低壓鑄造ZL201A鑄件缺陷分析及工藝

結(jié)合鑄件質(zhì)量問題,基于鑄造數(shù)值模擬技術(shù),分析了低壓鑄造的充型凝固過程,預(yù)測了幾種改進(jìn)工藝方案后鑄件中的缺陷分布;最終通過試制,確保了盤形殼體低壓鑄件質(zhì)量,為該件的順利生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

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

針對鑄件在低壓鑄造過程中產(chǎn)生的氣孔、縮松等情況,通過對原工藝的缺點分析,針對其缺點以及鑄件特點提出了新的設(shè)計方案,成功解決了鑄件氣孔及縮松等缺陷,生產(chǎn)出滿足使用要求的優(yōu)質(zhì)鑄件.

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(jìn)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。

主要介紹殼體鑄件運(yùn)用cad/cae計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行低壓鑄造工藝設(shè)計的過程、基于pro/e軟件的低壓鑄件三維cad模型設(shè)計和any-casting鑄造模擬軟件的cae工藝模擬。三維cad能夠使設(shè)計者比較直觀和容易地進(jìn)行鑄造工藝工裝設(shè)計,cad模擬能夠使設(shè)計者在工藝階段預(yù)測缺陷部位,從而及時改進(jìn)工藝,提高工裝模具結(jié)構(gòu)的合理性和準(zhǔn)確性。

對zl205a石膏型熔模鑄造不同澆注方法進(jìn)行了對比實驗。結(jié)果可見,低壓鑄造方法要明顯優(yōu)于真空澆注,鑄件密度、縮松缺陷、鑄態(tài)晶粒好于真空澆注,但由于低壓鑄造工序相對復(fù)雜,一般件可采用真空澆注,對于重要件或者批量較小鑄件應(yīng)優(yōu)先考慮低壓鑄造。

采用低壓鑄造法澆注了壁厚為10mm與25mm的zl114a平板件,通過測定其溫度場研究了低壓鑄造條件下鑄件的充型與凝固特點。結(jié)果表明,對于25mm平板件,凝固過程中板內(nèi)從升液管口至鑄件遠(yuǎn)端形成了較大的溫度梯度,能夠?qū)崿F(xiàn)典型的順序凝固,壓力通過升液管可始終作用于凝固補(bǔ)縮過程;對于10mm平板件,其凝固速度較快,鑄件整體傾向于同時凝固,補(bǔ)縮主要通過澆注系統(tǒng)在局部位置進(jìn)行。對于10mm與25mm平板件,40mm/s的充型速度均能實現(xiàn)平穩(wěn)充型與順序充填。

519法蘭殼體是大型回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)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(dá)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。

-1- 1前言 1.1低壓鑄造機(jī)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(shù)至今仍被應(yīng)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(jìn)入青銅鑄件的全盛期，工藝上已達(dá)到相當(dāng)高的

-1- 1前言 1.1低壓鑄造機(jī)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(shù)至今仍被應(yīng)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(jìn)入青銅鑄件的全盛期，工藝上已達(dá)到相當(dāng)高的

利用viewcast軟件對某低壓石膏型zl205a鑄件鑄造過程進(jìn)行了計算機(jī)模擬,獲得了鑄件充型、凝固過程溫度隨時間變化的分布圖,并對可能產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷的位置進(jìn)行了預(yù)測。模擬結(jié)果顯示,低壓鑄造充型過程中降溫不明顯,而熔液流經(jīng)大截面時產(chǎn)生速度降;凝固過程中,熔體自頂向下形成逐層遞增的溫度梯度,利于熔體補(bǔ)縮。模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)情況吻合較好。

采用改進(jìn)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。

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(jìn)行了分析,采用改進(jìn)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。

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(jī)上進(jìn)行大批量生產(chǎn),也又大大地提高了生產(chǎn)效率。

針對航天各型號結(jié)構(gòu)用大型薄壁鋁合金鑄件的結(jié)構(gòu)特點和內(nèi)部質(zhì)量要求,結(jié)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(jié)構(gòu)、排氣結(jié)構(gòu)和冒口的設(shè)計等方面進(jìn)行了分析和總結(jié),特別是提出了縫隙式內(nèi)澆道上端設(shè)置暗冒口的工藝設(shè)計,有效地改進(jìn)了鑄件的內(nèi)部質(zhì)量。

結(jié)合鑄件質(zhì)量要求,基于鑄造數(shù)值模擬技術(shù),分析了低壓鑄造的充型凝固過程,預(yù)測了鑄件中的缺陷分布;最終通過試制,確保了壓氣室低壓鑄件質(zhì)量,為該件的順利生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

低壓鑄造是將模具放在密閉的保溫爐上面,型腔通過升液管與爐膛里的金屬液相通。工作時向爐膛中加入帶壓力的空氣,金屬液會從升液管中流入型腔。待金屬液凝固后,將爐膛中的壓縮空氣釋放,未凝固的金屬液從升液管中流回到爐中。變矩器機(jī)芯中的鋁輪、葉片采用低壓鑄造技術(shù)有四大優(yōu)點:第一,鑄件組織致密,力學(xué)性能好;第二,工藝出品率高,目前我公司鑄造廠壓鑄件工藝出品率在93%以上,同種產(chǎn)品重力鑄造的工藝出品率在

1工藝方案設(shè)計1.1毛坯圖設(shè)計飛機(jī)座艙鑄件是i類鑄件,采用zl116a合金,鑄件凈重為21kg,最大外廓尺寸為900mm×450mm×310mm,形狀不規(guī)則(如圖1),鑄造工藝設(shè)計難度較大。鑄件內(nèi)外表面全加工,整體上留4mm余量,為便于模具設(shè)計,將側(cè)面的臺階與大平面取平。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗,選擇1%的收縮率。

介紹了低壓鑄造的特點、原理及適用范圍,較詳細(xì)地介紹了低壓鑄造設(shè)備及工藝方面的進(jìn)展情況。

利用viewcast軟件對殼體鑄件石膏型低壓鑄造工藝進(jìn)行充型、凝固模擬,根據(jù)模擬結(jié)果預(yù)測鑄件中可能產(chǎn)生缺陷的位置及大小。結(jié)果表明,鑄件側(cè)耳部位存在大面積縮松、縮孔缺陷,生產(chǎn)的鑄件側(cè)面組織存在不同程度縮松現(xiàn)象。分析缺陷產(chǎn)生的位置及原因,對初始工藝方案進(jìn)行優(yōu)化,通過在厚壁處增加冷鐵、增設(shè)內(nèi)澆道等,再進(jìn)行凝固模擬。最終模擬結(jié)果表明,方案優(yōu)化后減少了鑄造缺陷。經(jīng)實際生產(chǎn)的鑄件內(nèi)部無缺陷,獲得了滿足生產(chǎn)要求的鑄件。

利用低壓鑄造和差壓鑄造兩種工藝制取了a357試樣,分別在150、165、180和200℃溫度下,研究了不同時效溫度下硬度隨時間的變化趨勢。結(jié)果表明,鑄態(tài)下,低壓鑄造試樣和差壓鑄造試樣硬度均值相差不大,但差壓鑄造試樣硬度分布較為均勻。固溶處理后,兩者的硬度均下降20%左右。人工時效開始后,鑄造工藝對硬度的影響在鑄件上顯現(xiàn)出來,差壓鑄造試樣的測試結(jié)果均高于低壓鑄造試樣;而且,在165和200℃人工時效溫度下,低壓鑄造試樣和差壓鑄造試樣硬度隨時間的變化趨勢有所不同。

利用flow-3d軟件,對某本體鑄件生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的縮孔及疏松缺陷進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果顯示,在缺陷一側(cè)增加澆口,同時對各澆冒口橫截面及距離進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,縮孔及疏松缺陷消除。驗證結(jié)果表明,根據(jù)模擬結(jié)果對石膏型低壓鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化后,試制的某本體鑄件未見縮孔及疏松等鑄造缺陷。