復(fù)雜鋁合金殼體鑄造過程的集成控制與應(yīng)用研究

通過對復(fù)雜鋁合金鑄件熔化、精煉、澆注、凝固和取件等過程的自動控制，在實(shí)際生產(chǎn)中大幅降低了勞動強(qiáng)度，達(dá)到了提質(zhì)降本增效的目的，也為同類型鑄件的生產(chǎn)提供了參考。長期以來，鋁合金殼體鑄造缺乏過程控制，尤其是熔化精煉及澆注過程的工藝參數(shù)受人為因素影響較大。同時，殼芯獨(dú)立定位導(dǎo)致缺少維度方向控制，模具采用銷子壓板連接導(dǎo)致缺少結(jié)構(gòu)性控制，造成鑄件尺寸超差嚴(yán)重。為了達(dá)到提質(zhì)降本增效的目的，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提出了對鑄造過程進(jìn)行集成控制的新思路，即以復(fù)雜鋁合金鑄件重點(diǎn)工序?yàn)橥黄瓶?，首先，建立機(jī)器人澆注工作站，實(shí)現(xiàn)對鋁合金熔化、精煉、澆注過程的自動控制；其次，通過配套制芯單元、結(jié)合機(jī)器人取芯、下芯夾具，實(shí)現(xiàn)對制芯、組芯及下芯過程的自動控制；最后，通過全新的定位限位結(jié)構(gòu)，提高金屬型模具的自身定位精度，并設(shè)置限位信號，實(shí)現(xiàn)合模、開模、頂出、取件過程的自動控制。通過以上過程的系統(tǒng)集成，最終實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)燃油控制系統(tǒng)中鋁合金鑄件生產(chǎn)的全過程控制，消除人為因素影響。工藝方案實(shí)施制芯工藝技術(shù)方案實(shí)施細(xì)小殼芯的吹制工藝復(fù)雜，成形困難，特別是直徑6mm以下的殼芯，全部采用常規(guī)的銅管成形工藝。創(chuàng)新項(xiàng)目通過研究射砂工藝，設(shè)計專用射砂板，調(diào)整射砂工藝參數(shù)等措施，首次成功試制出了最小直徑為2.5mm的殼芯。獨(dú)立殼芯缺少維度方向控制，容易出現(xiàn)偏擺、上浮等現(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)腔油路尺寸超差。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)設(shè)計了整體組芯的下芯工藝，內(nèi)腔殼芯全部組裝在冒口砂套上（見圖1），下芯后定位在金屬型模架橫梁上。為保證順利組裝，設(shè)計了組芯夾具，保證組芯精度。復(fù)雜鋁合金鑄件內(nèi)腔油路細(xì)小且組合砂芯較多，設(shè)計了一模多腔、雙面射砂的工藝技術(shù)，進(jìn)一步提高了復(fù)雜細(xì)小殼芯的生產(chǎn)效率。圖1

殼芯組裝結(jié)構(gòu)控制通過制芯工藝的全過程控制，解決了復(fù)雜細(xì)小殼芯成形難度大、殼芯及組芯尺寸精度差、生產(chǎn)效率低的問題。機(jī)器人澆注工作站技術(shù)方案設(shè)計鋁合金熔化、精煉、澆注是鑄件生產(chǎn)制造的核心工序，但長期以來受人為因素影響較大，鑄件合格率較低，質(zhì)量不穩(wěn)定。據(jù)統(tǒng)計，鑄件90%以上的缺陷都與這3個工序有關(guān)。機(jī)器人澆注工作站流程設(shè)計如圖2所示。圖2

機(jī)器人澆注工作站流程設(shè)計機(jī)器人澆注工作站呈島式布局，包括1臺澆注機(jī)器人（見圖3）、1臺熔化保溫爐及1臺傾轉(zhuǎn)澆注機(jī)。配套設(shè)施包括鋁皮清理裝置、澆包加熱保溫裝置、殼芯和鑄件輸送輥道、配套的組合芯支架和取芯、取件夾具等。圖3

澆注機(jī)器人配套研發(fā)的氧化皮清理裝置和澆包預(yù)熱裝置可以避免金屬液的二次污染，提高鑄件合格率。由于航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)鋁合金鑄件結(jié)構(gòu)各異且復(fù)雜，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)開發(fā)了機(jī)器人通用取芯夾具及取件夾具，以提高生產(chǎn)效率，保證下芯精度；通過熔化、精煉、澆注過程的自動控制，基本解決了鑄件的內(nèi)部質(zhì)量問題，大幅提高了鋁合金鑄件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。高精度金屬型模具控制結(jié)構(gòu)的研發(fā)設(shè)計創(chuàng)新項(xiàng)目技術(shù)方案首次引入金屬型模具結(jié)構(gòu)。左半模通過滑塊、滑座、限位塊與模架配合安裝，右半模沿導(dǎo)軌運(yùn)動，控制了模具水平方向；半模側(cè)面安裝限位塊，控制了模具開合模的垂直方向。由此實(shí)現(xiàn)了模具結(jié)構(gòu)性控制，滿足金屬型模具精度要求。澆注機(jī)和模具設(shè)計了“軟連接”，前、后半模與澆注機(jī)十字鍵定位配合，夾板快速卡緊，左、右半模與澆注機(jī)連接采用“蘑菇頭”連接，模架采用油缸壓緊。消除了模具安裝的過定位現(xiàn)象，大幅提高了模具精度，保證了鑄件外形尺寸精度和表面質(zhì)量。通過金屬模具的結(jié)構(gòu)性控制，解決了鑄件尺寸精度低、毛坯一致性差的問題，實(shí)現(xiàn)了澆注過程完全自動化控制，同時提高了生產(chǎn)效率。實(shí)施實(shí)例驗(yàn)證以航空發(fā)動機(jī)燃油控制系統(tǒng)的導(dǎo)向器殼體和離心泵殼體為例，對比應(yīng)用前后的效果。以傳統(tǒng)方法生產(chǎn)該導(dǎo)向器殼體和離心泵殼體各18爐次，創(chuàng)新方案生產(chǎn)兩項(xiàng)殼體12爐次、11爐次。兩種生產(chǎn)方法生產(chǎn)后的合格率對比如表1所示。表1

合格率對比表傳統(tǒng)工藝方案生產(chǎn)的導(dǎo)向器殼體和離心泵殼體合格率波動較大，波動范圍均超過50%。采用創(chuàng)新工藝方案后，兩項(xiàng)鑄件合格率趨于穩(wěn)定，鑄件合格率大幅提升，合格率波動范圍基本控制在10%以內(nèi)。傳統(tǒng)工藝方案生產(chǎn)的導(dǎo)向器殼體和離心泵殼體尺寸精度差，大量鑄件尺寸精度達(dá)不到CT7標(biāo)準(zhǔn)要求，表面質(zhì)量較差。采用創(chuàng)新工藝方案生產(chǎn)的導(dǎo)向器殼體和離心泵殼體尺寸精度高，鑄件外形尺寸精度達(dá)到CT6標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)腔壁厚差控制在0.2mm以內(nèi)，尺寸精度達(dá)到CT5標(biāo)準(zhǔn)，表面質(zhì)量較好。主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)復(fù)雜殼體高精度內(nèi)腔鑄造成形技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過自主設(shè)計工裝，結(jié)合研發(fā)的原材料，生產(chǎn)出了最小直徑2.5mm，長徑比達(dá)到10倍的殼芯，在熱芯領(lǐng)域?qū)儆谥卮蠹夹g(shù)突破，滿足了燃油控制系統(tǒng)復(fù)雜鋁合金鑄件的生產(chǎn)需求；首次將紅外掃描技術(shù)應(yīng)用到整體組芯過程中，實(shí)現(xiàn)了多層殼芯的精密組合裝配，鑄件內(nèi)腔尺寸精度提高了5倍；一模多腔、雙面射砂技術(shù)，將殼芯生產(chǎn)效率提高了230%。精密復(fù)雜金屬型模具結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)針對產(chǎn)品的多樣性，以模架為基礎(chǔ)，本項(xiàng)目首次實(shí)現(xiàn)了金屬型鑄造模具模塊化、系列化設(shè)計，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行模具整體預(yù)裝配（見圖4）。系統(tǒng)性研究了高精度金屬模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過高精度導(dǎo)向限位技術(shù)和快速定位結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，提高了模具自身的定位精度，避免了安裝過定位問題，提高了生產(chǎn)效率。圖4

模具的模塊化系列化設(shè)計復(fù)雜鑄造殼體內(nèi)部組織缺陷控制技術(shù)基于信息化集成控制，本項(xiàng)目打破了“熱工不可控因素多，生產(chǎn)完全靠工人”的傳統(tǒng)思維模式，首次實(shí)現(xiàn)了鑄件生產(chǎn)過程的自動控制，即鋁液定量、流場定速、澆注定時和凝固定向。生產(chǎn)的鑄件通過嚴(yán)苛的質(zhì)量檢查和性能測試，平均合格率達(dá)到90%以上且過程穩(wěn)定，生產(chǎn)效率提高了4倍。結(jié)束語創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研究的鋁合金鑄件工藝全過程集成控制技術(shù)，已應(yīng)用到30余項(xiàng)復(fù)雜鋁合金鑄件生產(chǎn)中，鑄件平均合格率超過80%，生產(chǎn)效率提高近3倍，節(jié)約生產(chǎn)成本900萬元；預(yù)計未來5