砂芯组合定位装具的研制与应用

阎士标，孙志浩，刘建功，孟庆子，邢董星，郝光

1.河北太行机械工业有限公司 河北石家庄 052165

2.陆军71901部队 山东聊城 252000

1 序言

在铸件的铸造成形过程中，砂芯用来形成铸件的空腔。在铸型的组合过程中，砂芯的定位非常关键，如果砂芯放置时位置不准，铸件会产生冷隔、浇不足、壁厚不均及重量超差等缺陷，从而产生废品。目前，用普通手工造型方式，砂芯定位常用的方法是用一些简单的辅具进行定位，这种方法对一些结构简单、尺寸公差较大的铸件还可以满足要求，但对于一些尺寸精度要求较高、铸件重量控制比较严格的复杂铸件，则根本不能满足铸件的要求，需要专用装具来保证组型过程中砂芯的位置，从而保证铸件尺寸的要求。

2 箱体铸件形状及尺寸公差要求

某箱体铸件为航空装备重要零件，材料为铝合金ZL101A。铸件外形如图1所示，横向剖视如图2所示，纵向剖视如图3所示。

图1 箱体铸件外形

图2 箱体铸件横向剖面

由图1～图3可看出，该箱体是一个框式结构铸件，中间为壁厚15mm的腔体，顶面有6个凸块，左右两侧各3个凸块，每个凸块为中空结构，凸块最小壁厚15mm，铸件重量30kg。由于该箱体的特殊用途，铸件有两个重要尺寸，具体要求如下。

图3 箱体铸件纵向剖面

1）6个顶面凸块型腔B面相对于中间型腔A面的140mm尺寸差值要求≤1mm。

2）左边3个顶部凸块型腔C面和中间型腔E面、右边3个顶部凸块型腔D面和中间型腔F面之间的尺寸（30mm）差值要求≤1mm。

除这两个重要尺寸外，铸件其余尺寸公差按GB/T 6414—2017《铸件尺寸公差 、几何公差与机械加工余量》中DCTG 10级执行。

3 箱体铸件试制工艺及重要尺寸情况

由于箱体铸件结构相对复杂，所以初步试制时采用砂型铸造方法，具体造型工艺如下。

1）采用普通手工造型方式。

2）分型工艺采用上、中、下三箱造型。

3）型模、芯模均采用木质材料模样。

4）铸造用砂采用呋喃树脂砂。

5）砂芯的固定采用专用黏结泥粘接，砂芯定位尺寸采用钢板尺测量。

铸件工艺分型方案如图4所示，铸件下箱铸型如图5所示，铸件中箱铸型如图6所示，铸件中间型腔芯如图7所示，铸件顶部凸块型腔芯如图8所示，箱体铸件铸型（省略上箱）如图9所示。

图4 箱体铸件工艺分型方案

图5 箱体铸件下箱铸型

图6 箱体铸件中箱铸型

图7 箱体铸件中间型腔芯

图8 箱体铸件顶面凸块型腔芯

图9 箱体铸件铸型

铸件试制尺寸情况如下。

共试制铸件3件，打磨清理后，对铸件尺寸进行检测，除两个重要尺寸外，其余尺寸均满足GB/T 6414—2017中DCTG 10级要求，两个重要尺寸检测结果见表1。

表1 箱体铸件试制重要尺寸检测结果

从表1可看出，这两个尺寸检测结果超出了箱体尺寸要求。

4 箱体铸件重要尺寸超差原因分析

经分析，箱体铸件重要尺寸超差原因主要有以下几点。

1）中间型腔芯外形尺寸较大，面积也大，芯模为简易木质模样，模样尺寸精低差，手工制芯时，砂芯会产生变形、臌胀等现象，很难保证在整个平面宽度200mm尺寸内的一致性。

2）制作顶部凸块型腔芯时，芯模为木质模样，很难保证B面、C面、D面的平面度在技术要求范围之内。

3）组合顶部凸块型腔芯时，是在砂芯底部涂上一定厚度的黏结泥，然后和中箱铸型黏接在一起。水平定位30mm、垂直定位140mm尺寸时，是用钢板尺测量定位的，钢板尺属于低精度量具，目测尺寸时误差较大，因此造成尺寸超差。

4）造成尺寸超差主要的原因在于手工操作时误差较大，组芯时很难保证各砂芯之间的位置要求，因此必须采用专用装具才能保证要求。

5 箱体铸件工艺改进

根据以上原因分析，我们对箱体铸件铸造工艺进行了改进。

1）将两个砂芯模具材料由木质改成铝材，同时提高模具尺寸加工精度，以减小砂芯在制作过程中的变形量。

2）制作砂芯时，在中间型腔芯E面、F面覆一层10m m厚的石墨板，在顶部凸块型腔芯B面、C面、D面覆一层5mm厚的石墨板，以提高砂芯这些面的平面度，便于砂芯装配定位时准确地对尺寸进行测量。中间型腔芯石墨板和树脂砂组合如图10 所示。

图10 中间型腔芯石墨板和树脂砂组合

3）在铸型组芯时，采用砂芯组合定位装具对中间型腔芯和顶部凸块型腔芯进行精确定位，以保证铸件重要尺寸的要求。

6 砂芯组合定位装具的结构设想及功能

砂芯组合定位装具（以下简称装具）是以中间型腔芯上部为定位基准，装具上装有水平测板和高低测板，同时对顶部凸块型腔芯水平位置和高低位置进行定位。水平测板可以左右滑动，用来测量顶面凸块型腔C面和中间型腔E面、顶面凸块型腔D面和中间型腔F面之间30mm的距离。设计装具时，通过保证水平测板左右滑动的距离相等，就可以保证6处30mm尺寸在要求范围之内。高低测板用来测量顶部凸块型腔的B面相对于中间型腔A面的距离。该装具可以前后移动，可对不同的砂芯进行定位，可以用同一个高低测板保证各砂芯之间的尺寸误差在要求范围之内[1]。

7 装具的结构组成

根据以上的设计思路，该装具结构及零件组成如图11所示。除标准件外，其余零件均用2A12铝合金材料制造。

图11 砂芯组合定位装具结构

装具三维实物如图12所示[2]。

图12 砂芯组合定位装具三维实物

8 装具各零件的作用

1）底板形状为长方形，底部有4个支脚，两支脚间宽度方向上内侧距离为（200±0.5）mm，用来与中间型腔芯顶部配装定位。底板上面固定有4个滑座，用来固定2个滑杆。滑杆用来支撑滑板，配装后，滑板可带动其他件在滑杆上灵活滑动。

2）水平测座通过螺钉和滑板联接，水平测座上表面有和高低测板相配的凹槽，配装后，高低测板下表面距底板底部平面间的距离为140mm，用来测量中间型腔A面和顶部型腔芯B面的高度尺寸。

3）水平测座中有和水平测板配装的方孔，水平测板配装后，推杆和水平测板通过螺纹联接，推杆可带动水平测板在水平测座内左右灵活移动，用于测量顶部凸块部型腔芯C面、D面到中间型腔E面、F面的距离尺寸。水平测板滑动状态如图13所示。

图13 水平测板滑动状态示意

4）挡块和水平测座通过销铆接固定，水平测板移动时，挡块可对水平测板进行限位。水平测板向左、向右移动到极限位置时，水平测板左边、右边到到中心的距离均为130mm，这样就能保证顶部凸块部型腔芯C面、D面到中间型腔E面、F面的距离尺寸均为30mm。

5）提杆为T形零件，通过螺纹和底板联接，用手握住提杆，可方便对装具进行移动。

9 装具的使用方法

9.1 中间型腔芯的固定

组芯时，先把下箱铸型放平，然后把中间型腔芯和下箱铸型组合在一起，将中箱放在下箱上面，用手握住提杆，用装具下部4个支脚测试中间型腔芯和中箱铸型之间的间隙，调整中间型腔芯的位置，直到4个支脚均能顺利放入砂芯和中箱之间的间隙中，此时装具的下表面和中间型腔砂芯的上表面接触。这样，砂芯和铸型中箱的中心基本对正。此时，由于中间型腔砂芯上表面覆有石墨板，表面比较平整，因此整个装具基本处于水平状态。

9.2 顶部凸块型腔芯位置的固定

顶部凸块型腔芯共6个，分成3组，对称分布。固定此芯时，是用黏结泥将此芯和中箱铸型黏接。下面以右边第二个顶部凸块型腔砂芯为例，说明使用该装具定位砂芯的方法。

先不抹黏结泥，将顶部凸块型腔芯放入中箱铸型芯座中，然后将装具放入铸型中，同时向右推动推杆，使水平测板向右移动到右边极限位置。此时，砂芯正确的位置是砂芯D面与水平测板的右边刚好接触，砂芯的B面与装具高低测板底面刚好接触。此时，观察试芯D、B两个面与装具水平测板、高低测板之间的距离，根据距离的大小、操作经验，将试芯取出，在芯头处抹一定厚度的黏结泥，然后重新放入中箱芯座处，用装具再次测量这两处距离，反复多次，直到砂芯D、B两个面和装具两个面刚好接触为止，此时顶部凸块型腔砂芯位置即固定好，如图14所示。

图14 顶部凸块型腔芯固定示意

按照上述方法，即可对其余5个顶部凸块型腔芯进行定位。

9.3 定位装具的取出

所有砂芯固定好后，用手握住装具上的提杆，将装具从铸型中取出，放在专用位置保存，铸型即可合箱进行浇注。

10 箱体铸件使用装具后重要尺寸的验证

为了验证用此装具组型后铸件尺寸情况，又生产了3件铸件，对铸件进行清理打磨后，对重要尺寸进行了检测，结果见表2。

表2 箱体铸件工艺改进后重要尺寸检测结果

从表2可看出，3件箱体铸件尺寸均在铸件要求范围之内，说明用此装具组芯后，能有效控制铸件的尺寸，满足箱体铸件的要求，因此可用此装具进行批量生产。

11 结束语

砂芯组合定位装具在箱体铸件工艺及试生产中的应用，有以下几点实际意义。

1) 该定位装具结构简单，成本低廉，尺寸精度高，能保证中间型腔芯和顶部凸块型腔芯位置相对固定，从而保证铸件尺寸要求，降低铸件废品率。

2）该装具的成功应用，可为其他类似铸件试制生产起到技术借鉴作用。

3）该装具是在我公司现有生产条件下设计的一种定位装具，其应用有一定的局限性。如果该箱体铸件在生产设备、生产条件好的企业生产，肯定有更好的方法，因此该装具不一定是最优的装具结构。当然，在今后的生产中，我们会不断对此装具进行改进，进一步简化此装具的结构，提高此装具的精度，以更好地提高铸件质量。