实型铸造车间黑区铸造线的设计要领
M ain Points in Design of Cast Line in Black Area of Lost Foam Foundry
王亚峰
(机械工业部第四设计研究院，河南 洛阳 471039)
摘要 ：文 中作者结合 自己的成功设计实践 ，详细阐述 了大批量生产箱体铸铁件的消失模车间黑区铸造
线的非标设 计原 则、要 领及诀 窍。
关键词：大批量生产 ；箱体铸件 ；消失模 ；黑区；铸造线
中图分类号：TG249．6；文献标识码 ：B；文章编号 ：1006—9658(2004)04-0055—03
Abstract：Combining author S design experience， the main points and know—how ofcast line design have been ex-
plained in detail．The line is used in“black area”oflost foalT1 foundry with volume production ofcase—shape castings．
Keywords：Volume production；Case-shape castings；Lost foam；Black area；Cast line
机械工业部第 四设计研究院在 9O年代末成功
设计 了数个实型铸造 (消失模铸造 )车间及其黑 区
的铸造生产线。这些铸造线主要用来大批量生产箱
体铸件如缸体 、缸盖 、变速箱体 、离合器壳体等。本
文主要介绍大批量生产箱体类铸件 的消失模铸造
车间的黑 区铸造线的非标设计要领和经验。
收稿 日期：2004-02—28
文章编号：200l4—019
具 辅 件 ，如
浇 冒 口 系
统 、顶芯板／
杆 、回位 导
杆 等 ，采 用
车 床／铣 床／
磨床 进行加
工 。
3．3 辅件 与
芯盒装配
模 样 及
浇 冒 口系统
先采用螺钉
盒上模板
盒下模板
1 黑区铸造线主要工艺流程
本文所述的消失模铸造车间黑区铸造线 ，指将
白区(即制模工部)提供的发泡模束转变为合格铸
件的造型砂处理生产线。主要工艺流程如下 ：
空砂箱 H 预加砂H 放模柬 H 二次加砂并振实H 放浇口杯
铸件冷却H 持续抽真空至铁液凝固H 浇注并伴以抽真空
倒空砂箱H 落砂H 铸件送出，砂处理后重复使用
工艺设计H 木模制造 卜—叫 毛坯制造
装配 H 数控加工H 模具三维设计H 模具结构设计
普通机床加工H 二维辅件设计
图 5 神龙凸轮轴模具设计制造流程图
4 应用效果
设计制造的壳型模具 ，生产的神龙凸轮轴铸件
要 表 6国．3~12．5集1zCT7 PSA
凸轮轴模具 ～9级，材质满足法国 集团技术要求，模具
已使用 17万次左右，生产合格凸轮轴毛坯 30多万
底板 中；顶芯杆装配到顶芯板上 ，然后装配到设备
底框上。
，使用状况 良好。
参 考 文 献
王其东．壳型铸造法国内外应用概况及发展趋势 【J】．中国铸机，
t991(3)：4-8．
吴武文，范广业 ，黄列群．铁型覆砂铸造多缸球铁曲轴工艺【J】．现代
铸铁 ，1993(2)：28～32．
杜 军，刘耀辉．铸铁凸轮轴制造技术及国内外发展动态【J】．汽车
工艺与材料，1999(3)：1 ．
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2 砂箱的设计
砂箱设计是黑区铸造线设计的基础。其形式及
尺寸的确定要考虑下列T艺及设备因素 ：
(1)产品代表件及最大件 的尺寸 ；
(2)依据凝固原理铸件及其浇道在砂箱中的布
置形式；
(3)铸件四周最小吃砂量的选定 ；
(4)砂箱结构要与振实台、输送线 、倒箱机等设
备相匹配 ；
(5)一般要在砂箱 内设置用于抽 负压 的夹层
(包括过滤网孔 )及与负压系统的接 口。负压的夹层
一 般设置在砂箱底部。
矩形砂箱与圆柱砂箱的选择 ：两种形式均可满
足上述要求 ，实际生产中两种形式均存在 ，但 圆柱
砂箱制造简单 、更易获得紧实度均匀的砂型。
3 预加砂放模束及二次加砂装置的设计
预加砂是给空砂箱底部平铺 7～20cm厚的砂层
以便放置模束。为方便操作，提高造型线生产率 ，预
加砂在造型线上一般是一个单独工位。因消失模造
型所用的是没有粘结剂的于砂 ，流动性非常好 ，加
砂凭重力即可，不需要给料机 。可用控制阀门开启
时间来控制加砂量。将砂在砂箱底铺平可借助专用
机构 ，也可由人工完成。因发泡模束较轻可人工放
置。需配专用卡具使模束在砂箱中定位。
二次加砂和振实是一个工位。二次加砂和振实
需同时进行 ，只有这样才可使砂充满箱体类铸件的
内腔。发泡模束强度低易变形 ，二次加砂的砂量大，
故必须配备“雨淋式定量加砂器”，使砂流变成“砂
雨”缓缓进入砂箱以减少对模束的冲击。
雨淋式定量加砂器安装在砂斗的下部 ，其机构
设计原理是 ：设计 2层与砂箱内尺寸相当的钢板 ，
钢板上有规律的密布众多细小的孔 ，通过改变 2层
钢板间的相对位置，来保证砂流在整个砂箱断面的
均匀分布，并可对砂流的流速进行调节。
4 振实台(方式 )的选择及设计
振实台可以说是消失模铸造线的核心 ，类似于
粘土砂车间的“造型机”。国内在对消失模工艺进行
研究的早期或在单件小批量生产条件下 ，曾设计制
造 了众多类型的振实台，有 3维振实台 ，2维振实
台 ，很少采用单维振实台 ，认为单维振实台使用范
围太窄。这其实是 1个误区。在国外工业化大批量
生产线上，最多采用的是单维振实台。可以讲单维
振实台可以满足绝大多数机械零件的造型要求 。而
工业化应用 中单维振实台的最大优点是结构简单 ，
投资少 ，更容易和输送线衔接。
评价振实台优劣的标准主要有：①能否使砂充
满箱体类铸件的内腔 ；②模束四周的紧实均匀，模束
不变形 ；⑧振实后砂的紧实度高。
砂箱 内干砂的振实紧实过程大致可分为 2个阶
段 ：第一阶段 ，使砂粒悬浮并向各方 向(水平或向下)
流动充满整个砂箱包括发泡模的内腔；第二阶段，使
砂子同时均匀紧实。振实参数有 ：振幅 、频率 、加速
度 、振动时间等。其工业化生产的参数范围为：振幅
o．1~2mm；频率 50~60Hz；加速度 0～2g；振动时间
10~120s、加速度 时，砂子处于悬浮状态 ；加速度>
g时，砂子才可得到紧实。
lT二业化生产中，单维垂直振实台应用较早且普
遍 。其中以美国 GK公司的单维垂直振实台最值得
称道。其结构并不复杂，由四个空气弹簧支撑的振
台下部安装了 1对振动电机以产生垂直振动。但其
核心诀窍有 3处：
其一 ，为避免砂子在砂箱内产生“涡流”损坏模
束 ，砂箱与振实台之间在垂直方向不进行固定；
其二 ，在砂箱底部设 3个锥坑，振实台面对应设
3个锥台，振动时锥坑与锥台的碰撞使砂子产生水
平方向的运动；
其三 ，振动瞬时急停使砂子瞬间得到均匀紧实。
例如可在 0．5s时间内使电机从 3600r／rain降至 0。
单维水平振实台以美国富康(Vulcan)公司的产
品最为著名。应该讲砂子在水平方向的充填能力较
垂直振实台要好些。结构上，单维水平振实台成“L”
形，由四个空气弹簧支撑，振实台背上安装有电机带
动的偏心振动系统。振实台从砂箱的一侧面夹紧并
举起砂箱 ，振实台与砂箱一起振动。通过优化振实参
数实现对不同铸件发泡模的最佳紧实。单维水平振
实台较单维垂直振实台结构稍复杂些 ，投资也较大。
综合国内外的生产实践，单维垂直振实台较单
维水平振实台应用更为普遍 。
5 关于负压系统及其配备必要性
负压系统的组成：水环真空泵，负压罐，管路及
阀门，循环水系统(含砂尘沉淀池)。
消失模铸造的负压系统在生产中所起的作用与
V法铸造造型 中的负压 的作用大不相同 ：V法造型
中的负压的作用是形成坚实的砂型，而在消失模铸
造中负压所起的主要作用是帮助浇注过程中白模燃
烧后气体的排出，形成坚实的砂型仅是辅助作用。甚
至，在白模材料及原砂粒度控制得当，振实台设计制
造的质量高振实参数选择合理的情况下 ，消失模铸
造线完全可以在没有启动负压系统的情况下 ，生产
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出合格铸件 ，这一点已经在生产实际上得到证实。
而不使用负压系统的经济意义非常大 ，节省 了大量
的电费(负压系统的用电量约占整条线的 1／4)。但
在消失模铸造线的设计及建设 中，一般业 主很难下
决心将负压系统取消，通常做法是不管相关的设备
及厂房投资巨大仍保留该系统。
负压度依铸 件的不 同而变化。抽 负压持续时
间 ，一般以保证铸件浇注排气基本结束 ，铸件外层
已凝 固即可。具体时间长短依据铸件凝固数据或经
验数据合理选定。设计时，依据该选定的时间数据 ，
结合铸造线 生产率 ，确定铸造线上抽负压 的工位
数 。
6 关于砂箱输送线布置
砂箱输送线的作用是将铸造线 上的砂箱在铸
造线上封闭循环输送。砂箱输送线按照布置形式有
2大类 ：矩形开放式布置和环形布置。
矩形开放式布置 ，一般将冷却和倒空砂箱工位
布置在一条直线上 ，将造型浇注工位布置在另一条
直线上 ，两端用转运车连接 。在直线段 ，砂箱在辊道
上运行 。为保证砂箱的运转平稳 ，砂箱运动 由液压
缸驱动 ，按节拍间歇运行。
环形布置时，砂箱放在小车上 ，小车连成环线。
环线驱动一般也采用液压缸驱动。
两种布置形式均运行可靠 ，没有明显的优劣之
分。在实际生产中，两种布置形式均常见。在环线布
置时，最好将砂处理系统布置在环线中间以充分利
用环线中间的面积。
砂箱输送线与振实台等装置配套 ，
即构成 了铸造线。铸造线的运行节拍要
服从于振实台的工作节拍 (完成一个振
实周期所需的时间)。根据实际经验，在
单主机 (振实 台)情况下 ，消失模铸造线
的运行节拍在 2min左右 ，亦即铸造线的
正常生产率一般不大于 40箱／h。
7 倒空砂箱和落砂
铸造线上设翻转倒 空砂箱装置 ，在
铸造线运行节拍 内，将砂箱夹 紧、举起 、
翻转倒空并复位。翻转倒空砂箱装置采
用液压驱动。
由于采用干砂造型 ，消失模铸造线
的落砂较为简单 。一般设一个振动输送
机 ，接受从砂箱倒出的铸件和干砂 ，通过
3-5m左右的振动输送 ，铸件上和腔内及
孔中的干砂即可落净，在振动输送机端
部布置一段多孑L板，热干砂从孑L板落下进砂处理系
统，铸件从振动输送机端头送出，实现砂与铸件的分
离 。
8 砂处理系统设计
砂处理系统负责对热的干砂进行磁选、筛分、冷
却 、运输及储存。系统的核心是对热砂的冷却。
目前常用的砂冷却方式主要是沸腾冷却器。其
工作原理为由鼓风机将冷却器内的热砂均匀吹起并
“沸腾”，象沸腾的水一样 ，在该沸腾的砂内布置众多
的冷却水管 ，通过热交换将砂冷却。冷却水循环使
用 ，在室外设冷却塔 。
根据车间面积情况 ，参考进 口设备 ，曾设计了 2
种冷却器 ，即卧式冷却器和立式冷却器。卧式冷却器
维修简单 ，但 占地面积大 ；立式冷却器 占地面积小 ，
适合较粗粒度的砂。
9 自动化控制系统
消失模铸造线最好设计成 自动线 。除放置模束
及浇注需人工干预外 ，全线可全 自动运行 。全线设一
个集中控制室 ，使用 PLC对全线的所有机械动作 、
液压系统进行控制 ，对所有的检测信号集中处理，实
现全线各相关分装置动作联系 、互锁。
还可配置与 PLC相连的工业计算机 ，直观的对
全线运行实施屏幕监控 ，故 障显示 、报警 ，运行参数
调整，进行相应生产统计管理等。下图为年产 5000t
箱体类铸件的消失模黑区铸造线布置示例。
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