触变铸造大大缩短，而且更容易与传统成形技术接轨，从而有望实现以低成本生产高质量的成形件，显然其将会有更大的应用潜力。2．触变铸造
在触变铸造过程中，预制坯料便于90
机械装备工业节能减排制造技术 输送和加热，易于实现自动化，所以率先实现了产业化。但是，由于制备预制坯料需要巨大的投资，而且关键技术为国外少数几家公司所垄断，导致其成本居高不下，因此触变铸造仅适于制造质量要求高的关键零件。触变注射成形技术是一种清洁、安全和节能的新一代镁产品近终形加工技术，该技术由美国Thixomat公司拥有专利，并授权日本JSW和加拿大Husky公司生产。触变注射产品具有低孔隙率，近净成形，不需熔炼金属的设备，生产趋于更加安全和有利于环保要想成为铸造强国，必须利用好现有的基础，抓住我国汽车、机床、重机、能源、矿冶等高速发展的机遇，利用先进制造技术提升企业水平，提高铸件质量，尤其是我国急需的高端铸件质量，提高中国铸件在国际市场上技术含金量。机械装备的开发是实现制造业节能减排的关键，而铸造技术的提高是全面实现机械装备工业实现节能减排的基础。面临环境、能源、资源等方面日益严格的要求，铸造这一传统技术也迫切需要与先进的制造技术相结合实现传统工艺绿色化的提升。等特点，其技术正逐渐趋于成熟。由于镁合金可以满足航空、航天、现代汽车工业对减重、节能的需求，并可替代工程塑料以满足3C产品的轻、薄、小型化、高集成度以及环保方面的市场要求，成为现代汽车和3C产业（计算机、通信、消费类电子）的首选材料，因此，触变注射成形技术的市场定位是汽车、摩托车、3C产品及其他轻工消费类或工业产品等多层次高品质镁合金制品的开发和制造。需要指出的是触变注射设备价格（包括授权金）、备件与维修费用比普通压铸昂贵许多，使用的镁粒材料成本也比普通压铸高，整体投资亦较多。广东伊之密精密机械有限公司，长春利镁科技发展有限公司和吉林大学通过产学研合作，联合开发了具有自主知识产权的镁合金触变注射成形机，其原理样机如图3-39所示，为推动此项清洁、安全和节能的成形技术在我国的进一步应用奠定了坚实的基础。
镁合金半固态触变注射成形原理样机 除上述铸造工艺以外，熔模铸造、石膏型铸造、陶瓷型铸造和V法铸造也可以用于轻合金的铸造生产，但上述工艺大多是针对特定目标产品以及特}