汽車薄壁鋁合金鑄件的cswow鑄造工藝

汽車薄壁鋁合金鑄件的cswow鑄造工藝

cowhorth鑄造工藝（也稱為砂底鑄造工藝）是一種先進(jìn)的特種鑄造工藝。英國cowhorth一家專注于研究高性能汽車零部件的制造需要，并申請了專利。該工藝采用鋯砂與SO2固化呋喃樹脂成型,采用可編程控制的電磁泵來實(shí)現(xiàn)可控壓力下控制鋁液充填鑄型的速度,使鋁液自下而上平穩(wěn)地充填鑄型。用Cosworth鑄造工藝生產(chǎn)的鋁合金鑄件具有組織致密、含氣孔極少、鑄件表面光潔、尺寸精確、加工余量少等優(yōu)點(diǎn),因而這種工藝特別適合于生產(chǎn)質(zhì)量要求較高、形狀復(fù)雜的汽車鋁鑄件。1cowhorth鑄造工藝的工藝過程Cosworth鑄造工藝的工藝過程如圖1所示。1.1鋁液在一般社會體中的發(fā)揮Cosworth鑄造工藝使用的爐子是一種具有足夠功率的熔化/保溫冶煉爐,具有升溫、保溫及調(diào)勻化學(xué)成分等功能,適合中等產(chǎn)量生產(chǎn)。如果產(chǎn)量很大,也可把熔化與保溫分開,但要注意減少鋁液從熔煉爐向保溫爐輸送時(shí)產(chǎn)生的湍流。為了減少鋁液吸入氣體形成氧化物夾渣,在保溫爐上方配備了氣體保護(hù)裝置。根據(jù)鑄件壁的厚薄程度,保溫爐內(nèi)鋁液溫度一般在690℃～720℃。與傳統(tǒng)鋁合金熔化相比,Cosworth鑄造工藝一般不需要用溶劑和化學(xué)處理劑來進(jìn)行除氣和金屬晶粒細(xì)化處理。1.2鑄造材料的熱膨脹控制傳統(tǒng)鑄造工藝是采用普通硅砂為造型材料來制作鑄型和砂芯。普通硅砂在鑄鋁的澆注溫度范圍內(nèi),由于α石英突變?yōu)棣率?鑄型和砂芯的體積膨脹率為3.0%-4.5%,而鋁合金凝固時(shí)卻有約6%的體積收縮,兩者之間產(chǎn)生的體積膨脹明顯不同。基于以上考慮,Cosworth鑄造工藝采用鋯砂取代硅砂制作鑄型與砂芯,采用冷硬樹脂作粘結(jié)劑。鋯砂具有非常低的且可預(yù)測的熱膨脹性能,在鑄型和型芯之間僅產(chǎn)生大約0.05%的相互移動,內(nèi)外膨脹差異可以忽略,因而能保證鑄件尺寸精度。使用鋯砂的另一優(yōu)點(diǎn)是其熱容量產(chǎn)生的凝固速率類似于金屬模,對鋁合金的晶粒細(xì)化十分有利,可提高合金的力學(xué)性能。鋯砂的密度與鋁合金大致相同,充填時(shí)砂芯不會產(chǎn)生浮動偏移,這也有利于保證鑄件精度,使大量生產(chǎn)的鑄件尺寸穩(wěn)定、精確。雖然鋯砂價(jià)格較貴,但在鋁合金的鑄造溫度下,鋯砂具有穩(wěn)定的晶粒結(jié)構(gòu)和較好的耐熔性,重復(fù)使用性好,其型砂可以回收而減少損耗,鋯砂的有效再生可彌補(bǔ)較高的首次投資,是一種比硅砂經(jīng)濟(jì)的造型材料。1.3coswo二圖的凝固缺陷鑄造技術(shù)鋁合金鑄件常見的縮孔、縮松、氣孔和裂紋等缺陷,均是在澆注充型及凝固過程中引起的,該過程中最容易引起缺陷的是氧化鋁粒子。所有的傳統(tǒng)鑄鋁方法澆注時(shí)鋁液的的傳送過程都涉及的多級湍流傳送,氧化層在金屬流上不斷形成,而后碎成片晶,被產(chǎn)生的湍流卷入鋁液,造成大量的氧化粒子卷入,這些片狀的氧化粒子不僅是最容易形成凝固缺陷的形核核心,而且其中的許多還會在澆注時(shí)產(chǎn)生重疊,而重疊的的兩個(gè)氧化粒子表面常常不能被潤濕,從而形成裂紋源,對力學(xué)性能,特別是對疲勞壽命和斷口韌性造成極其有害的影響。Cosworth鑄造工藝的最主要特點(diǎn)就是消除了鋁合金液在輸送與澆注時(shí)發(fā)生的湍流。鑄型輸送器將裝配在托板上的鑄型準(zhǔn)確送到電磁泵上方,氣動夾具自動將電磁泵升液管嘴與鑄型的澆注口壓緊。電磁泵產(chǎn)生壓力將金屬液從鑄型底部平緩的自下而上填充鑄型型腔,在整個(gè)澆注過程中,金屬隨不破裂表面逐漸升高,表面氧化膜粘附到型壁上。電磁泵被浸沒在保溫爐的金屬液中,澆注壓頭和注入壓力由電磁泵提供,壓頭和流速均可精密控制,可保證鋁合金液能夠在不發(fā)生的湍流的情況下充填鑄型。凝固時(shí)電磁泵維持一定壓力以對鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮,因而這種工藝鑄件一般不需要采用補(bǔ)縮冒口。使用Cosworth公司自行設(shè)計(jì)制造的電磁泵升液,鋁鑄件的工藝成品率在90%以上。為進(jìn)一步提高工作可靠性和降低生產(chǎn)成本,Cosworth公司還研制了一簡化了的氣壓泵,以取代原來的電壓泵。1.4廢砂再生處理澆注后,鑄型經(jīng)過冷卻然后從托板上轉(zhuǎn)到振動落砂機(jī)上,通過振擊清除掉鑄件外部的殘砂。清砂之后鑄件被送到儲存冷卻系統(tǒng)中進(jìn)一步冷卻,落下的型砂和芯砂通過帶式輸送機(jī)和提升機(jī)送往廢砂再生處理系統(tǒng)進(jìn)行處理,以便循環(huán)使用。由于采用鋯砂和冷硬樹脂砂作粘結(jié)劑制造的型砂和芯砂澆注后具有很好的潰散性,鑄件易于清理,而且鑄件產(chǎn)生的飛邊毛刺極少,又沒有冒口,因而大大減少了清理打磨的工作量。1.5熱處理周期短,應(yīng)力Cosworth鑄造工藝采用了先進(jìn)的金屬冶煉技術(shù),鑄件可以達(dá)到較高的鑄態(tài)性能,鑄件熱處理周期短,與傳統(tǒng)熱處理相比,熱處理周期可以縮短2h-4h,經(jīng)過淬火后鋁鑄件應(yīng)力很小,幾乎沒有變形。鑄件熱處理采用自動連續(xù)式熱處理設(shè)備,鑄件被垂直掛在推桿式懸鏈的專用掛具上,懸鏈從裝料點(diǎn)輸送到直線型淬火槽和時(shí)效爐,再進(jìn)入冷卻段進(jìn)行冷卻。鑄件卸下之前,進(jìn)入葉片式拋丸機(jī)進(jìn)行最終拋丸清理。2生產(chǎn)企業(yè)較高的汽車鋁鑄件見表3,2用Cosworth鑄造工藝生產(chǎn)鋁鑄件具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)鑄件組織致密度高,含氣孔極少,一般為0.01%-0.001%,而傳統(tǒng)鑄造工藝生產(chǎn)的鑄件一般為0.1%。鑄件的綜合力學(xué)性能得到提高,與傳統(tǒng)砂型鋁鑄件相比,材質(zhì)抗拉強(qiáng)度高出30%,延伸率至少高出一倍。(2)鑄件的尺寸穩(wěn)定且精確度高。如對大量生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋等鋁鑄件,其加工面的加工余量僅為1.5mm-2mm,大大減少了機(jī)械加工時(shí)間和加工費(fèi)用。(3)由于鑄件尺寸精確,壁厚減薄的原因,同樣產(chǎn)品鑄件的重量要比其他鑄造工藝減輕約10%-15%。同時(shí)金屬液的利用率高達(dá)80%-90%。(4)鑄件內(nèi)不含氧化物夾渣,改善了鑄件表面質(zhì)量,鑄件表面粗糙度低,也可使加工刀具的使用壽命延長。由于以上優(yōu)點(diǎn),Cosworth鑄造工藝主要用采生產(chǎn)高性能、無缺陷、重量輕的鑄件,特別是適于生產(chǎn)諸如氣缸蓋這類有致密性要求的復(fù)雜汽車鋁鑄件。隨著現(xiàn)代汽車向高效率、低油耗的方向發(fā)展,汽車發(fā)動機(jī)零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得更加復(fù)雜,對致密性的要求也越來越高,Cosworth鑄造工藝無疑將成為生產(chǎn)這類產(chǎn)品毛坯的有效方法。3生產(chǎn)鋁合金氣缸蓋Cosworth鑄造工藝最初的產(chǎn)品是高性能發(fā)動機(jī)部件,如用于一級方程式賽車發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋及航空鑄件的小批量生產(chǎn)。1978年Cosworth鑄造公司開始采用這項(xiàng)新工藝大量生產(chǎn)汽車鋁鑄件。1983年該公司投資100萬法郎,在英國中部地區(qū)興建了一座以該工藝為基礎(chǔ)的鑄造車間,用于批量生產(chǎn)鋁合金氣缸蓋,年產(chǎn)量達(dá)5萬件-6萬件。1981以后歐洲和美國一些廠家也使用了該項(xiàng)專利,生產(chǎn)氣缸體、氣缸蓋等鋁鑄件,如默謝臺斯-奔馳190E型2.3L轎車4缸16閥鋁缸蓋就是典型的產(chǎn)品。80年代中期美國福特汽車公司從英國引進(jìn)這一技術(shù),并對其加以改造成傾轉(zhuǎn)式Cosworth鑄造機(jī),提高了該工藝的生產(chǎn)率,使之更適用于大批量生產(chǎn)。為此Ford公司于1988年投資580萬美元興建一“鑄鋁研究開發(fā)”車間,試澆注V-6及V-8轎車發(fā)動機(jī)缸體和缸蓋。在工藝成熟的基礎(chǔ)上,Ford汽車公司投資近6000萬美元在1992年秋建成