張猛持(廈門理工學(xué)院現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心,福建廈門 361024)

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砂型鑄造的石蠟澆注研究

張猛持
(廈門理工學(xué)院現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心,福建廈門 361024)

【摘 要】鑄造是現(xiàn)代制造工業(yè)的基礎(chǔ)工藝之一,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著重要位置。鑄造教學(xué)內(nèi)容涉及廣泛,實(shí)踐性強(qiáng),但由于課時(shí)有限,師生比率不足,澆注溫度較高具有一定的危險(xiǎn)性,金屬澆注沒(méi)能得到很好的開展。為了提高實(shí)習(xí)效果,對(duì)非機(jī)械類專業(yè)的鑄造實(shí)習(xí)進(jìn)行改革,引入鑄蠟件實(shí)踐環(huán)節(jié),以帶動(dòng)教學(xué)方法的改革與創(chuàng)新。

【關(guān)鍵詞】砂型鑄造 石蠟澆注 非機(jī)械類專業(yè) 實(shí)踐教學(xué)改革

【Abstract】Casting is one of the basic processes in the modern manufacturing industry,and It occupies an important position in the national economy.Casting Teaching involves a lot of content and It's very practical.But due to the limited time,the Insufficient proportion of teachers and students,and the danger of high temperature ,metal casting has not been carried out well.In order to improve the effect of practice, we try to Introduce a link of Paraffin casting to make a reform of the casting practice for non mechanical majors,and drive the reform and innovation of teaching method.

【Key words】Sand casting;Paraffin casting;Non mechanical major;Practical teaching reform

1 傳統(tǒng)鑄造教學(xué)存在的問(wèn)題

圖1 石蠟澆注的手輪模型

圖2 學(xué)生創(chuàng)意作品

表1 混合模料配比表

鑄造實(shí)習(xí)由于是傳統(tǒng)項(xiàng)目，學(xué)生不像對(duì)3D打印、線切割、激光加工等先進(jìn)制造技術(shù)有興趣、有激情，尤其是非機(jī)械類的學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)難于理解，達(dá)不到預(yù)期的實(shí)習(xí)訓(xùn)練的效果。傳統(tǒng)的鑄造教學(xué)主要存在以下三個(gè)問(wèn)題：①實(shí)習(xí)時(shí)間太短，根據(jù)我校課程安排，鑄造實(shí)習(xí)僅有4個(gè)學(xué)時(shí)(180分鐘)，課時(shí)的縮短導(dǎo)致學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)只能完成造型，而熔煉金屬材料需要較長(zhǎng)的時(shí)間，沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行澆注。②師生比例不平衡，鑄造實(shí)習(xí)每次接待的學(xué)生在30人左右而只有1名教師，熔煉金屬材料溫度高，學(xué)生人數(shù)多好奇心大，教師較少顧及不暇，存在較大安全隱患。③金屬澆注沒(méi)能很好地得到開展，如果不對(duì)學(xué)生的作品進(jìn)行澆注，學(xué)生對(duì)砂型鑄造的后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程就沒(méi)有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，這包括熔煉設(shè)備的工作原理和操作方法、材料熔煉要具備的條件、澆注前材料液體的狀態(tài)、鑄件的成型過(guò)程、鑄件的清理與后續(xù)處理以及鑄件產(chǎn)生的缺陷等，很容易讓學(xué)生失去實(shí)習(xí)的興趣及實(shí)習(xí)的成就感。為此，我們?cè)阼T造實(shí)習(xí)中特別引入石蠟?zāi)M澆注替代傳統(tǒng)的金屬澆注。

2 石蠟澆注的工藝設(shè)計(jì)

2.1 石蠟澆注的可行性

石蠟雖然是非晶體，但具有明顯的晶體結(jié)構(gòu)，有近似于鋼液的結(jié)晶行為：①石蠟中心有落雨?duì)罹w；②石蠟有樹狀體；③石蠟在液體時(shí)與固體時(shí)有較大比重差(固態(tài)比重為1.15；液態(tài)比重為0.92)；④石蠟廣泛應(yīng)用于熔模鑄造具有較好的成型性。根據(jù)以上理由，采用石蠟用于砂型鑄造的模擬澆注，將熔化的石蠟溶液澆注到型腔中，得到質(zhì)量穩(wěn)定的鑄蠟件的可行性較高。

2.2 石蠟澆注對(duì)蠟料的要求

為了保證鑄蠟件的質(zhì)量，便于工藝操作，所使用的石蠟應(yīng)滿足以下要求：①安全無(wú)毒、對(duì)人體無(wú)害、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，可重復(fù)利用；②熔點(diǎn)合適，易于熔煉，便于學(xué)生自主澆注，溫度控制在100℃以內(nèi)；③具有一定的強(qiáng)度和硬度，而且不脆、不裂、不軟化，強(qiáng)度以抗彎強(qiáng)度表示，最好為5.0～8.0MPA，硬度以針入度表示，在4～6度；④收縮率要小，線收縮和體收縮應(yīng)小于1.0%；⑤雜質(zhì)少，不粘附。基于以上幾種考量，經(jīng)篩選熔點(diǎn)在58～60℃之間的58#全精煉顆粒狀白石蠟基本滿足澆注對(duì)蠟料的要求。

2.3 石蠟的熔化

石蠟是從石油、頁(yè)巖油或其他瀝青礦物油的某些餾出物中提取出來(lái)的一種烴類混合物，直接加熱熔化可能產(chǎn)生刺鼻的異味，使人體感到不舒服，且加熱溫度不易控制。由于選用的石蠟熔點(diǎn)在58～60℃之間，溫度較低，可利用數(shù)顯恒溫水浴鍋進(jìn)行水浴間接加熱，加熱范圍為室溫至99.9℃，操作安全簡(jiǎn)便，溫度可控可保溫?？紤]到選用石蠟的熔點(diǎn)兼顧模料的流動(dòng)性和避免粘附，將模料加熱溫度設(shè)置為65～70℃。

2.4 用單純石蠟溶液澆注存在的問(wèn)題

雖然石蠟具有一定的強(qiáng)度和可塑性，也不易產(chǎn)生裂紋，但在室溫30℃以上時(shí)容易發(fā)生軟化變形；如果加熱溫度過(guò)低，澆注時(shí)流動(dòng)性差，易產(chǎn)生澆不足等缺陷；在過(guò)高加熱溫度下易發(fā)生粘砂和滲漏，使?jié)沧⑹?；在熔融狀態(tài)下易起泡；在冷卻過(guò)程中石蠟收縮，鑄件表面容易形成縮坑，厚大部分易產(chǎn)生大面積凹陷。所以使用單純石蠟溶液進(jìn)行澆注得到的鑄件往往鑄造缺陷較大。

2.5 石蠟澆注模料的改性

為了得到質(zhì)量更好的鑄蠟件，在石蠟溶液中加入一些添加劑，以改進(jìn)石蠟的澆注性能：①硬脂酸(C18H36O2)：添加硬脂酸有利于提高石蠟強(qiáng)度，在0～10%時(shí)，石蠟的強(qiáng)度迅速增長(zhǎng)，石蠟的均勻性得到明顯改善，從而減少或避免材料缺陷，同時(shí)能提高模料的流動(dòng)性；如果硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)大則體系熔點(diǎn)呈下降趨勢(shì)，且易與砂型中的堿、鹽等雜物產(chǎn)生皂化物，使模料流動(dòng)性降低，韌性變差等。②松香：松香加入石蠟溶液中能提高模料的熔點(diǎn)，軟化點(diǎn)，增加強(qiáng)度，但使用量不能過(guò)大，否則會(huì)發(fā)生裂紋，一般用量應(yīng)控制在1～10%之間。③油溶性染料：模料中添加各種顏色的油溶性染料，經(jīng)著色處理后的鑄蠟件色彩繽紛，吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。較理想的混合模料配比如表1所示。

3 石蠟澆注的教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 課程引入(30分鐘)

首先利用多媒體視頻播放3～5分鐘明朝時(shí)期的嘉靖通寶或永樂(lè)大鐘的鑄造生產(chǎn)過(guò)程引入課題，凝聚學(xué)生的注意力，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，在觀看中了解鑄造的定義、加工特點(diǎn)、操作步驟等。第二部分播放造砂方法的動(dòng)畫，包括整模造型、分模造型、挖砂造型、活塊造型、三箱造型、刮板造型、假箱造型等七種典型鑄件的造型方法，將抽象的理論介紹化為生動(dòng)形象、易于理解的動(dòng)畫，每個(gè)動(dòng)畫僅為1～2分鐘，使同學(xué)們?cè)跇O短的時(shí)間內(nèi)掌握每種造型方法的特點(diǎn)、適用范圍和操作要領(lǐng)。最后進(jìn)行安全教育，提醒學(xué)生可能發(fā)生的危險(xiǎn)和預(yù)防措施，強(qiáng)調(diào)課堂紀(jì)律。

3.2 分組操作(100分鐘)

將30名學(xué)生分成10組，每3名同學(xué)1組，并自主產(chǎn)生1名組長(zhǎng)協(xié)調(diào)分工。教師介紹鑄造工具的名稱，演示使用方法，分配實(shí)訓(xùn)任務(wù)。每組同學(xué)自主研究和總結(jié)拿到的模型的形狀特點(diǎn)，找出分型面，通過(guò)討論確定具體使用的造型方法和合適的澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與位置，并選用正確的工具獨(dú)立造出砂型，教師巡回指導(dǎo)，給予適當(dāng)建議，糾正學(xué)生錯(cuò)誤，并啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分工協(xié)作的能力，以學(xué)生為主，代替?zhèn)鹘y(tǒng)教學(xué)中，教師示范學(xué)生機(jī)械模仿的教學(xué)模式，有效提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

3.3 引入石蠟澆注環(huán)節(jié)(25分鐘)

相比金屬液體，石蠟溶液的溫度較低，對(duì)于初學(xué)的非機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生而言，操作簡(jiǎn)單安全性高，學(xué)生可自主完成石蠟澆注。由于任務(wù)驅(qū)動(dòng)，同學(xué)們?yōu)榱说玫捷^好的作品，造型過(guò)程更加細(xì)致、認(rèn)真；通過(guò)石蠟澆注過(guò)程的練習(xí)，學(xué)生可以了解澆注的溫度、速度對(duì)鑄件質(zhì)量的影響，同時(shí)對(duì)比清理出的鑄件，討論影響鑄件質(zhì)量的因素及鑄造缺陷產(chǎn)生的原因，加深學(xué)習(xí)理解。一方面在教學(xué)的內(nèi)容上更加豐富，另一方面學(xué)生非常在意自己的作品結(jié)果如何，提升實(shí)習(xí)的成就感。圖1所示為石蠟澆注的手輪模型。

3.4 增設(shè)創(chuàng)意環(huán)節(jié)(25分鐘)

在鑄造教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，非機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生思維很活躍，如果安排練習(xí)特定的模型，有些學(xué)生不感興趣，針對(duì)這一情況，我們?cè)阼T造實(shí)習(xí)中除了完成統(tǒng)一的模型的造型任務(wù)之外，也鼓勵(lì)同學(xué)們自己尋找適合鑄造的東西，獨(dú)立確定分型面、設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)、選用合適的造型方法、完成造型和澆注等工藝過(guò)程，加深同學(xué)們對(duì)鑄造工藝的理解。從實(shí)習(xí)教學(xué)反饋信息來(lái)看，鑄造實(shí)習(xí)已收到較好的教學(xué)效果。圖2所示為同學(xué)們的創(chuàng)意作品。

4 結(jié)語(yǔ)

非機(jī)械類專業(yè)鑄造實(shí)習(xí)屬于傳統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，教學(xué)改革之前的教學(xué)模式為傳統(tǒng)的教師示范學(xué)生機(jī)械模仿模式，且由于課時(shí)有限，師生比例不平衡，金屬澆注得不到較好的開展，學(xué)生實(shí)習(xí)的積極性不高，覺(jué)得鑄造的實(shí)習(xí)過(guò)程就是“玩泥沙”，實(shí)習(xí)效果不好。改革后，將學(xué)生實(shí)習(xí)的過(guò)程劃分為幾個(gè)清晰的步驟，充分利用有限的時(shí)間，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，引入石蠟澆注，由于石蠟熔點(diǎn)低，熔煉方便，澆注安全，凝固迅速，學(xué)生可自主操作，石蠟澆注的引入不僅很好地解決了傳統(tǒng)鑄造教學(xué)存在的問(wèn)題，并使學(xué)生完整正確地模擬了鑄造的全過(guò)程，對(duì)鑄造技術(shù)工藝的知識(shí)有更進(jìn)一步的理解。

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基金項(xiàng)目:鑄造教學(xué)中的石蠟澆注研究(2014廈門理工學(xué)院教育教學(xué)改革與建設(shè)項(xiàng)目,JGGX201401)

作者簡(jiǎn)介:張猛持(1989—),男,福建廈門人,單位:廈門理工學(xué)院,現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心,職稱:助理實(shí)驗(yàn)師,研究方向:材料成型及控制工程。