一.熔模鑄件尺寸穩(wěn)定性
1.蠟?zāi)３叽绶�(wěn)定性及其影響因素
圖 1是美國賓夕法尼亞大學(xué)Robert C. Voigt教授對(duì)29種精鑄件跟蹤測量后所得結(jié)果[1]。可見在多數(shù)情況下蠟?zāi)３叽绮▌?dòng)大時(shí)鑄件尺寸波動(dòng)也大，例外情況是少數(shù)。從總體看蠟?zāi)５某叽绮▌?dòng)在鑄件尺寸波動(dòng)中占 10％～70％。
制模工藝參數(shù)對(duì)蠟?zāi)３叽绶�(wěn)定性有決定性的影響。主要因素如下:
（1）壓蠟溫度
壓蠟溫度的影響，不同模料有不同的表現(xiàn)(見圖2)[2]。由圖2可見，采用蠟基模料時(shí)，壓蠟溫度對(duì)蠟?zāi)３叽绶�(wěn)定性的影響很敏感，而樹脂基模料則影響較小。
（2）壓注壓力(見圖 3) [2]
由圖 3 可見，壓力較小時(shí)壓力增大蠟?zāi)Ｊ湛s率明顯減小。然而壓力增大到一定程度后(≥1.6MPa)，壓力大小對(duì)蠟?zāi)３叽鐜缀鯖]有影響。難怪國外試驗(yàn)結(jié)果往往得出“壓力大小與蠟?zāi)３叽鐭o關(guān)”的結(jié)論，而國內(nèi)許多企業(yè)的印象卻不盡然。
（3）流動(dòng)速度
可以通過以下二個(gè)途徑來改變模料的流動(dòng)速度，對(duì)蠟?zāi)３叽绲挠绊憛s不盡相同：
·通過改變壓蠟機(jī)流動(dòng)速度設(shè)定 此方法對(duì)蠟?zāi)Ｊ湛s率影響較小。但對(duì)形狀復(fù)雜薄壁件或帶型芯的蠟?zāi)３湫秃捅砻尜|(zhì)量卻有著重要影響。
·通過改變注蠟口截面積 此方法影響較大，因?yàn)樵龃笞⑾灴诮孛娣e不僅可以降低壓蠟溫度，而且還可以延長注蠟口處模料的凝固時(shí)間，從而增加蠟?zāi)１粔簩?shí)的程度，減小收縮率和表面縮陷。
（4）壓注時(shí)間
這里所謂壓注時(shí)間包括充型、壓實(shí)和保持等三個(gè)時(shí)間段。充型時(shí)間指模料充滿壓型型腔的時(shí)間；壓實(shí)指充滿壓型至射蠟嘴關(guān)閉的時(shí)間；保持指從射蠟嘴關(guān)閉至起模的時(shí)間。
壓注時(shí)間對(duì)蠟?zāi)Ｊ湛s率有顯著影響(圖 4)[3]，這是因?yàn)樵黾訅鹤r(shí)間就可能有更多的模料被擠壓進(jìn)入型腔，蠟?zāi)１粔簩?shí)程度更大，從而減小收縮率。蠟?zāi)Ｖ亓侩S壓實(shí)時(shí)間延長而增加即可證明這點(diǎn)（見圖5）[3]。壓實(shí)時(shí)間長短應(yīng)合適，如果壓實(shí)時(shí)間過長，注蠟口處的模料已經(jīng)完全凝固，壓實(shí)也就不起作用了。從圖4還可見，當(dāng)壓注時(shí)間較短時(shí)（15～25s），壓蠟溫度上升，收縮率增大；但當(dāng)壓注時(shí)間延長至 25～35s（在充填時(shí)間保持恒定的前提下，實(shí)際上是延長了壓實(shí)時(shí)間）壓蠟溫度的影響變小；當(dāng)壓注時(shí)間增加到 35s以上，還會(huì)出現(xiàn)相反的情況，即隨著壓蠟溫度上升，蠟?zāi)Ｊ湛s率反而會(huì)變小（見圖 5）。此現(xiàn)象可以解釋為，提高模料溫度和延長壓實(shí)時(shí)間一樣都有增加蠟?zāi)簩?shí)程度的作用。
（5） 壓型溫度和壓蠟設(shè)備
壓型溫度高，蠟?zāi)＠鋮s慢，收縮率增大。這是因?yàn)槠鹉Ｇ跋災(zāi)＿�在壓型中，收縮受限制，而起模后則變?yōu)樽杂墒湛s。所以如果起模時(shí)蠟?zāi)囟雀邉t最終的收縮率大，反之則收縮率小。
同理，壓蠟機(jī)的冷卻系統(tǒng)對(duì)蠟?zāi)３叽缈赡墚a(chǎn)生大約0.3%的影響。
最后值得強(qiáng)調(diào)指出的是，采用蠟基模料時(shí)，蠟膏是一種固、液、氣三相共存體系。三相之間的體積比，對(duì)蠟?zāi)３叽缬绊戭H大。而這三者之間的比例關(guān)系在實(shí)際生產(chǎn)中無法控制，這也是采用蠟基模料壓制蠟?zāi)３叽绶�(wěn)定性較差的重要原因。
2. 型殼材料和制殼工藝對(duì)鑄件尺寸穩(wěn)定性的影響
型殼對(duì)鑄件尺寸的影響主要是由于型殼焙燒時(shí)的熱膨脹、熱變形(高溫蠕變)和型殼對(duì)鑄件冷卻收縮的約束(阻礙)等因素引起的。
（1) 型殼熱膨脹
主要取決于型殼材料。 不同耐火材料膨脹率不同。常用耐火材料中以熔融石英膨脹率最小，硅酸鋁次之，硅石最大且不均勻。經(jīng)試驗(yàn)確定硅酸鋁型殼從室溫加熱至 1000℃，型殼可產(chǎn)生大約0.25%的膨脹，在鑄件尺寸綜合收縮率中所占比例并不大，所以，如果采用此類耐火材料，型殼具有較好的尺寸穩(wěn)定性, 如采用熔融石英無疑會(huì)更好。但如果采用硅石，型殼尺寸波動(dòng)就很大。
（2) 熱變形(高溫蠕變)
例如以水玻璃為粘結(jié)劑的型殼，在 1000℃以上高溫蠕變程度明顯大于硅溶膠和硅酸乙酯型殼。而電熔剛玉本身雖然耐火度較高，但由于往往存在氧化鈉等雜質(zhì)，所以型殼焙燒溫度高于 1000℃也可能產(chǎn)生蠕變，致使尺寸穩(wěn)定性欠佳。
（3) 型殼對(duì)鑄件收縮的約束——型殼的退讓性和潰散性 這也主要取決于型殼材料。
綜上所述，型殼對(duì)鑄件尺寸波動(dòng)的影響, 耐火材料起主要作用，然而粘結(jié)劑的作用也不容忽視。相比之下，制殼工藝的影響較小。
3. 鑄件冷卻不均產(chǎn)生應(yīng)力對(duì)尺寸穩(wěn)定性的影響
鑄件(包括澆注系統(tǒng))各部分冷卻快慢不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力使鑄件變形，進(jìn)而影響尺寸穩(wěn)定性。這在實(shí)際生產(chǎn)中也是經(jīng)常遇到的。降低鑄件冷卻速度和改進(jìn)澆道組合方式都是行之有效的預(yù)防措施。
二. 提高準(zhǔn)確度的關(guān)鍵——模具收縮率賦值正確
以上所說的“尺寸穩(wěn)定性”跟“尺寸準(zhǔn)確度”、“精確度(精度)”是有區(qū)別的。尺寸穩(wěn)定性（即精密度）跟尺寸一致性是同義的，反映尺寸波動(dòng)或分散的程度，通常以標(biāo)準(zhǔn)差σ來衡量。尺寸不穩(wěn)定的原因主要是工藝控制不嚴(yán)，它屬于隨機(jī)誤差。準(zhǔn)確度則是指對(duì)鑄件上某個(gè)尺寸而言，眾多測量值的算術(shù)平均值偏離名義尺寸的程度, 即平均偏差的大小。對(duì)熔模鑄造來說，尺寸準(zhǔn)確度差的原因主要是壓型設(shè)計(jì)時(shí)收縮率賦值不當(dāng)，是一個(gè)系統(tǒng)誤差，通常通過反復(fù)返修模具來調(diào)整。而尺寸精確度（精度）則是上述二者的綜合。所以要提高鑄件尺寸精度，解決產(chǎn)品尺寸超差問題，不但要嚴(yán)格控制工藝過程，減小尺寸波動(dòng)，同時(shí)還要在設(shè)計(jì)壓型時(shí)對(duì)鑄件每個(gè)尺寸的收縮率正確賦值。
眾所周知精鑄件最終的總收縮率是蠟?zāi)！⒑辖鹗湛s和少量的型殼膨脹綜合而成。其中型殼膨脹約 0.25%，所起作用有限。盡管合金的線收縮率往往比蠟?zāi)４螅珘合炦^程造成的尺寸波動(dòng)卻影響更大。為了減少模具返修費(fèi)用和減小鑄件尺寸波動(dòng)，控制好蠟?zāi)Ｊ湛s率至關(guān)重要。
1. 蠟?zāi)Ｊ湛s率
測量蠟?zāi)Ｊ湛s應(yīng)在蠟?zāi)３叽缤耆�(wěn)定下來之后進(jìn)行。這是因?yàn)槠鹉：笙災(zāi)Ｊ湛s往往并未完全停止，蠟?zāi)３叽缬袝r(shí)在起模幾天后才最終穩(wěn)定下來，但多數(shù)模料的收縮是在起模后一至數(shù)小時(shí)內(nèi)基本完成。蠟?zāi)Ｊ湛s率主要有以下影響因素：
(1) 模料種類；
(2) 蠟?zāi)嗝娉叽纾?
值得強(qiáng)調(diào)指出的是蠟?zāi)嗝娉叽鐚?duì)收縮率有顯著影響(圖 6)。表 1 所示為某種典型的無填料模料在壓制不同厚度蠟?zāi)r(shí)的收縮率。蠟?zāi)５臄嗝婧穸纫话悴粦?yīng)超過13mm。厚度大于13mm時(shí)可通過使用冷蠟塊或金屬型芯來減小壁厚，從而達(dá)到減小收縮的目的，這對(duì)于無填料模料特別重要[4]。
表 1 典型無填料模料蠟?zāi)５氖湛s率 (％)
|
自由收縮 |
限制收縮 | |
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厚斷面(>13mm) |
1.00~2.00 |
0.75~1.25 |
|
正常斷面(3~13mm) |
0.50~1.00 |
0.50~0.75 |
|
薄斷面（<3mm） |
< 0.75 |
< 0.5 |
注：1. 水溶性模料收縮率約為0.25％；
2.當(dāng)使用可溶芯、陶瓷芯、石英玻璃管時(shí)，蠟?zāi)Ｉ吓c型芯接觸部分沒有線收縮；
（3） 型芯種類
蠟?zāi)?nèi)腔尺寸無疑是與型芯外形尺寸保持一致的。因此采用型芯便成為提高蠟?zāi)?nèi)腔尺寸精度的一種方法。
2. 合金收縮
合金收縮主要取決于以下一些因素：
· 鑄造合金種類和化學(xué)成分;
· 鑄件幾何形狀(包括約束狀態(tài)和斷面尺寸);
· 鑄造參數(shù)，例如澆注溫度、型殼溫度、鑄件冷卻速度等;
· 陶瓷型芯、石英玻璃管等的使用。
由于澆注溫度、型殼溫度、鑄件冷卻速度等工藝參數(shù)在生產(chǎn)過程中一般都要通過標(biāo)準(zhǔn)工藝卡嚴(yán)格加以控制，所以不同生產(chǎn)批次之間，由此引起的尺寸波動(dòng)并不大。即使?jié)沧囟瘸龉に囈?guī)程要求的范圍，鑄件尺寸波動(dòng)通常也不大（見表 2） [4]。跟蠟?zāi)Ｏ嗨疲T件斷面尺寸和型殼的約束才是影響合金收縮的主要因素。經(jīng)驗(yàn)表明，全約束尺寸收縮率為自由收縮率的 85％～89％；半約束尺寸為94％～95％。表3列出常用合金鑄件的收縮率（不含蠟?zāi)Ｊ湛s率）[4]。
表 2 CF8M 精鑄件收縮率隨澆注溫度的變化
|
試樣尺寸編號(hào) |
澆注溫度/℃ |
型殼＋鑄件的綜合收縮率 （6 個(gè)試樣平均值，％） |
|
I (實(shí)心) |
1538 |
2.1 |
|
1 (實(shí)心) |
1566 |
2.0 |
|
1 (實(shí)心) |
1593 |
2.2 |
|
1 (實(shí)心) |
1649 |
2.1 |
|
1（空心） |
1538 |
1.9 |
|
1（空心） |
1566 |
1.8 |
|
1（空心） |
1593 |
1.9 |
|
1（空心） |
1649 |
1.8 |
注：型殼溫度 982℃
表 3 鑄件收縮率（不含蠟?zāi)Ｂ剩? ％
|
合金種類 |
約束尺寸收縮 |
薄斷面尺寸 （≤9.5mm） |
厚斷面尺寸（＞9.5mm） |
|
碳鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼 |
1.50 |
1.8 |
1.90 |
|
400 系列不銹鋼 |
1.80 |
2.00 |
2.20 |
|
300 系列不銹鋼或相當(dāng)?shù)?/SPAN> 國外牌號(hào)以及鎢鉻鈷合金 |
2.0 |
2.3 |
2.6 |
|
銅合金 |
1.80 |
2.0 |
2.2 |
|
鋁合金 |
1.0 |
1.2 |
1.4 |
注：型芯周圍尺寸收縮率 0.25%~1.0%
3. 首批供測量用樣件的最少數(shù)目
以上所列收縮率是建立在以往經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并非真實(shí)的收縮率。按照這些數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)制造模具，返修在所難免。為了提高返修的準(zhǔn)確程度和成功率，減少返修次數(shù)，一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是認(rèn)真檢測數(shù)量足夠的試鑄樣件的尺寸。因?yàn)槲覀兩a(chǎn)的鑄件尺寸不可能完全一致，所以只有測量樣件數(shù)量足夠多，得出的平均值才能接近真正的算術(shù)平均值。由此不難看出，測量樣件的最少數(shù)目跟生產(chǎn)工藝控制產(chǎn)品尺寸一致性的能力(Process Capability )有直接關(guān)系，如果鑄出的鑄件尺寸完全一致，那么只需檢測一個(gè)樣件就夠了；反之，如果鑄出的鑄件尺寸波動(dòng)很大，
就要測量很多樣件才能得出較為準(zhǔn)確的收縮率數(shù)據(jù)。前已提及，生產(chǎn)工藝控制尺寸的能力可用此種工藝生產(chǎn)出鑄件尺寸的 6σ來代表。按統(tǒng)計(jì)學(xué)原理算出檢測樣件的最小數(shù)目如表 4 所列[5]。
表中 Hp 指生產(chǎn)工藝控制尺寸的能力 P6σ與相應(yīng)尺寸公差值 TC之比，即Hp=P6σ/TC。按表 4，Hp 越小，即生產(chǎn)工藝控制尺寸的能力強(qiáng)而尺寸公差要求又松，則要求首批檢測的樣件數(shù)就可以越少；反之Hp越大，則要求檢測的樣件數(shù)目就越多。例如 (Hp<0.1), 只要檢測一個(gè)樣件即可；如果Hp >0.6，則需要檢測的樣件數(shù)目至少是44個(gè)。從目前多數(shù)熔模鑄造廠的工藝技術(shù)水平看，Hp大多在0.5 以上，所以首批測量樣件一般至少需要 11個(gè)。
表 4 首批檢測樣件的最少數(shù)目
|
Hp |
測量樣件的最小數(shù)目/ 個(gè) |
|
<0.1 |
1 |
|
0.1~0.2 |
2 |
|
0.2 ~ 0.3 |
2 |
|
0.3 ~ 0.4 |
3 |
|
0.4 ~ 0.5 |
5 |
|
0.5 ~ 0.6 |
11 |
|
0.6 ~ 0.7 |
44 |
|
0.7 ~ 0.8 |
44 |
|
0.8 ~ 0.9 |
44 |
|
0.9~1.0 |
44 |
|
>1.0 |
44 |
三． 測量系統(tǒng)分析
在分析和解決產(chǎn)品尺寸問題的時(shí)候，必須注意到所采用的測量系統(tǒng)的精度和可靠性。除測量儀器設(shè)備本身必須經(jīng)常校準(zhǔn)外，盡量減少測量誤差也很重要。如果測量系統(tǒng)（包括操作人員和操作方法）誤差較大，不但可能將廢品判為合格品，也可能將許多合格品誤判為廢品，二者均可能造成重大事故或不必要的經(jīng)濟(jì)損失。判斷測量系統(tǒng)對(duì)某一特定測量任務(wù)是否適合，最簡單方法是進(jìn)行再現(xiàn)性(reproducibility) 和重復(fù)性(repeatability)鑒定試驗(yàn)。所謂重復(fù)性是指同一檢驗(yàn)員用同一儀器（或設(shè)備）和方法檢查同一零件，獲得結(jié)果的一致性。再現(xiàn)性指不同操作者使用不同儀器檢查同一零件，獲得結(jié)果的一致性。美國汽車工業(yè)活動(dòng)組( Automotive Industry Action Group)規(guī)定以重復(fù)性和再現(xiàn)性綜合標(biāo)準(zhǔn)差R&R在被測量鑄件尺寸波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差中所占百分比≤30％作為測量系統(tǒng)滿足要求的標(biāo)準(zhǔn)[5]。在測量某些尺寸較大而形狀復(fù)雜的鑄件，并非所有測量系統(tǒng)都能達(dá)到此要求。而測量模具時(shí)允許的測量誤差還應(yīng)更小，通常為其1/3。
表5中列出了美國若干精鑄廠常用的測量儀器設(shè)備的再現(xiàn)性、重復(fù)性和R&R誤差實(shí)況調(diào)查統(tǒng)計(jì)[5]。由表5 可見同類儀器,測量誤差大小之間相差甚遠(yuǎn)，說明鑄造廠中許多檢測系統(tǒng)(包括測量儀器設(shè)備、操作人員和測量方法)不符合要求。大的再現(xiàn)性誤差常常是因使用不適當(dāng)?shù)膬x器設(shè)備或操作方法不合理造成的。而重復(fù)性誤差大則往往是操作者的技術(shù)不佳所致。
表5 幾種常用測量儀器設(shè)備測量誤差比較
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儀器種類 |
再現(xiàn)性誤差 /mm |
重復(fù)性誤差 /mm |
綜合誤差 R&R /mm | ||||||
|
平均值 |
最好 |
最差 |
平均值 |
最好 |
最差 |
平均值 |
最好 |
最差 | |
|
數(shù)顯卡尺 |
0.320 |
0.046 |
1.509 |
0.159 |
< 0.005 |
0.473 |
0.382 |
0.062 |
1.509 |
|
測微千分尺 |
0.124 |
0.028 |
0.474 |
0.152 |
< 0.005 |
0.267 |
0.208 |
0.061 |
0.838 |
|
劃線機(jī) |
0.202 |
0.008 |
0.840 |
0.0203 |
0.005 |
0.0355 |
0.4572 |
0.1803 |
1.021 |
|
三坐標(biāo)測量機(jī) |
0.030 |
0.002 |
0.137 |
0.009 |
< 0.003 |
0.041 |
0.035 |
0.002 |
0.137 |
四．模具結(jié)構(gòu)和加工水平
眾所周知模具結(jié)構(gòu)和加工質(zhì)量對(duì)蠟?zāi)３叽绾蛶缀涡螤罹兄匾绊憽＠缍ㄎ弧A緊機(jī)構(gòu)是否準(zhǔn)確可靠，活動(dòng)部分(如活塊、插銷等)的配合間隙是否恰當(dāng)，起模方式是否對(duì)有利于保證鑄件尺寸精度等。無庸諱言，對(duì)于目前國內(nèi)相當(dāng)多數(shù)的精鑄廠來說，模具設(shè)計(jì)和制造水平仍急待提高。
五．結(jié)論
由上述分析不難看出，提高熔模鑄件尺寸精度是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及精鑄生產(chǎn)過程的方方面面。其中要點(diǎn)可概括如下:
1) 嚴(yán)格控制制模工藝參數(shù)，特別是對(duì)鑄件尺寸有顯著影響的參數(shù)。
2) 選擇適當(dāng)?shù)男蜌げ牧稀?
3) 以符合統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的正確方法收集、統(tǒng)計(jì)和分析有關(guān)收縮率的數(shù)據(jù)，提高收縮率賦值的準(zhǔn)確性。
4) 經(jīng)常監(jiān)察測量系統(tǒng)(包括儀器設(shè)備、檢驗(yàn)人員和技術(shù))，使重復(fù)性、再現(xiàn)性誤差達(dá)到規(guī)定要求。
5) 不斷提高模具設(shè)計(jì)和制造水平。
6) 在許多場合鑄件矯正和穩(wěn)定化熱處理等措施仍然不可或缺。
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