薄壁多筋鋁合金腔體低壓鑄造工藝設(shè)計

薄壁多筋鋁合金腔體低壓鑄造工藝設(shè)計

由于其易于形成、氣體混合較少、工藝改進速度快、易于自動化等優(yōu)點，低壓宏件被廣泛使用。特別是對于大型復(fù)雜的厚厚件件，低壓宏件具有獨特的形成優(yōu)勢。1u2004件裝載量1.1鑄件結(jié)構(gòu)及特點鑄件重9.5kg,材料為ZL101A,外形尺寸560mm×292mm×80mm,鑄件機加工后的照片如圖1所示,三維如圖2所示。鑄件特點:筋條密集、孤立熱節(jié)多、大平面壁厚過渡較大[最薄處為2.5mm,最厚處為7mm(不包括筋條)]、機加工螺紋孔多。為了使大平面的粗糙度達到3.2μm,鑄件大平面必須全部機加工。1.2鑄件力學(xué)性能要求鑄件本體試棒力學(xué)性能要求:抗拉強度≥240MPa、伸長率≥3%、布氏硬度HB≥90,本體試棒的取樣位置在圖2中標(biāo)記方框內(nèi),本體試棒尺寸如圖3所示。在鑄件一端承載500kg重物并持續(xù)10min后,鑄件變形小于0.5mm。根據(jù)鑄件力學(xué)性能要求,鑄件必須進行T6熱處理。鑄件加工面上不允許有氣孔、縮松、夾雜和其他任何鑄造缺陷;在非加工面上允許直徑小于2mm、深度小于1mm的孔洞類鑄造缺陷,總數(shù)不超過10個,且距鑄件邊緣不小于10mm,但是不允許有冷隔。用X射線實時成像檢驗鑄件受力區(qū)域(圖2右邊圖標(biāo)記的方框內(nèi)),要求內(nèi)部缺陷達到2級(GB/T11346),其余區(qū)域達到3級。鑄件內(nèi)部不允許存在裂紋。1.3試棒及試棒測試低壓鑄造設(shè)備采用WF-458型低壓鑄造機。X射線實時成像檢測采用XYG-1502型設(shè)備,其缺陷最小分辨率為0.3mm。本體試棒測試采用QX-W70萬能拉伸機,承載測試采用懸掛重物的辦法。爐料配比為新鋁錠90%+回爐料10%,經(jīng)過精煉后轉(zhuǎn)運至低壓保溫爐。2u2004鑄造工藝2.1低壓鑄造工藝設(shè)計根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點,在筋條、螺柱搭子和6個凸臺等這些熱節(jié)處很可能會產(chǎn)生縮松。由于加工表面大,機加工后大平面處容易暴露氣孔和夾雜。鑄造工藝設(shè)計時必須避免這些鑄造缺陷出現(xiàn)。在主澆道(橫澆道)設(shè)計時,既考慮到將主澆道設(shè)置在熱節(jié)最大處,便于充分發(fā)揮主澆道的補縮功能,又考慮到提高工藝出品率,最終將主澆道設(shè)置在6個凸臺的正下方,如圖4所示。主澆道寬40mm、高30mm,直澆道直徑60mm,使用筋條充當(dāng)內(nèi)澆道。為了加強型腔的排氣,在上模和四周的滑塊上設(shè)置了大量排氣塞,排氣塞直徑16mm,模具和排氣塞都噴涂低壓模具專用涂料。在模具溫度設(shè)計時,由于鑄件厚薄不均,模具溫度分為“1區(qū)”和“2區(qū)”,如圖4a所示,其中“1區(qū)”為(370±5)℃,“2區(qū)”為(320±5)℃,因為“2”區(qū)正好在分流包上方,所以溫度要求較低,需要進行風(fēng)冷來降溫。上模6個凸臺在模具上(見圖4b)進行點冷卻,冷卻介質(zhì)為水,此處模具溫度為(250±10)℃。其余區(qū)域為(350±5)℃。由于該低壓鑄造機只有一個升液管,所以在升液管的上方需安裝分流包對鋁液進行分流。使用分流包的缺點:在升液充型階段,鋁液長時間與包壁接觸,很容易產(chǎn)生鋁皮,而鋁皮很難再次熔化,在下次充型時,鋁皮進入模具型腔,最終形成夾雜。因此,分流包外壁必須保溫效果良好,內(nèi)壁必須涂覆耐高溫的涂料。在鑄造工藝設(shè)計時,采用了模擬分析軟件對充型和凝固過程溫度場進行了數(shù)值模擬分析,但是分析結(jié)果與實際生產(chǎn)的結(jié)果相差較大,生產(chǎn)出的鑄件仍然出現(xiàn)縮松。在后續(xù)工藝改進過程中,針對鑄件出現(xiàn)的縮松,主要改進的工藝內(nèi)容包括充型參數(shù)和內(nèi)澆道的優(yōu)化。2.2u2004生產(chǎn)批次的結(jié)果分析澆注系統(tǒng)如圖5所示,充型參數(shù)的優(yōu)化共進行了三個生產(chǎn)批次,充型參數(shù)見表1。充型時鋁液溫度為(710±5)℃。第一生產(chǎn)批次時,第一階段充型時間為14s,充型壓力為20kPa,此時,鋁液正好充滿橫澆道,說明第一階段的充型參數(shù)設(shè)計比較合理。第二階段充型時間為8s,充型壓力為23kPa,此時,鋁液完全充滿型腔,說明第二階段充型壓力設(shè)計比較合理。第三階段充型實際是持續(xù)增壓的過程,增壓速度為1.5kPa/s。第四和第五階段,實際上鑄件處于保壓階段。充型結(jié)束后,保壓時間為230s,泄壓后冷卻時間為70s。鑄件經(jīng)過X射線實時成像檢測,發(fā)現(xiàn)2區(qū)和右側(cè)1區(qū)沒有縮松,在左側(cè)1區(qū)內(nèi)有縮松,如圖5標(biāo)注方框內(nèi),此處的X射線實時成像如圖6a和e所示,縮松級別達到5級。這些缺陷的比例占生產(chǎn)總數(shù)的50%。在右側(cè)1區(qū)內(nèi),筋條數(shù)量較少,而且鋁液在筋條內(nèi)流程較短,因此能夠得到主澆道的有效補縮,所以沒有縮松。2區(qū)處于兩個主澆道之間,能夠從兩側(cè)得到主澆道的有效補縮,所以也沒有縮松。但是,左側(cè)1區(qū)內(nèi)的筋條較多,而且方向不斷改變,鋁液在筋條內(nèi)的流程較長,補縮距離較長,因此流動能力損失較大。所以,距離主澆道較遠(yuǎn)的筋條很容易出現(xiàn)縮松。根據(jù)第一生產(chǎn)批次的工藝設(shè)計和檢測結(jié)果,說明充型的第二階段和第三階段的充型參數(shù)的適應(yīng)性和容錯性較差,充型結(jié)束后的保壓時間不合理,需要優(yōu)化。第二生產(chǎn)批次的充型參數(shù)見表1,主要優(yōu)化參數(shù)為延長第二階段的充型時間,提高第三階段的增壓速度和延長保壓時間。第二生產(chǎn)批次的鑄件X射線檢測結(jié)果如圖6b和f所示,縮松級別達到4級?？s松略有改善,但是效果不明顯。生產(chǎn)結(jié)果表明,延長第二階段的充型時間,可以對縮松區(qū)域起到液態(tài)補縮作用。第三階段的增壓速度提高到2kPa/s,可以提高筋條凝固時的補縮壓力,延長保壓時間同樣起到補縮壓力的作用。第三生產(chǎn)批次的充型參數(shù)見表1,第二階段的充型時間進一步延長,第三階段的增壓速度進一步提高到25kPa/s,將保壓時間延長至275s。第三生產(chǎn)批次的鑄件X射線檢測結(jié)果如圖6c和g所示,縮松級別仍然達到3級和4級。檢測結(jié)果表明,縮松的改善效果仍然不明顯。上述生產(chǎn)和檢測結(jié)果表明,通過延長充型時間、提高增壓速度、增大充型壓力和延長保壓時間的工藝措施,很難實現(xiàn)順序凝固的目的,對遠(yuǎn)離主澆道的縮松區(qū)域補縮效果不太明顯,這也是低壓鑄造工藝不足之處。2.3u2004縮松工藝和熱節(jié)檢測結(jié)果通過優(yōu)化充型參數(shù)的辦法無法根本解決縮松問題,所以嘗試采用加大內(nèi)澆道截面積的辦法來解決。改進后的澆注系統(tǒng)如圖7所示。將左側(cè)1區(qū)主澆道左側(cè)筋條間的間隙填平,如圖7方框內(nèi)。在鑄件機加工時,再將這些填平的地方加工去除。間隙填平后,實際上與筋條相連的內(nèi)澆道的截面積增大了1倍以上。第四生產(chǎn)批次的充型參數(shù)見表1,與第一生產(chǎn)批次的參數(shù)完全一樣。鑄件X射線檢測結(jié)果如圖6d和h所示,縮松級別達到1級,完全符合客戶要求。筋條間的間隙被填平后,與主澆道連接的筋條(實際上充當(dāng)內(nèi)澆道)的截面積被增大,在充型參數(shù)不變的情況下,此處凝固時間被延遲,有效地提高并延長了通過內(nèi)澆道對遠(yuǎn)端縮松區(qū)域的增壓壓力,從而提高對流場末端的補縮能力,使整個補縮通道通暢。這與在縮松處放置冷鐵或者進行點冷卻的工藝方法不同,放置冷鐵或者點冷卻的目的使該處先于相鄰區(qū)域凝固,這種工藝方法對于遠(yuǎn)離澆道的孤立熱節(jié)是有用的。例如本鑄件上模6個凸臺是孤立熱節(jié),進行點冷卻,效果良好。采用冷鐵或者點冷卻,對于那些熱節(jié)圓較大的熱節(jié),很可能產(chǎn)生澆不足和冷隔。如果在這些較大的熱節(jié)處,采用補縮冒口的辦法進行補縮,效果也不理想。低壓鑄造鋁合金復(fù)雜薄壁鑄件,對于解決縮松的工藝方法有很多。要分析鑄件的具體結(jié)構(gòu),并充分利用鑄件本身的結(jié)構(gòu)特點,例如充分利用鑄件加強筋或者筋條充當(dāng)內(nèi)澆道進行分流和傳遞壓力,保證充型階段和保壓階段的壓力傳遞,從而實現(xiàn)從熱節(jié)到主澆道之間的順序凝固。3根本體試棒的測試鑄件T6熱處理工藝為:固溶溫度538℃保溫5h+時效溫度175℃保溫3h,爐溫波動±5℃。測試三根本體試棒并取平均值,抗拉強度為258MPa、伸長率為5.3%、布氏硬度HB為98。承載測試時,按照客戶要求,在機加工后的鑄件的末端用鋼繩懸掛500kg的重物,持續(xù)10min,如圖8所示。卸載后進行平面度測量,鑄件無變形,檢測結(jié)果完全符合客戶要求。4改變冷鐵和點冷卻條件(1)對低壓鑄造鋁合金復(fù)雜多筋的腔體鑄件,優(yōu)