新型真空静压造型技术的原理与运用

Klaus Endtner，许云东

（1.德国MD公司，上海201314；2.笨马机电技术（上海）有限公司，上海201314）

新型真空静压造型技术的原理与运用

Klaus Endtner1，许云东2

（1.德国MD公司，上海201314；2.笨马机电技术（上海）有限公司，上海201314）

自从上个世纪八十年代静压造型技术发明以来，已经普及近30年。目前世界上大多数全自动水平有箱造型线均使用静压造型技术。但是随着静压造型技术的普及，其能耗大、模板成本高、气流反弹等等缺点越来越明显，为了克服这些缺点，德国MD公司于2010年开始，推出了新一代的静压造型技术——真空静压造型技术。本文就真空静压造型技术的原理和运用，进行一些分析和介绍。

真空静压造型；开发；原理

1　开发背景和定义

上个世纪八十年代，气冲造型技术风靡一时，几乎无论什么产品都用气冲造型线来生产，但随着气冲线的普及，慢慢发现气冲造型对模型垂直面的紧实效果不佳，同时由于气流反弹的影响，导致分型面后面，铸型硬度下降极快，有时较高的铸型，铸型背面硬度低得甚至铣浇口杯都困难。在这样的情况下，日本新东公司在气冲的基础上发明了静压造型（Seiatsu），或者称为传统的静压造型，简称Air Seiatsu（简称AS）.静压造型发明后，由德国HWS公司迅速推向全球，取代了气冲造型技术，成为目前全自动水平有箱造型技术的主流。

气冲造型是指在高压、超高压压缩空气的带动下，型砂和高压空气一起高速冲向模板，当型砂撞击模板时，在动能的作用下完成紧实。早期由爆炸来产生超高压气体，也被称为爆炸成型法。后期改用高压压缩空气，噪音大大减少，但是快开阀打开时，仍然存在较大的噪音。由于气冲造型结构简单，效率高，铸型硬度梯度合理，透气性好，因此在上个世纪八十年代迅速推广，风靡一时，直到九十年代才逐步被静压造型取代。

传统静压造型AS采用重力加砂，加砂后将高压压缩空气施加于型砂背面，压缩空气穿过型砂，从模板的排气塞排出，如图1所示。压缩空气穿过型砂并排出的过程中，带动型砂向模板运动，从而实现预紧实，相对于气冲造型噪音大大减少，因此被称为静压造型Seiatsu.静压造型由于空气压力大大降低，不可能如气冲造型一样由空气独立完成造型，因此必须采用多触头等机械压实进行最后的压实。静压造型技术脱胎于气冲造型技术，虽然不再仅仅使用高压空气压实，一般在预紧实后会采用多触头补压。但是由于高压空气在型砂中的存在，仍然遗传了气冲造型的许多缺点，铸型反弹大，如图2所示，排气塞一旦堵塞，铸型质量大大下降，模板成本高，模板磨损大等等。直到今天，静压造型技术仍然是水平有箱造型线的主流技术。

图1　传统静压造型机

图2　传统静压气流方向

真空静压造型技术VaccumDirectional Airflow（直译为真空定向气流工艺，简称VDA）是在传统静压造型技术AS基础上发展起来的，VDA采用真空取代高压压缩空气，由负压驱动型砂运动，这样既保留了传统静压AS的优点，又避免了型砂中高压压缩空气带来的一系列缺点。其过程如下：在模板加砂困难位置或压实效果不好的位置安装排气塞，大多数模板可能只需要一个或几个排气塞；而后仍然采用重力加砂，加砂后打开快开阀，抽真空从排气塞吸入空气，空气带动型砂流向排气塞，型砂到达排气塞位置时，由真空产生的压力和型砂自身的动能实现局部预紧实，从而完成真空静压VDA的过程，如图3所示。

图3　真空静压造型气流方向

2　真空静压VDA的优点

2.1定向气流，局部预紧实，加砂效果好。

由于真空静压VDA采用真空取代高压压缩空气，因此气流自产生之时就是定向气流，并自然形成有序的气压梯度，而不是传统静压的直线气流，因此也就不存在气流反弹的问题。并且定向气流带动的型砂也是定向移动，定向地流向排气塞的位置，完成局部预紧实，因此对于模型上有凹坑，死角等加砂困难的位置等等，真空静压往往具有非常好的效果。就象家里的除尘器一样，在定向气流的带动下，周边的型砂爬山涉水也要流到排气塞位置，完成定向加砂和局部预紧实。相反，传统静压造型由于高压气流冲击到模板上引起气流反弹，干扰凹坑和死角部分的加砂，等待过一段时间，气压梯度建立起来时，由于前面的预紧实效果，可能在凹坑和死角形成搭棚，反过来阻碍加砂。如果凹坑内的排气塞堵塞，高压空气在凹坑内阻止型砂的进入，导致凹坑内的铸型质量，反而不如不使用静压。更让人遗憾的是，绝对不堵塞的排气塞是不存在的。

2.2造型效率高、铸型反弹小，铸件尺寸精度高

由于真空静压采用真空取代高压空气，因此在静压过程结束后，不需要等待高压空气从型砂中排出，提高了造型效率。同时不但避免了型砂中间高压空气的残留，而且反而会有微弱真空残留在型砂之间。型砂中间的空气，是导致铸型反弹的最主要原因，因此真空静压产生的真空残留，能够减少型砂中的空气，进而减少铸型反弹，提高铸件精度。

2.3能耗低，节能

传统静压造型，需要在整个铸型范围施加高压压缩空气，因此需要庞大的储气罐和大量的压缩空气，进而需要高昂的能耗。真空静压由于在整个铸型上，可能只需要一个或几个排气塞，因此真空消耗量很少，往往只需要一个较小的真空罐和真空泵即可满足要求。两者相比，真空静压的能耗要远远低于传统静压造型工艺。

2.4模具成本低，铸型光洁度高

传统静压造型为了让高压空气尽快从型砂中排出，需要在模具上安装大量排气塞，这大大提高了模具的成本，同时安装在模型上的排气塞，还大大降低了铸型的表面光洁度。真空静压造型技术大大减少了排气塞的数量，自然就减低了模具的成本，提高了铸型的表面光洁度。

2.5模板磨损小

传统静压造型由于高压空气冲撞到模板上，一方面这个冲撞本身对模具会造成很大的磨损，另一方面高压空气形成气流反弹，带动型砂在模具表面运动，大大加剧了模具的磨损。真空静压由于一开始就形成气压梯度和定向气流，因此仅仅对排气塞附近很小的范围内的模具产生一定的摩擦和磨损，同传统静压相比几乎可以忽略不计。

3　真空静压造型技术的运用

鉴于真空静压造型技术的特点，对于生产具有凹坑、死角等加砂困难的铸件，例如钳体、箱体类铸件，真空静压造型技术的定向加砂和局部预紧实非常适用。在生产外形比较简单的铸件时，如发动机机体和缸盖、飞轮和飞轮壳、刹车盘和进排气管等等，更加容易，铸型质量更好。

德国MD公司以真空静压为核心，开发了3S真空静压水平有箱造型线，它将真空静压的定向加砂、局部预紧实技术，和模板压实、多触头压实结合在一起，使铸型质量得到大幅度提高，能耗得到降低，同传统静压造型机相比较，具有以下几个优点：

1）传统静压的高压空气是从背面压向模板，气流从上向下流动，不但作用于整个铸型表面，而且需要穿过整个铸型，阻力大，能耗大。3S真空静压气流是从模板吸入，气流是定向流动，阻力小，如图4所示。

图4　传统静压造型机与3S真空静压造型机气流方向

2）传统静压造型机的压实是靠铸型背面的多触头，压实的方向是从铸型的背面压向模板，这样背面硬，分型面软，如果分型面要求达到硬度90，那么背面硬度更高，透气性差。3S造型机压实是模板压实，压实的方向是从分型面压向铸型背面的多触头，多触头仅仅是被动抵抗压实。这样分型面硬度高，铸型背面硬度低，透气性好，如图5所示。

图5　传统静压造型与3S真空静压压实方向对比

3）压实方向的不同决定了巴士效应产生的硬壳层位置不同，传统静压造型机是在铸型的背面，3S造型机是在铸型的分型面，因此巴士效应硬壳层使得铸型分型面表面光洁度高，铸件表面光洁度好。模板压实是目前世界公认铸型表面光洁度极佳的造型方法，如图6所示。

4）巴士效应硬壳层的位置决定了，传统静压造型机铸型背面硬，分型面软。如果分型面硬度为90，那么背面硬度达到95以上。3S造型机如果分型面硬度同样为90时，背面硬度仅仅为85左右，透气性好，如图7所示。

图6　传统静压造型与3S真空静压硬壳位置对比

图7　传统静压造型与3S真空静压硬度对比

综上所述，静压造型在流行30年以后，于2010年后，终于发展出新一代静压造型技术——真空静压造型技术，采用真空取代高压空气进行加砂和预紧实，从而回避了高压空气带来的一系列缺点，提高了铸型质量，降低了成本。定向加砂和局部预紧实技术，将大大改善凹坑和死角这些加砂困难部位的铸型质量。

［1］赵云刚.国我外湿型铸造设备的发展［J］.铸造设备研究，1988（3）：59-65.

［2］吴浚师.冲击造型方法和冲击造型机的新发展［J］.铸造设备研究，1988（3）：18-22.

TG24

A

1674-6694（2016）05-0004-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.05.002

2016-06-12

许云东（1965-），男，总经理，主要从事铸造造型线的设计、管理工作。