1 绪 论
1.1 课题来源、目的和意义
作为工程机械行业的基础工艺，铸造业在国民经济中占有重要的地位。在许多机械中，铸件占整机重量的比例很高，如内燃机达 80%，拖拉机达 65%~80%，液压件、泵类机械达 50%~60%。冶金、矿山、电站等重大关键设备和国民经济的基础设施也需要大量铸件。自 2000 年以来，我国的铸件年产量一直位居全球首位，在世界经济衰退的大环境下，依旧保持较好的发展趋势，预计 2010 我国铸件产量将以 2.5%的速度增加。传统砂型铸造工艺是目前铸造生产的主要工艺，它有着悠久的历史，具有使用范围广、成本低廉等优点，在钢、铁、有色合金铸造都能看到其身影。但是传统砂型铸造也有不足之处，它必须借助铸模(木材或金属制成)，才能将型砂制成所需形状的铸型，铸模在浇注前必须从铸型中取出。因此，传统工艺具有工序多、劳动强度大、生产周期长、铸件精度不理想，对于一些异形铸件，其缺点尤为明显。因为砂型铸造工艺的这些缺点，目前国内越来越多的工厂开始采用消失模工艺来制作一些复杂异形铸件。消失模铸造作为一种近无余量，精确成型的铸造工艺，近二十年得到了广泛的应用，曾被誉为“代表 21 世纪的铸造新技术”。由于采用消失模工艺无需分型和下芯，因此最大限度地降低了铸件形状复杂带来的生产难度，铸件的尺寸精度也有所提高，大规模生产时成本较砂型铸造也略有降低。
虽然消失模工艺的优点在内腔结构复杂的异形铸件的铸造过程中得到了充分的体现，但是，工艺的局限性导致在实际生产中也存在一些技术问题需要解决，其中最关键的是高质量泡沫模样的获取问题。消失模泡沫模样的质量主要包括内在质量(泡沫密度、珠粒融合情况)和外观质量(尺寸精度和表面光洁度)等。高质量的消失模模具、完好的预发成型设备和合适配套的消失模发泡成型工艺是获得高质量泡沫模样的基础。本文主要针对消失模模样生产过程中的关键装备—消失模模具开展研究，主要内容包括模具的设计、模具抽芯气缸的选择和模具表面处理等。这对于提高消失模模具设计效率和质量，减少因缸径选择和模具结构不合理而引起的模具变形，提高泡沫模样表面质量具有较高的理论价值和实际意义
1.2 消失模工艺及其在国内外的发展状况
1.2.1 消失模工艺简介
随着社会的发展和进步，铸造行业面临着人们对环保、节能更高的要求。消失模铸造因其在在环保上的优势而备受关注。消失模铸造(又称负压实型铸造)是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模型粘结组合成模型簇，刷涂专用涂料并烘干后，埋在干砂中震动造型，在常压或负压下浇注，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的铸造方法。其中，泡沫模样的制备过程称为“白区”工艺，模样填砂浇注等过程称为“黑区”工艺，消失模工艺产生的废品 80%是因为白区工艺的原因造成的。
（1）铸件精度高。该工艺无需取模、无分型面、无砂芯，因而铸件没有飞边、毛刺，并减少了由于型芯组合而造成的尺寸误差。铸件表面粗糙度可达 Ra3.2 至12.5μm；铸件的脱模斜度很小(0.5°~1°)或者为 0；铸件的尺寸精度高，可达 IT7~9，比传统砂型铸造提高 1~2 个级别；铸件尺寸公差小，加工余量一般为 1.5~3mm，可减少 20%~50%的机加工时间和机加工费用。
（2）增大了零件的设计自由度。消失模铸造没有分型和必须取模的铸造工艺，减少了铸造工艺性要求。泡沫模样不需要芯子，可使铸出复杂内腔，甚至多内腔的铸件，铸件壁也可以是曲面或变截面的，尤其适用于铸造复杂缸体缸盖零件。
（3）生产制造成本低，设备投资小。一般来说，采用 LFC 法铸件成本可下降20%~30%，且技术容易掌握，工人劳动强度降低；设备投资可下降 30%~50%，生产柔性好，可在一条生产线上实现不同合金，不同铸件的流水线生产。
与其它铸造工艺一样，消失模铸造也存在一些缺点和局限性。其一就是对铸件的批量要求大，因为消失模模具的成本比较高，小批量生产将提升单件产品价格；其二就是对铸件材质有要求，因浇注时聚苯乙烯的热解产物处于流动金属液的前端，可能会使铸件表面增碳，所以目前消失模铸造一般不用于生产对碳含量敏感的金属铸件。其适用性好与差的顺序大致是：灰铸铁>非铁合金>普通碳素钢>球墨铸铁>低碳钢和合金钢。
2 基于 Moldwizard 的消失模模具
CAD消失模发泡模具是消失模铸造工艺的基础装备，是获得高质量消失模铸件的基础。如何提高模具制造效率，减少设计错误，一直是困扰消失模模具制作厂家的难题之一。本章将结合某款缸体模具，探讨基于 UG/Moldwizard 的消失模模具设计方法和思路。
2.1 UG/ Moldwizard 简介
UG(Unigraphics NX)是一个交互式的 CAD/CAE/CAM 软件系统，针对用户的虚拟产品设计和工艺设计需求，提供经实践验证的解决方案。它包括 Modeling、Manufacturing、Drafting、Simulation 等多个基础 3C 模块，也包括以知识驱动为导向的 Moldwizard、Progressive Die Wizard、Ship Design、PCB Exchange 等专业产品设计模块。在整合了 SolidEdge、Imageware、Postbuilder、Nastran，Teamcenter 等软件平台后，UG 在行业软件领域达到了一个完备且强大的层面。Moldwizard 是 UG 中用于塑胶模具及其它类型模具设计的模块，其主要功能如图 2-1 所示。它利用 UG/WAVE 和主模型法建模，提供创建型芯、型腔、滑块、模架、标准件等工具，并实现模具设计过程中部件间的全相关。
3 模具发泡压力检测实验................... 32-43
3.1 模具发泡成形工艺流程................... 32-33
3.2 发泡压力检测实验 ...................33-40
3.3 抽芯气缸选径................... 40-42
3.5 本章小结................... 42-43
4 模具结构静力分析 ...................43-53
4.1 UG 高级仿真简介................... 43-44
4.2 消失模模具静力有限元分析................... 44-49
4.3 模具结构强化工艺改进................... 49-52
4.4 本章小结................... 52-53
5 消失模模具表面处理工艺优化................... 53-63
5.1 实验材料及设备................... 53-55
5.2 实验内容及结果分析................... 55-59
5.3 特氟隆涂层外观检测及结果分析................... 59-60
5.4 特氟隆涂层结合强度检测试验...................60-62
5.5 本章小结................... 62-63
结论
主要结论如下：
1)在 Moldwizard 装配建模环境中进行消失模模具设计，可以利用其强大分模功能，快速寻找零件分模线，提高设计效率，将模具结构分配到不同部件并相互关联地的设计方式，能方便地实现部件间的同步修改，减少错误发生。
2)通过测试不同工艺参数时珠粒发泡压强的变化，发现模样密度和珠粒发泡剂的挥发程度能显著影响压强大小，而模样壁厚对此影响不大。熟化后密封良好的珠粒在发泡密度为 20Kg/m3的模样时，其膨胀压强为 190KPa 左右。利用所测压强数据和气缸缸径—推力参数表，可以方便的查找合适的气缸，为气缸缸径大小选择提供依据。
3)对气缸体模具模腔在发泡时的受力情况进行有限元数值模拟，表明模腔中部最易发生变形，模腔与四周模板交接处易产生应力集中，通过在模具气室安装支撑杆加以强化，使模腔变形量显著减小，应力集中部位移动到支撑杆表面，简便而有效的增加了模具强度。
4)通过对模具表面进行喷砂处理研究和对涂层结合强度及耐磨性的检测，发现经喷砂处理后的模腔，涂层与基体的结合强度很高，在满足模具表面粗糙度要求的情况下，较大的粗糙度能增加涂层的耐磨性。
优化后的消失模模具特氟隆表面处理工艺为：基体前处理(磨光、抛光、除油、除锈)→喷砂处理(60 目玻璃珠，喷砂压力为 0. 4MPa)→置于烘箱加热(200℃保温1h)→冷却到 100℃第一次喷涂特氟隆(280℃保温 2h)→冷却到 100℃第二次喷涂特氟隆(380℃保温 2h)→随炉冷却。通过此工艺得到的模具表面涂层，结合强度高，耐磨性好，表面光滑。
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