低壓鑄造超大型高負荷船用鋁活塞工藝

-1- 1前言 1.1低壓鑄造機的發(fā)展趨勢及研究狀況 低壓鑄造最早由英國人e.f.lake于1910年提出并申請專利。其目的是解決 重力鑄造中澆注系統(tǒng)充型和補縮的矛盾。在重力鑄造中為了充型平穩(wěn)，避免氣孔、夾 渣。一般都采用底鑄式，因此鑄型內(nèi)溫度場分布不利于冒口補縮。低壓鑄造則巧妙地 利用坩堝內(nèi)氣壓，將金屬液由下而上充填鑄型，在低氣壓下保持下澆道與補縮通道合 二為一，始終維持鑄型溫度梯度與壓力梯度的一致性，從而解決了重力鑄造中充型平 穩(wěn)性與補縮的矛盾，而且使鑄件品質(zhì)大大提高。低壓鑄造由于有較高的補縮壓力和溫 度梯度，有效地提高了厚大斷面鑄件的致密性。這一技術至今仍被應用于厚大斷面鑄 件的鑄造。 鑄造是人類掌握比較早的一種金屬熱加工工藝，已有約6000年的歷史。中國約 在公元前1700～前1000年之間已進入青銅鑄件的全盛期，工藝上已達到相當高的

-1- 1前言 1.1低壓鑄造機的發(fā)展趨勢及研究狀況 低壓鑄造最早由英國人e.f.lake于1910年提出并申請專利。其目的是解決 重力鑄造中澆注系統(tǒng)充型和補縮的矛盾。在重力鑄造中為了充型平穩(wěn)，避免氣孔、夾 渣。一般都采用底鑄式，因此鑄型內(nèi)溫度場分布不利于冒口補縮。低壓鑄造則巧妙地 利用坩堝內(nèi)氣壓，將金屬液由下而上充填鑄型，在低氣壓下保持下澆道與補縮通道合 二為一，始終維持鑄型溫度梯度與壓力梯度的一致性，從而解決了重力鑄造中充型平 穩(wěn)性與補縮的矛盾，而且使鑄件品質(zhì)大大提高。低壓鑄造由于有較高的補縮壓力和溫 度梯度，有效地提高了厚大斷面鑄件的致密性。這一技術至今仍被應用于厚大斷面鑄 件的鑄造。 鑄造是人類掌握比較早的一種金屬熱加工工藝，已有約6000年的歷史。中國約 在公元前1700～前1000年之間已進入青銅鑄件的全盛期，工藝上已達到相當高的

針對航天各型號結構用大型薄壁鋁合金鑄件的結構特點和內(nèi)部質(zhì)量要求,結合低壓鑄造的工藝要求和生產(chǎn)實踐,從加工余量和鑄造斜度、澆注系統(tǒng)、冷鐵結構、排氣結構和冒口的設計等方面進行了分析和總結,特別是提出了縫隙式內(nèi)澆道上端設置暗冒口的工藝設計,有效地改進了鑄件的內(nèi)部質(zhì)量。

采用有限元模擬仿真軟件結合正交實驗方法,對鋁合金汽車座椅骨架低壓鑄造工藝進行數(shù)值模擬,研究了低壓鑄造工藝參數(shù)對鑄件縮松縮孔、充型及凝固規(guī)律的影響。模擬結果表明,當澆注溫度為720℃、充型加壓速率為920pa/s及模具預熱溫度為380℃時為最佳工藝參數(shù),鑄件縮孔孔隙率最小,且成形質(zhì)量最佳。

采用有限元模擬仿真軟件結合正交試驗方法,對鋁合金汽車座椅骨架低壓鑄造工藝進行數(shù)值模擬,研究了低壓鑄造加壓工藝參數(shù)對鑄件縮松、縮孔、充型及凝固規(guī)律的影響。結果表明,當充型時間為1.5s、增壓壓力為7kpa及保壓時間為100s時,鑄件縮孔、縮松率最小,且成形質(zhì)量最佳。

通過采用焦炭爐低壓鑄造的方法生產(chǎn)砂型銅合金鑄件的實踐——用摻鐵丸的砂子做厚壁處的面砂,以加速冷卻,用石棉密封墊把升液管與鑄型分隔開,以防升液管與鑄型凍在一起,用熱電偶測溫表的溫度變化來確定保壓延時,水平串鑄既可使中小件也能在焦炭爐低壓鑄造機上進行大批量生產(chǎn),也又大大地提高了生產(chǎn)效率。

分析了鋁合金外殼鑄件的結構特點,確定了鑄件的澆注位置,在鑄造工藝設計中采取針對性措施,使鑄件品質(zhì)大大提高.

通過改善合金充型及凝固條件,對鋁合金盤類鑄件低壓鑄造工藝方案進行優(yōu)化,消除了鑄件表面類似“折疊”缺陷,獲得了品質(zhì)優(yōu)良的鑄件。

本文作者結合工作經(jīng)驗，從鑄造工藝的重要性說起，主要探討了鋁合金箱體實際鑄造工藝方面，具有一定的借鑒意義。

鋁合金渦輪是鐵路機車上的重要配件,其零件如圖1所示。鑄件重為42kg,結構復雜,要求在0.5mpa壓力下進行水壓試驗,保壓5min不許有任何泄漏。此鑄件壁厚不均勻,薄壁處的葉片3.4mm,厚壁處70～90mm,葉片不能有冷隔、缺肉、相互串通等缺陷,增加了鑄造生產(chǎn)的難度。對這種高氣密性的要求,決定了鑄件內(nèi)部不得有任何影響氣密性的砂眼、氣孔、縮孔和縮松等鑄造缺陷。鋁合金渦輪鑄件是采用樹脂砂砂芯、金屬型低壓鑄造工藝生產(chǎn)的,以往在生產(chǎn)過程中由于工藝

低壓鑄造工藝由于具有平穩(wěn)底注充型、低壓力下結晶的特點,對于易氧化合金,能獲得高質(zhì)量、高合格率的鑄件,并能提高金屬液體利用率,因而在有

針對平均壁厚為6mm而壁厚差較大的低壓大型鑄件生產(chǎn)過程中存在的縮松缺陷進行了分析,采用改進鑄造工藝促使鑄件實現(xiàn)順序凝固,在易出現(xiàn)缺陷處采取激冷、增加冷鐵等辦法,解決了低壓鑄造大型鋁合金件高壓電器基座生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的縮松問題,提高了產(chǎn)品品質(zhì)。為大型壁厚不均鑄件的低壓鑄造生產(chǎn)提供了可借鑒的有效途徑。

采用改進鑄造工藝促使鑄件實現(xiàn)順序凝固,在易出現(xiàn)缺陷處采取噴水激冷、增加冷鐵和冷銅等措施,解決了平均壁厚為6mm、壁厚差較大的低壓鑄造高壓電器基座大型鋁合金鑄件生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的縮松問題,提高了鑄件品質(zhì),為大型壁厚不均鑄件的低壓鑄造生產(chǎn)提供了借鑒。

519法蘭殼體是大型回轉(zhuǎn)體結構的氣密性鑄件,其外形尺寸為680mm×364mm,通過低壓鑄造的生產(chǎn)實踐表明,在模具溫度為300～350℃,充型壓力為0.3mpa,充型時間為20s,保壓壓力為0.8mpa,保壓時間為120s的條件下,可生產(chǎn)出優(yōu)良鑄件,工藝出品率由砂型鑄造的50%提高到75%以上,鑄件一次氣密性檢漏合格率達98%以上。由于鑄件加工量比砂型鑄造工藝減少了5%以上,鑄件質(zhì)量由52kg降低到36kg,每件減輕了16kg,僅此項每年可節(jié)約30萬元。

低壓鑄造工藝已用于生產(chǎn)汽車發(fā)動機鋁合金缸體缸蓋。論文對國家智能制造裝備發(fā)展專項《年產(chǎn)45萬件汽車發(fā)動機鋁合金缸蓋缸體低壓鑄造數(shù)字化車間》實施的任務、車間總體布局、主要工藝方案及相關節(jié)能、環(huán)保措施進行分析總結,以供相似項目設計參考。

本文采用模塊化的思想,研究和設計了鋁合金低壓鑄造kbe(knowledge-basedengineering)系統(tǒng)的知識數(shù)據(jù)庫的結構,將其分為三個模塊:顯性知識子模塊、三維實體子模塊、規(guī)則知識子模塊。闡述了知識的表示形式。

摩托車鋁合金缸蓋的低壓鑄造

以汽車輪轂為例,運用anycasting鑄造模擬軟件開展低壓鑄造數(shù)值模擬研究。模擬結果顯示,鑄造模擬軟件能有效模擬鑄件充型和凝固產(chǎn)生的過程,并準確預測鋁合金低壓鑄造充型和凝固過程中汽車輪輻和輪轂產(chǎn)生缺陷的位置。針對凝固過程中縮松縮孔缺陷,設計了汽車輪轂風冷系統(tǒng),消除了輪轂的縮松縮孔現(xiàn)象,提高了鑄造鋁合金輪轂的質(zhì)量。

為探討低壓鑄造在鋁合金減震筒鑄造中的應用,以鋁合金摩托車減震筒為例,對低壓鑄造實施過程和鑄造結果進行分析。結果表明:低壓鑄造用于鋁合金減震筒鑄造,能夠減少減震筒鑄件的質(zhì)量缺陷,有助于提高鋁合金減震器鑄造質(zhì)量。

鋁合金缸蓋是轎車發(fā)動機的重要部件,它在發(fā)動機工作過程中始終處于高溫狀態(tài)(當燃氣在燃燒室內(nèi)爆燃時,氣體溫度瞬間高達1100℃以上),承受較大的熱沖擊并產(chǎn)生應力集中,工作條件較為惡劣。其質(zhì)量優(yōu)劣直接影響發(fā)動機的性能。

分析了薄壁殼體鑄鋁件上蓋的結構和金屬型重力鑄造工藝缺陷,采用低壓鑄造工藝,設計低壓模具,探索薄壁殼體鑄鋁件的二次頂出低壓模具設計的新方法,降低了生產(chǎn)成本和廢品率,減小了勞動強度,提高了生產(chǎn)率。

鑄旋鋁合金輪轂以其高強度、輕量化的特點逐漸成為鋁合金輪轂的一個重要發(fā)展方向。通過鑄造模擬軟件magmasoft對鑄旋的壓鑄過程進行模擬，根據(jù)模擬結果優(yōu)化模具結構和生產(chǎn)工藝，解決輪輻根部縮松問題，提高鑄造成品率，為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟效益。