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刘世荣:V法铸造技术对提升钢琴品质的重要作用 170724

2017-09-04

历届年会论文选2012

V法铸造技术对提升钢琴品质的重要作用

/ 刘世荣

 

真空铸造技术是一种物理造型法。随着现代社会科技高速发展,工业化程度的提高,对真空环境的迫切需求,使得真空铸造技术被广泛应用在各个领域。进入20世纪末期,铸造行业相继发展出各种以真空铸造技术为基础,提高铸件品质与生产效率的工作方法,并逐渐形成规模。尤其在航空领域,通过使用计算机技术进行辅助模拟,能够预测铸造缺陷的产生,很大限度的节约了工作时间,降低了生产成本,提高了铸件的生产效率。

真空铸造技术[ V法造型,来源于英文Vacuum(真空)一词 ],即真空密封造型铸造法或负压造型法/减压造型法。它利用塑料薄膜封闭型腔抽真空使干砂成型,是目前较先进又非常具有发展前途的铸造技术。因其法得到的铸件尺寸稳定性好、受力后变形小,又因其允许公差程度得到了保证,为钢琴的音准稳定,钢琴品质的提升,打下了坚实的基础,所以也被应用于钢琴领域。日本是最早把这门技术应用到一些品牌钢琴上的国家。目前,在中国的钢琴制造产业中,也已将真空铸造技术开发应用于钢琴铸铁板的生产中,并已初步形成铸铁板的产品质量保证体系。

 

一、真空铸造铸铁板的基本工艺流程

1、真空铸造铸铁板的工艺与普通砂铸不同,它是由上箱模和下箱模两个独立的模板组成,上、下箱模型的周边根部分布有直径1毫米的气孔,以便抽真空之用。

2、用加热后的EVA铸造专用薄膜覆盖在模板上,当箱模底部抽真空,此时的薄膜就全部紧贴在模板上,完全呈现模样的形状。随后喷上耐高温的V法专用铸造涂料,并用热风烘干。

3、模板上放置空的砂箱,将其充满型砂(石英砂、锆砂或橄榄砂等干净、无水分、颗粒合乎要求的干砂)后,再覆盖上较薄的农膜即可(不需加热仅为隔绝空气用)。此时,砂箱接上真空管抽真空,在模板上拔掉真空管,EVA薄膜就紧贴在砂箱的分型面上。

4、将制作好的上下两个箱扣在一块,上箱留出浇注口和排气口,当铁水浇入后,大约十分钟,断掉真空负压,铸件在砂型里保温1小时左右。再吊起两砂箱,砂子全部散落,就会呈现出铸铁板。

5、型砂通过砂筛过滤,去除杂质和粉尘,流入冷却筒冷却,进入砂库,再重复使用。铸铁板去掉飞边毛刺摆好,时效静置,等到要使用前再进行对铸铁板的喷砂处理(用机械喷头喷出小的钢砂,反复击打铸铁板表面清理杂质,使得铸铁板表面平整、光洁)。

 

二、真空铸造铸铁板的工艺特点

真空铸造铸铁板的不足之处,相对传统湿砂铸造而言,制造的成本较高,但这部分成本的提高可以在产品的附加值中去抵消。因此与传统湿砂铸造工艺相比,真空铸造铸铁板的优点还是很多的,总结如下:

1、真空铸铁板的尺寸精度高、表面光洁、轮廓清晰。型腔内表面覆有塑料薄膜,用较细干砂,使铸型硬度高且均匀,铸型面光滑无瑕疵。砂箱起模容易,型腔不易变形。浇注时,由于砂箱保持真空状态,有利于金属液充填型腔。

2、真空铸铁板加工余量小,利用率高,省去湿砂、树脂砂工艺所用粘合剂等附加物及混砂设备。由于金属液在型腔中冷却速度较慢,金属流动性较好,充填能力强,有利于金属液的补缩,提高金属的利用率;铸型硬度高、冷却慢,利用补缩来减少冒口的尺寸,减少了加工余量。

3.模具及砂箱使用寿命长。在真空铸造过程中,模样的磨损很小,即使木模型也可使用较长的时间,铝模型、铸铁模型更好。真空砂箱大多采用侧面和管式结合的抽气砂箱,有高度也有厚度,坚固耐用。

4、各种运行维修费用减少,节约投资。除需要添置真空泵和采用专用的砂箱外,其他设备较为简单。由于真空铸造使用干砂,落砂容易,可以省去落砂机、混砂机及一些辅助设备,投资费用少,设备维修方便;节约原材料和劳动力,砂子的回收再利用率高。

5、工装的使用寿命有效延长。因真空模板有塑料薄膜保护,拔模力很小,只有微震且不受高温高压作用,所以模样不易变形和损坏。

 

三、传统铸造技术简介

(一)传统铸造工艺流程

传统湿砂铸造工艺(也称为“翻砂”),首先要做一个模型,在砂箱里造型,此时的砂子是湿的,先造型一半(分为上箱和下箱),用气锤或砂冲子击打型砂,形成一半,再将模型提起翻转在下箱中再造型,形成另一半。定位之后,再将砂箱吊起,取出模样,按照定位位置固定上下箱,留出浇注口和排气孔,卡紧紧固装置。当铁水溶化后将其浇入型腔后,就基本完成了。此时的砂箱要保持不动,等到第二天,铸件退温后,再将上下砂箱吊起,取出工件,去掉飞边毛刺,铸件完成了,等待时效静置。

 

(二)钢琴铸铁板对铸造的要求

立式钢琴的琴弦总拉力能达到15吨多,最大的九尺三角钢琴的琴弦总拉力能达到26吨。如此大的拉力绝大部分是由铸铁板承受的,因此铸铁板是否有足够的抗拉、抗压、抗弯强度,是钢琴装配各组件稳定的基本条件。

对模型的要求是铸造中的重要环节,铸铁板的形状、尺寸设计非常重要。在制作时需注意各连接的断面之间厚薄尺寸相差不能过大,筋杆与甲板的连接需要逐渐过渡,拐角处应采用圆角过渡。这样可在琴弦拉力增加过程中,减少产生变形或避免断裂的可能性。为了使模型易于出模,模型要有一定的拔模斜度,这样不至于损坏砂型。浇铸的铸铁板,材质应按GB9439-88中关于抗拉强度的要求来浇铸成试棒,进行测试,合格后才能进行正式使用。

传统的钢琴铸铁板铸造材料为灰铸铁HT150。铸铁板制作时,甲板处比筋杆处容易冷却。铸铁板在浇铸时必须预留排气冒口排除存在于型腔中的气体。铸铁板中一旦有气泡出现就形成空穴冷隔,就有可能产生断裂,避免的方法就是提高铁水的温度,型腔排气畅通。铸铁板因浇铸时的冷却过程不均匀,会产生铸造应力,当铸造应力大于铸铁板的抗拉强度时,就会产生裂缝或断裂。可能产生收缩裂缝现象的原因,如材质太低、浇注系统不合适、砂模太硬、过于潮湿或者出模过早等。

砂模上的浇口对浇注铸铁板也很关键。浇口应使铁水在不受阻的情况下顺利的流入并充满砂模。而不良的浇铸口可能使铁板产生内应力,在挂弦拉紧时,铸铁板在强大的张力作用下产生变形而断裂。

 

(三)传统铸造工艺存在的问题

1、变形问题

传统湿砂造型工艺,由于砂型硬度较低,模板变形不稳定,造成浇注的铸铁板也随之变形。要求铸铁板变形量较小,如何解决预弯应力的变化,是一个很重要的问题。

铸铁板的变形将直接影响到装配的尺寸要求,如码桥的高度、击弦点位置等等,如果勉强调整尺寸装配起来,在后续的调试过程中还会出现击弦机的定位尺寸问题等。所以要保证铸铁板的安装尺寸,铸造的过程很重要。在铸造现场要做许多次的实验,要经常检查校对模型和铁板,避免弯曲变形。

要铸造出好的铸铁板,不但应具有充分的理论依据,而且要有丰富的实践经验。

2、表面光洁度问题

传统湿砂铸造工艺的特点,砂子粗糙、水分大,紧实度不均匀等,使得铸件出现表面粗糙等缺陷,不能实现精密铸造的精美造型要求。表面光洁、平整度的问题在后期的加工中会花费较多的时间和用材。如:需用角向砂轮机打掉多余的部分,用腻子修补凹陷的部分,再用底漆补平表面,砂平等等,需要较大的工作量,既影响生产的进度,也增加制造成本。

在许多的钢琴制造企业中都会经常遇到这些问题,这时就要及时对模型做调整、修补等等。

3、铸件的强度问题

传统的砂铸通常用冲天炉(主要用焦炭)来熔炼铁水,制造成本低,虽然同样可以按照HT150的灰铸铁标准生产铸铁板,但焦炭中含有较多的杂质溶入铁水中,也会影响到铸件的密度、布氏硬度、抗拉强度、石墨长度、金相组织等等。

也有企业改用电炉来熔炼铁水,铸件材质大为改善,但由于砂铸工艺的特点,有一部分铸件品质问题还是很难避免的。

 

四、真空铸造技术在国产钢琴中的应用

在国内,真空铸造技术已经过多年的实践,在钢琴制造中的应用已日趋成熟。它突破了传统的砂铸工艺局限,使得钢琴铸铁板有许多的创新之处,建立了国产钢琴的创新理念,有力地推动了国产钢琴的技术进步。举例如下:

1、真空铸造浮雕式编码技术

在钢琴上可以看到每一片铸铁板都铸造有一个出厂编码号,清晰工整,一片一号不重复。它已成为品质跟踪卡上的必备数字,可以作为产品质量跟踪的一个编号,也可以作为钢琴的防伪标识(无法涂改)。

这一技术也应用在钢琴铁板商标牌的铸造上,而且应用广泛。

另外,在铸铁板上铸出精美的浮雕式图案栩栩如生,是目前国内钢琴不多见的。

2、真空铸造镶嵌式弦枕

利用真空铸造技术,研发了镶嵌式弦枕、高音区双泛音装置、V型压弦条等三项专利技术。

镶嵌式弦枕是在铸铁板上铸出一个凹槽,再镶嵌一根直径仅为2.5毫米的不锈钢作为弦枕,这样一旦钢琴用久了,弦枕磨损了就可以换一根,钢琴的基本尺寸还可以保持不变的。不锈钢条作为弦枕可以保证弦枕与琴弦交点的一致性。从铸出的凹槽来看,必须是很精确的,如果凹槽铸出现变形或者高低不平,那么,弦枕的安装就会出现问题,甚至整个铸铁板都报废的。通过采用不锈钢线镶嵌在铸件弦枕槽内,实现弦枕面的R度统一,保持与各弦之间的接触点一致,不会因弦枕锈蚀而产生误差。弦枕槽也可以用数控机床加工出来,精度会更高,装配尺寸更精确。因此,这项技术在工艺上的保证很重要,用普通的砂铸工艺是完全无法实现的。

真空铸造技术使得传统的钢琴制造得到一种创新,在高音处改善了音色,保证了音质。

 

五、结语

真空铸造技术不是新的铸造工艺,它在许多的铸件中都有采用的,尤其是工业化水平先进的一些机床类的铸造,应用的较多。国外也有把这一技术应用到钢琴铁板的铸造上,尤其是日本、韩国在这方面走在了前面,而且效果明显。为使国产的钢琴与世界其他先进国家的钢琴水平相抗衡,我们也将其开发应用于制造钢琴的铸铁板中,提升我们自己的产品品质。

由于真空铸造技术具有能够适应生产形状较为复杂、厚度变化较大、铸件无缩孔及无缩松现象等工艺要求,它不使用粘结剂,落砂简便,使造型材料的耗量降到最低,减少了费砂,改善了劳动条件,提高了铸件表面质量和尺寸精度,降低了铸件的生产能耗。因此,在中国的钢琴骨架制造产业中,一定会成为很有发展前途的先进的铸造工艺。