砂型铸造的石蜡浇注研究

【摘 要】铸造是现代制造工业的基础工艺之一，在国民经济中占据着重要位置。铸造教学内容涉及广泛，实践性强，但由于课时有限，师生比率不足，浇注温度较高具有一定的危险性，金属浇注没能得到很好的开展。为了提高实习效果，对非机械类专业的铸造实习进行改革，引入铸蜡件实践环节，以带动教学方法的改革与创新。

【关键词】砂型铸造 石蜡浇注 非机械类专业 实践教学改革

【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.

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

1 传统铸造教学存在的问题

铸造实习由于是传统项目，学生不像对3D打印、线切割、激光加工等先进制造技术有兴趣、有激情，尤其是非机械类的学生对知识点难于理解，达不到预期的实习训练的效果。传统的铸造教学主要存在以下三个问题：①实习时间太短，根据我校课程安排，铸造实习仅有4个学时（180分钟），课时的缩短导致学生在有限的时间内只能完成造型，而熔炼金属材料需要较长的时间，没有足够的时间进行浇注。②师生比例不平衡，铸造实习每次接待的学生在30人左右而只有1名教师，熔炼金属材料温度高，学生人数多好奇心大，教师较少顾及不暇，存在较大安全隐患。③金属浇注没能很好地得到开展，如果不对学生的作品进行浇注，学生对砂型铸造的后续生产过程就没有一个直观的认识，这包括熔炼设备的工作原理和操作方法、材料熔炼要具备的条件、浇注前材料液体的状态、铸件的成型过程、铸件的清理与后续处理以及铸件产生的缺陷等，很容易让学生失去实习的兴趣及实习的成就感。为此，我们在铸造实习别引入石蜡模拟浇注替代传统的金属浇注。

2 石蜡浇注的工艺设计

2.1石蜡浇注的可行性

石蜡虽然是非晶体，但具有明显的晶体结构，有近似于钢液的结晶行为：①石蜡中心有落雨状晶体；②石蜡有树状体；③石蜡在液体时与固体时有较大比重差（固态比重为1.15；液态比重为0.92）；④石蜡广泛应用于熔模铸造具有较好的成型性。根据以上理由，采用石蜡用于砂型铸造的模拟浇注，将熔化的石蜡溶液浇注到型腔中，得到质量稳定的铸蜡件的可行性较高。

2.2石蜡浇注对蜡料的要求

为了保证铸蜡件的质量，便于工艺操作，所使用的石蜡应满足以下要求：①安全无毒、对人体无害、经济环保，可重复利用；②熔点合适，易于熔炼，便于学生自主浇注，温度控制在100℃以内；③具有一定的强度和硬度，而且不脆、不裂、不软化，强度以抗弯强度表示，最好为5.0～8.0MPA，硬度以针入度表示，在4～6度；④收缩率要小，线收缩和体收缩应小于1.0%；⑤杂质少，不粘附。基于以上几种考量，经筛选熔点在58～60℃之间的58#全精炼颗粒状白石蜡基本满足浇注对蜡料的要求。

2.3石蜡的熔化

石蜡是从石油、页岩油或其他沥青矿物油的某些馏出物中提取出来的一种烃类混合物，直接加热熔化可能产生刺鼻的异味，使人体感到不舒服，且加热温度不易控制。由于选用的石蜡熔点在58～60℃之间，温度较低，可利用数显恒温水浴锅进行水浴间接加热，加热范围为室温至99.9℃，操作安全简便，温度可控可保温。考虑到选用石蜡的熔点兼顾模料的流动性和避免粘附，将模料加热温度设置为65～70℃。

2.4用单纯石蜡溶液浇注存在的问题

虽然石蜡具有一定的强度和可塑性，也不易产生裂纹，但在室温30℃以上时容易发生软化变形；如果加热温度过低，浇注时流动性差，易产生浇不足等缺陷；在过高加热温度下易发生粘砂和渗漏，使浇注失败；在熔融状态下易起泡；在冷却过程中石蜡收缩，铸件表面容易形成缩坑，厚大部分易产生大面积凹陷。所以使用单纯石蜡溶液进行浇注得到的铸件往往铸造缺陷较大。

2.5石蜡浇注模料的改性

为了得到质量更好的铸蜡件，在石蜡溶液中加入一些添加剂，以改进石蜡的浇注性能：①硬脂酸（C18H36O2）：添加硬脂酸有利于提高石蜡强度，在0～10%时，石蜡的强度迅速增长，石蜡的均匀性得到明显改善，从而减少或避免材料缺陷，同时能提高模料的流动性；如果硬脂酸质量分数过大则体系熔点呈下降趋势，且易与砂型中的碱、盐等杂物产生皂化物，使模料流动性降低，韧性变差等。②松香：松香加入石蜡溶液中能提高模料的熔点，软化点，增加强度，但使用量不能过大，否则会发生裂纹，一般用量应控制在1～10%之间。③油溶性染料：模料中添加各种颜色的油溶性染料，经着色处理后的铸蜡件色彩缤纷，吸引学生的学习兴趣。较理想的混合模料配比如表1所示。

3 石蜡浇注的教学设计

3.1课程引入（30分钟）

首先利用多媒体视频播放3～5分钟明朝时期的嘉靖通宝或永乐大钟的铸造生产过程引入课题，凝聚学生的注意力，激发他们的学习热情，在观看中了解铸造的定义、加工特点、操作步骤等。第二部分播放造砂方法的动画，包括整模造型、分模造型、挖砂造型、活块造型、三箱造型、刮板造型、假箱造型等七种典型铸件的造型方法，将抽象的理论介绍化为生动形象、易于理解的动画，每个动画仅为1～2分钟，使同学们在极短的时间内掌握每种造型方法的特点、适用范围和操作要领。最后进行安全教育，提醒学生可能发生的危险和预防措施，强调课堂纪律。

3.2分组操作（100分钟）

将30名学生分成10组，每3名同学1组，并自主产生1名组长协调分工。教师介绍铸造工具的名称，演示使用方法，分配实训任务。每组同学自主研究和总结拿到的模型的形状特点，找出分型面，通过讨论确定具体使用的造型方法和合适的浇注系统的结构与位置，并选用正确的工具独立造出砂型，教师巡回指导，给予适当建议，纠正学生错误，并启发引导学生独立解决问题，培养学生独立思考、分工协作的能力，以学生为主，代替传统教学中，教师示范学生机械模仿的教学模式，有效提升学生的实践动手能力。

3.3引入石蜡浇注环节（25分钟）

相比金属液体，石蜡溶液的温度较低，对于初学的非机械类专业的学生而言，操作简单安全性高，学生可自主完成石蜡浇注。由于任务驱动，同学们为了得到较好的作品，造型过程更加细致、认真；通过石蜡浇注过程的练习，学生可以了解浇注的温度、速度对铸件质量的影响，同时对比清理出的铸件，讨论影响铸件质量的因素及铸造缺陷产生的原因，加深学习理解。一方面在教学的内容上更加丰富，另一方面学生非常在意自己的作品结果如何，提升实习的成就感。图1所示为石蜡浇注的手轮模型。

3.4增设创意环节（25分钟）

在铸造教学中发现，非机械类专业的学生思维很活跃，如果安排练习特定的模型，有些学生不感兴趣，针对这一情况，我们在铸造实习中除了完成统一的模型的造型任务之外，也鼓励同学们自己寻找适合铸造的东西，独立确定分型面、设计浇注系统、选用合适的造型方法、完成造型和浇注等工艺过程，加深同学们对铸造工艺的理解。从实习教学反馈信息来看，铸造实习已收到较好的教学效果。图2所示为同学们的创意作品。

4 结语

非机械类专业铸造实习属于传统基础实训内容，教学改革之前的教学模式为传统的教师示范学生机械模仿模式，且由于课时有限，师生比例不平衡，金属浇注得不到较好的开展，学生实习的积极性不高，觉得铸造的实习过程就是“玩泥沙”，实习效果不好。改革后，将学生实习的过程划分为几个清晰的步骤，充分利用有限的时间，调动学生的学习动力，引入石蜡浇注，由于石蜡熔点低，熔炼方便，浇注安全，凝固迅速，学生可自主操作，石蜡浇注的引入不仅很好地解决了传统铸造教学存在的问题，并使学生完整正确地模拟了铸造的全过程，对铸造技术工艺的知识有更进一步的理解。

参考文献：

[1]卫增芬.石蜡模拟铸造的有关问题[J].河南机电高等专科学校学报，2001，9（2）：27-28.

[2]安芬菊.非机械工程类专业铸造实习教学改革探索[J].实验科学与技术，2014，12（3）：120-122.

[3]汪玲.硬脂酸对石蜡熔点及力学性能的影响[J].西南石油大学学报，2008，30（2）：112-115.

[4]冯保成.丰富铸工实习内容提高学生创新能力[J].太原理工大学学报，2004，22：108-109.

[5]舒正伟.石蜡的耐热性能及其机理研究[D].四川：成都理工大学，2010：1-45.

基金项目：铸造教学中的石蜡浇注研究（2014厦门理工学院教育教学改革与建设项目，JGGX201401）

作者简介：张猛持（1989―），男，福建厦门人，单位：厦门理工学院，现代工程训练中心，职称：助理实验师，研究方向：材料成型及控制工程。