1、消失模鑄造技術解析 盧寶江一鑄造概述 在我國已有幾千年歷史的傳統鑄造，主要用來生產機械零件的毛坯件，盡管發展到現在，也出現了許多新的方法，但是目前生產上應用最普遍的仍然是發展較早的砂型鑄造。手工砂型鑄造通常又被稱之為翻砂。它必須借助于鑄模（用木材或金屬制成），才能將型砂制成的需形狀的鑄型，但是這類用木材或金屬制成的模樣，必須在澆注前從鑄型中取出，否則就無法澆注。因此，這種工藝顯得特別復雜，工序多、勞動強度大、生產周期長、成本高，而且鑄件精度不夠理想，表面較粗糙，加工余量大，甚至對于某些復雜的零件還無法實現活塊整體鑄造，這就成了砂型鑄造的致命弱點。為了改善砂型鑄造的狀況，人們作了不少努力，近代高

2、速粘土濕砂射壓造型和靜壓造型的應用，呋喃樹脂自硬砂，有機酯硬化和微波加熱水玻璃砂的應用，達到砂型鑄造的先進水平。但是對于那些單件小批量、形狀較為復雜的大中型鑄件、大批量生產的復雜鑄件如何來實現“高效、優質、清潔、低成本、高精度、”的生產要求，成了鑄造工作者急待解決的重大課題。在消失模鑄造法出現之后，這個問題得到了解決。消失模鑄造是一種近無余量、精確成型的鑄造方法，被鑄造界的權威人士稱為“21世紀的鑄造工藝革命”和“最值得推廣的綠色鑄造工程”。消失模鑄造與傳統的粘土砂鑄造的主要工藝流程比較如下圖：消失模實型鑄造法、干砂負壓鑄造法分別代表了消失模鑄造發展的兩個階段，也是當前世界各地廣泛使用的、已相

3、互獨立的兩種鑄造方法。實型鑄造法（FM法）：就是用泡沫聚苯乙烯模代替鑄模進行造型，其方法主要是用化學自硬砂造型，模樣不取出呈實體鑄型，澆入金屬液，模樣氣化，而得到理想鑄件的一種鑄造方法。該法的工藝過程是將泡沫塑料制成的模樣，置入砂箱內填入造型材料后夯實，模樣不取出構成一個沒有型腔的實體鑄型，當金屬液澆入鑄型時，泡沫塑料模在高溫金屬液的作用下迅速氣化、燃燒而消失，金屬液取代了原來泡沫塑料模樣所占據的位置，冷卻凝固成與模樣形狀相同的實型鑄件。目前用化學自硬砂作為填充材料的實型法適用于生產單件中大型鑄件。以下是呋喃樹脂砂FM法主要工藝流程：泡塑模成形澆冒系統設計泡塑模上涂料烘干樹脂砂混制退火鑄件清理

4、落砂澆注鑄型硬化填砂緊實干砂負壓鑄造法（EPC法）：干砂負壓鑄造法是將真空密封造型法與實型鑄造進行工藝嫁接而形成的一種新的鑄造方法，因而它保留了真空密封造型法和實型鑄造的主要優點，克服了它們各自的缺點和局限性。這不僅是實型鑄造技術的新突破，更是實型鑄造法的新發展。在干砂填充成型法基礎上，采用負壓澆注，不僅利用砂箱內外壓差使干砂緊實，還保證了泡塑模在真空下氣化，這樣所產生的氣體量大大減少，產生的氣體也能及時和有效地排放。由于金屬液被澆注進入真空狀態下的型腔，因此鑄件表面精度很高，同時簡化了造型操作，無須混砂工序，鑄件容易落砂清理，極少粉塵污染，減少了氣孔以及根除了由粘結劑等添加物引起的鑄造缺陷。

5、該方法已成為消失模鑄造的最重要方法。EPC法工藝流程如下：生產工序的減少和操作內容的簡化，為消失模鑄造提高生產率、減輕勞動強度創造了有利條件。并且由于鑄件近無余量凈成型，清砂極為簡便，從而大大減小了鑄件重量，最大限度地排除了粉塵污染，因此又成為鑄造行業節能減排的先進工藝技術之一。以上兩種鑄造方法雖然造型方法或造型材料不同，但其本質特征是相同的，即采用泡沫塑料模取代了原來的空型腔呈實體的鑄型，并且在澆注過程中泡塑模樣是隨金屬液的推移而逐漸地被氣化消失，模樣和金屬液同時存在，使鑄型始終保持呈實體的狀態，直至澆注完畢，模樣完全被金屬液所取代。因而在許多鑄造工藝和技術要求上基本都是一致的，例如塑料模制

6、造、涂料等。但不同之處是：FM法1）模樣不用模具成形，而是采用市售的泡沫板材，用數控加工機床分塊制作，然后粘合而成。2）通常采用樹脂自硬砂或水玻璃自硬砂作充填砂；而EPC法1）模樣在模具中發泡成形。2）用干砂填充砂箱。3）用真空泵抽負壓成實體鑄型。另外，也有部分國內文獻稱以上鑄造方法為氣化模鑄造、無型腔鑄造等。實際上，泡沫塑料模在澆注過程中并非都是氣化過程。在澆注過程中，泡沫塑料的變化包括軟化、熔融、氣化和燃燒等一系列物理化學現象，在很多情況下，氣化過程并不是主要的（如實型鑄造）。同樣，對很多復雜鑄件（如柴油機缸體）也很難做到無型腔，因此，氣化模鑄造、無型腔鑄造的稱呼是欠妥的。為避免混亂，美國

7、鑄造協會稱之為消失模鑄造，并作為該工藝的名稱。二工藝特點（一） 實型鑄造法用化學自硬砂填充放入泡塑模的砂箱，放模填砂緊實是造型操作的要點。因為泡塑模質輕易變形，放入砂箱時要墊住中間懸空部位，一層一層地先四周后中間填砂，死角凹位要填到位并插實。對不易填實的內孔、窄槽，插入相等尺寸的芯柱或芯塊緊固。一般泡塑模全部放在下型，填好砂硬化后放上上砂箱，接入冒口，澆口等形成上型。無需取出模樣，就可等待澆注。涂料選用專用商品系列涂料，要求透氣性、涂掛性，強度要高。涂層厚度鑄件厚壁處可涂厚一些，以鑄件表面不產生粘砂為合適，可以用手工刷涂或噴淋涂等方式。泡塑模上涂料后在約55以下的氣氛中烘干48小時。澆注系統可

8、采用頂注、側注、底注或多層澆口的方式，澆道用陶瓷管組合駁接或直接用泡沫材料組成。根據鑄件的結構和工作面選擇澆口位置十分重要，設置不當會引起縮孔、粘砂、氣孔、碳黑及皺皮等缺陷。由于澆注時泡沫燃燒汽化產生大量黑濃煙污染環境，因此不推薦用明冒口和散氣片，最好采用暗冒口以及提高透氣性的方法排氣。合理設計澆冒系統可大大消除由泡沫不完全汽化引起的殘留碳和縮孔、疏松等常見鑄造缺陷。1. 工藝技術指標 消失模實型鑄造是一項近凈成型鑄造工藝，與普通砂型鑄造相比，鑄鐵件表面粗糙度降低12個等級，達到Ra 12.5m；機械加工余量減少3060%，最多為1.5至2.5mm，對某些零件甚至可以不加工；鑄件尺寸精度達到C

9、T 79，鑄件壁厚偏差能夠控制在-0.15+0.15mm之間。鑄件重量減輕1020%；金屬利用率（加工后成品重量/鑄造毛坯重量）可達9497%，降低了能耗。插入小芯可鑄出35mm小孔，直徑大于6mm的淺盲孔可直接鑄出。所以，消失模實型鑄造是很值得推廣的半精密鑄造模具制造方法。2. 鑄造實例覆蓋件的成形過程分若干工序完成，如汽車前圍外板就經過落料、拉伸、修邊沖孔、沖窗口整形、翻邊翻口工序，需要多套獨立模具或組合模具。目前汽車覆蓋件沖模及家電產品外殼沖壓成形模需求量十分巨大，而消失模近凈成型鑄造方法可解決供不應求的瓶頸問題，它大大降低了生產成本，縮短制作周期，減少模具的后續機械加工量。以下生產鑄鐵

10、汽車及五金沖壓模具的若干實例，材質有高強度灰鑄鐵，合金鑄鐵和球墨鑄鐵以及特種合金高性能球鐵，重量5噸以上，目前最重可達15噸。 圖1. 拉伸模EPS泡塑模樣 圖2. 沖壓模EPS泡塑模樣 圖3. 下模座模樣上涂料 圖4. 模架模樣上涂料圖5. 汽車拉伸凸模鑄件 圖6. 汽車拉伸凹模鑄件 圖7. 已精加工的汽車覆蓋件沖模 圖8. 已裝配的五金覆蓋件拉伸凹模模具一般是單件生產，所以消失模實型鑄造已成為模具制造的首選工藝，具有很大的經濟性和快捷性。首先是泡沫材料成型，可用預發泡模腔蒸壓成型或數控加工方法獲得。第二，鑄出的模具坯料精確接近使用模具的尺寸，只需少量加工即達到最終尺寸和表面光潔度。第三，可

11、適用于銅、鋁合金、高強度灰鑄鐵、普通球鐵和特種球鐵、普通碳鋼及合金鋼材料。行家認為，采用消失模法生產球鐵模具取代合金鋼模具是中大型模具制造的發展趨勢，尤其是在汽車覆蓋件沖模和家電外殼沖壓成型模上的應用。（二） 干砂負壓鑄造法干砂負壓鑄造綜合了幾種精密鑄造工藝的優點，并克服、彌補了它們各自的不足。例如，干砂負壓消失模鑄造利用了真空密封造型法中用真空手段使松散流動的型料緊固成鑄型的造型原理，且去除了該法中仍然用木模或金屬模造型脫模、下芯、合箱等操作；同時又吸收了實型鑄造和磁型鑄造工藝中用泡沫塑料氣化模實體埋型，不起模就直接進行澆注的優點，而克服了實型鑄造中型料需加粘結劑、需搗實、型料回收困難，打箱

12、清理費勁的缺點，也克服了磁型鑄造中鑄件尺寸受磁極間距大小限制的缺點。 此法的主要工藝過程如下：(1)裝箱將砂箱置于三維振動臺上，首先調整振動臺的振幅和激振力，在泡塑模上填入干砂進行振實，直到緊實度符合振實要求，鋪上塑料薄膜，安好澆口杯圍好壓緊砂待用。(2)負壓澆注負壓的目的：為造型緊實鑄型；將泡塑模在高溫下生成的氣體逸出鑄型；有利于金屬液的充填。方法：金屬液入澆包前先在砂箱上接入真空穩壓系統負壓58 min，負壓表開至008009 MPa，直到008 MPa以上才開始澆注。金屬液澆注入砂箱后負壓表穩定在005006 MPa。澆注完成繼續負壓815min(分箱內工件大小)，可在815 min后，

13、揭開箱表的砂和薄膜，繼續抽冷風510 min，冷卻箱內鑄件。由于砂型鑄造仍是我國普遍存在的鑄造方法，以其為比較對象會發現干砂負壓消失模鑄造有非常多的優越性。概括而言，具有以下幾個共同的工藝優點：1.簡化工序，縮短生產周期，提高生產效率由于模樣是整體的，基本上不用型芯，省去了型芯盒和芯骨制備以及芯砂配制的工序；操作上又省去了取模、修型和配箱等許多工序，因而縮短了生產周期，提高了生產效率。特別對單件、形狀復雜的鑄件，效果更顯著。按目前的生產水平統計，提高造型效率25倍，同時也省去了舊砂再生回用系統，其生產效率的提高和生產周期的縮短是普通砂型鑄造所無法比擬的。2.減輕勞動強度，改善造型工、清砂工的操

14、作環境，改善了作業條件造型省去了脫模、修型和合箱等工序，減輕了勞動強度和改善了操作條件。而且該法在澆注時產生的廢氣可通過密閉管道排放到車間外以便進行凈化處理，這樣大大改善了生產現場的環境,由于去除負壓后就流去松散干砂，避免清砂時粉塵飛揚，實現了綠色鑄造。3.提高了鑄件的尺寸精度干砂負壓消失模鑄造同樣因模樣不必從鑄型中取出，沒有分型面，又省去了配箱、組芯等工序，避免了在普通鑄造中因起模和配箱所導致的尺寸偏差，因而提高了鑄件的尺寸精度，減少了機加工量。據報導，干砂負壓消失模鑄造工藝的尺寸精度超過了濕型工藝和樹脂砂工藝的精度（接近精密鑄造）。例如，通常孔需要加工制出而用消失模鑄造工藝可直接鑄出直徑大

15、于6mm的孔，孔徑的重復精度相當好，誤差一般在0.2%以內。干砂負壓消失模鑄造的鑄件表面質量和金屬型鑄造的鑄件質量非常接近，表面光滑，比砂型鑄造的鑄件表面粗糙度Ra值低，可達3.212.5µm；鑄件尺寸在鑄造過程中只有很小變化，發泡成型機生產的模樣尺寸幾乎無變化。鑄件的尺寸精度比傳統砂型鑄造提高23級別；鑄件尺寸公差很小（見表1-1），加工余量最多為1.52mm，可以大大減少機械加工的費用，和傳統砂型鑄造方法相比，可以減少40%50%的機械加工時間，因此降低了能源損耗。4.增大了零件的設計自由度為鑄件結構設計提供了充分的自由度。干砂負壓消失模鑄造方法沒有分型和必須取模的鑄造工藝，減少

16、了鑄造工藝性要求，使鑄件設計受到的限制減少。泡塑模樣不需芯子的優點，可使設計都精確地鑄出復雜內腔，甚至多內腔的鑄件，鑄件壁也可以是曲面式變截面的。表1-1 干砂負壓消失模鑄造的鑄件尺寸公差鑄件尺寸/mm公差/mm<25±0.172580±0.2580125±0.30125175±0.43175250±0.003(每1mm)>250±0.002(每1mm)5.鑄件質量好、廢品率低造型后，鑄型是一個整體的，沒有分型面、不需取模，也不必考慮脫模斜度，所以杜絕了鑄件的錯箱和表面的飛邊、毛刺等疵病。同時，還避免了像普通砂型鑄造因造型

17、操作不慎遺漏在鑄型內的殘砂所導致的砂眼缺陷。在設計鑄件時可不考慮飛邊、芯破裂、芯座和出砂問題。對鑄件生產者來說沒必要提供專用制芯、混砂、下芯、清砂工具，不會產生破芯、壞芯以及使用芯子形成的氣孔或其他問題，內腔不用粘性砂還可減少鑄件清理量，沒有芯座、芯撐、芯骨、飛邊等減少了鑄件最后清理量。有資料介紹說清理工序估計可減少費用80%。6.冒口設計方便，金屬液利用率高在砂型鑄造中很難設置的球形暗冒口在消失模中可以很方便地安置在任何位置；同時，由于容易在砂箱中將塑料模串聯起來實行群鑄，因而，大大節約澆注系統中的液態金屬。7.工藝技術容易掌握，生產管理方便干砂負壓消失模鑄造簡化了模樣制作工藝，簡化了造型操

18、作和工藝裝備，使工藝技術容易掌握和普及。同時，使用單一型料，不用對造型材料進行日常性能檢查；也不存在模樣的保管和大批砂箱的堆放問題，因而車間的生產管理工作大大簡化。8.投資少，見效快由于生產工序少，各道工序操作簡便，使工藝裝備的品種和數量大為減少。干砂負壓消失模鑄造不用龐大的砂處理設備，用振動工作臺代替了各種類型的造型設備，造型材料可以完全回收使用，因此，投資少。因本法工藝簡單、技術易掌握，對于不十分復雜的鑄件，一般制模工和造型工均可方便地制得。就制模和造型操作來說，不僅可以不增添設備，還可省去不少工裝和刀具。僅舉制模操作為例，通常只需在原有的木工機械（車床、銑床等）上更換刀具就可切削泡沫塑料

19、。因而，采用本法可以因陋就簡地迅速投入生產；尤其對于制造試制產品、維修和急需鑄件，其收效更快。據有關資料顯示：到現在為止用干砂負壓消失模澆注過的最大鑄件為：鑄鐵件5t; 鑄鋼件2t; 鑄鋁件110kg。從方便操作和現有工藝水平考慮，干砂負壓消失模鑄造以澆注2t以下，壁厚大于4mm的鑄件為宜。所以，首先要從經濟效益角度考慮對鑄件生產批量的適用性，模具的制造成本較高，每澆注一個鑄件就要消耗一個泡沫塑料模樣，因此也存在一個生產的最佳批量問題。 以下是發動機缸體缸蓋干砂負壓消失模鑄造的典型工藝： 圖9.整體制模與鑲嵌缸套工藝 圖10.水平分型與豎直分型相結合工藝圖12.發動機缸蓋澆注工藝方案圖11.發動機缸蓋泡沫模型分型方案 干砂負壓消失模鑄造的其它應用實例： 圖 13. 某減速器殼泡沫模樣 圖 14. 某減速器殼鑄件簇圖 15. 某鑄管泡沫模樣 圖 16. 各種球鐵鑄管件如果要保證消失模鑄造產品的質量好，使用優質的鑄造專用泡沫珠粒是關鍵的一個環節。用包裝用泡沫來制造產品的泡塑模型，會因為其發氣量，增碳量等不定因素大大影響了鑄件產品質量。現在隨著消失模鑄造業在國內的迅速蓬勃發展，隨之而來原輔材料也要求越來越專業化。1.消失模鑄造用專用泡沫珠粒的常規專用名稱：1)消失模鑄造專用的可發性聚苯乙烯樹脂珠粒（簡稱EPS）；2)可發性甲基丙烯酸甲脂與苯乙烯共聚