鋁合金飛輪殼低壓鑄造控制技術(shù)

1、鋁合金飛輪殼低壓鑄造控制技術(shù)蘆功輝寧波強(qiáng)盛機(jī)械模具有限公司摘要：本支介紹J'當(dāng)前典型的低壓鑄造藝控制過程，及其補(bǔ)縮系統(tǒng)不同時(shí)段的補(bǔ)縮特點(diǎn)，介紹了低壓鑄造澆道以滿足補(bǔ)縮為要點(diǎn)，兼顧排氣、充型的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。結(jié)合鋁合金飛輪殼鑄件，分析了該產(chǎn)品熱節(jié)厚大、分布分散的結(jié)構(gòu)特征，介紹了飛輪殼鑄造低壓鑄造工藝的設(shè)計(jì)方案，負(fù)壓排氣設(shè)計(jì)原理，及其工藝過程參數(shù)充型壓力、充型速度、溫度場(chǎng)三方面的控制技術(shù)。通過以上方法取得開發(fā)的成功，保證了生產(chǎn)條件的穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：飛輪殼低壓鑄造工藝設(shè)計(jì)控制技術(shù)低壓鑄造主要用來生產(chǎn)質(zhì)最要求高的鋁、鎂合金鑄件。本文結(jié)合某飛輪殼工藝設(shè)計(jì)的試述該類工藝的設(shè)計(jì)及其控制技術(shù)。.低壓鑄造與飛輪

2、鑄造工藝的選擇：低壓鑄造是介于重力鑄造(如砂型鑄造、金屬型鑄造)和高壓鑄造之問的一種鑄造方法。低壓鑄造是液態(tài)合金在壓力作用卜，自卜而上地充填型腔，并在壓力卜.結(jié)晶、凝固、成形。由于所加的壓力較低(2270kPa),所以稱之為低壓鑄造。飛輪殼、取力器殼等鑄件是發(fā)動(dòng)機(jī)重要的承載零件或載荷輸出部件。一般平均壁厚8mm以上，重量在1580Kg,熱節(jié)厚大，結(jié)構(gòu)屬于厚壁中重型零件，附加澆注系統(tǒng)以后澆注揖最一般在30Kg以上。該類零件內(nèi)在質(zhì)最要求較高，不允許有縮孔、縮松、夾渣等類鑄造缺陷存在。低壓鑄造勞動(dòng)強(qiáng)度低，鋁液充型平穩(wěn)，工藝出品率高，熱節(jié)在壓力條件卜補(bǔ)縮，澆注溫度低，同種材料機(jī)械性能比重力鑄造高出15

3、%20%,鑄件質(zhì)量穩(wěn)定可靠。本文飛輪殼零件凈重20.5Kg,頂面壁厚8mm,側(cè)面壁厚10mm,最大熱節(jié)圓直徑042mm,熱節(jié)散布。其鑄造工藝采用低壓鑄造，工藝設(shè)計(jì)重點(diǎn)在補(bǔ)縮方案、排氣方法，生產(chǎn)工藝過程參數(shù)的選擇與控制。.低壓鑄造工藝特點(diǎn)及其階段的作用：低樂鑄造工藝補(bǔ)縮特點(diǎn)：低壓鑄造工藝的補(bǔ)縮控制有別于重力鑄造：重力鑄造金屬液的補(bǔ)縮是目口內(nèi)鋁液保證必須的靜壓，在重力作用下，從上向"從高溫區(qū)向低溫區(qū)進(jìn)行。低壓鑄造金屬液充型是純粹的底注式,有外加壓力存在時(shí)，其補(bǔ)縮是從卜向上，從高溫區(qū)向低溫區(qū)道行：沒有外加壓力作用時(shí),補(bǔ)縮與重力鑄造方式相同（參見下圖所示）。澆注過程中，上下倒置的溫度梯度分布

4、,卜模惡劣的散熱條件。使得低壓鑄造頂冒口、側(cè)冒口設(shè)計(jì)比重力鑄造零件要大出20%以上，甚至更多。鑄件重點(diǎn)的補(bǔ)縮區(qū)域，工藝系統(tǒng)補(bǔ)縮能力最強(qiáng)的區(qū)域應(yīng)設(shè)置在卜模。充型初期自下而上的補(bǔ)縮充型后期白上而下低壓鑄造澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn):低壓鑄造金屬液自卜而上充型，澆注過程充型平穩(wěn)，素流程度小，氧化少，不卷入氣體型腔排氣方向與金屬液充型方向一致，型腔排氣條件好。澆注系統(tǒng)弊渣功能要求稍低，潔凈的鋁液甚至可以取消弊渣環(huán)節(jié)的設(shè)置。澆道設(shè)計(jì)以滿足補(bǔ)縮為要點(diǎn)，兼顧排氣、充型。如本文舉例零件直澆口，橫澆道尺寸結(jié)構(gòu)，即按補(bǔ)縮通道要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。澆注速度主要由氣控系統(tǒng)充型壓力與進(jìn)氣流量控制，澆道結(jié)構(gòu)影響較小，但要注意澆道與鑄件搭

5、接的“實(shí)際內(nèi)澆口”截面尺寸能夠滿足充型速度的需要。模具溫度場(chǎng)卜模偏高，熱節(jié)主要依靠卜模澆道補(bǔ)縮，補(bǔ)縮效率高。澆道距離短，工藝出11率較高。大型鑄件澆道設(shè)計(jì)在充分考慮補(bǔ)縮要求的基礎(chǔ)上，要注意高溫金屬液通過時(shí)帶來的較大的溫度梯度對(duì)生產(chǎn)效率的影響。粗大的澆道可能需要較長的保壓凝固時(shí)間。典型的低壓鑄造控制過程及其各階段的目的：目前典型的低壓鑄造控制過程，見下圖所示（典型的低壓澆注工藝曲線圖）。升液一充型-結(jié)殼凝固增壓凝固保壓凝固一卸壓凝固六個(gè)階段，結(jié)殼凝固視需要而定，薄型鑄件通常取消該階段或壓縮的很短。升液壓力的目的是完成金屈液到澆道II的抬升。大流量的進(jìn)氣量，A-B段斜率較大，升液速度較快，可以有效

6、的提高生產(chǎn)效率。升液壓力有稱之為懸浮壓力，區(qū)別在于恒定的升液壓力不能彌補(bǔ)生產(chǎn)過程爐內(nèi)液面降低帶來的壓力損失，每模次充型初期升液管內(nèi)液面高度動(dòng)態(tài)變化；懸浮壓力二升液壓力+壓力損失P,因此可以保證鑄件充型壓力參數(shù)穩(wěn)定在一定的水平不變，每模次充型初期升液管內(nèi)液面高度不變。充型壓力目的是完成金屬液充滿型腔內(nèi)的過程。通'（量一定，在滿足充型的前提卜.，較低的壓力可以獲得較低的無型速度，可以保證型腔氣體充分排出，提高模具間隙對(duì)金屬液的封堵能力和砂芯承受能力，降低鑄件的氣孔，粘砂等缺陷的廢品率。結(jié)殼主要針對(duì)有砂芯鑄件，充型結(jié)束作一個(gè)短時(shí)間的保壓（根據(jù)壁厚確定約0.1秒左右），鑄件表層形成薄殼，提高砂

7、芯抗機(jī)械粘砂能力和模具間隙對(duì)金屬液的封堵能力。保壓壓力主要目前提高澆注系統(tǒng)的補(bǔ)縮能力。一般保壓壓力越高，補(bǔ)縮效果也越好。飛輪殼熱節(jié)分布及其鑄造工藝設(shè)計(jì)：飛輪殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及熱節(jié)分布:飛輪殼結(jié)構(gòu)及熱節(jié)分布如右圖（飛輪殼熱節(jié)分布示意圖）所示，熱節(jié)分布分三個(gè)重點(diǎn)區(qū)域:鑄件側(cè)面的吊裝螺孔區(qū)，法蘭面環(huán)形的法蘭區(qū)，起動(dòng)孔孔周邊的厚蟹區(qū)，鑄件頂面散布的螺孔搭子以及周邊均布的加強(qiáng)筋。4.2鑄件和補(bǔ)縮及澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：依據(jù)前述2.12內(nèi)容，飛輪殼法蘭面向下，從熱節(jié)位置引入澆道比較合理。澆注工藝設(shè)計(jì)（參見飛輪殼澆注系統(tǒng)示意圖）。澆道從熱節(jié)園開始，橫澆道到直澆11呈依次擴(kuò)大的結(jié)構(gòu)。該I:藝的優(yōu)點(diǎn)是：散布在鑄件頂面的螺

8、孔搭子處在澆注系統(tǒng)流場(chǎng)未端,表現(xiàn)為心部的縮松,工藝上可采用減薄模腔局部涂料厚度、風(fēng)冷或砂芯局部涂刷金屬粉末配制的激冷型涂料等方法加以控制。鑄件側(cè)面均布的加強(qiáng)筋與環(huán)形法蘭相連，通過環(huán)形法蘭可得到非常有效的補(bǔ)縮。針：鑄件側(cè)面的厚大熱節(jié)直接開通與直澆II相連的補(bǔ)縮橫澆道，對(duì)其進(jìn)行充分的補(bǔ)縮。設(shè)置三叉澆道對(duì)環(huán)形澆道補(bǔ)縮，環(huán)形澆道對(duì)環(huán)形的厚大法蘭進(jìn)行補(bǔ)縮，通過均布四周的加強(qiáng)筋對(duì)鑄件頂面、側(cè)量進(jìn)行充分的補(bǔ)縮。偏厚的起動(dòng)機(jī)孔側(cè)壁可以設(shè)置頂面冒口對(duì)其補(bǔ)縮。這樣補(bǔ)縮系統(tǒng)對(duì)鑄件熱節(jié)的覆蓋，就比較充分，比較全面，能夠有效的避免鑄件縮孔、縮松缺陷的產(chǎn)生。3排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì):（體的排出主要考慮兩個(gè)方面，型腔體及型腔充型死

9、角氣體的排出，砂芯氣體的排出。如“S輪殼澆注系統(tǒng)示意圖”所示，型腔頂部的加強(qiáng)筋處于充型的死角，非常容易形成氣阻性質(zhì)的冷隔，工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意該位置的排氣設(shè)計(jì)，飛輪殼澆注系統(tǒng)示意圖該工藝中外露芯頭大部分處于下模，上模中部另有一個(gè)圓孔可以設(shè)計(jì)成砂芯排氣通道。工藝中必須強(qiáng)化這些位置的排氣條件。中部圓孔設(shè)計(jì)出中孔的活動(dòng)的排氣管排氣，即可以有效的封堵芯頭間隙，又可以非常暢通的排氣。砂芯向下排氣效果非常差，按照右圖所示負(fù)壓排氣原理圖，諛計(jì)相應(yīng)的吸氣裝置，強(qiáng)化卜.模排氣孔的排氣條件，可以獲得理想的排«結(jié)果。負(fù)壓排氣應(yīng)注意防止負(fù)壓壓力過大。其理論計(jì)算式為:低壓鑄造過程中的不穩(wěn)定因素及其控制:低壓鑄造過

10、程的不穩(wěn)定因素:鑄件質(zhì)量的穩(wěn)定程度取決于過程參數(shù)的穩(wěn)定程度，不穩(wěn)定的過程控制，必然帶來鑄件質(zhì)最的波動(dòng)。當(dāng)前的低壓鑄造控制技術(shù)存在三個(gè)方面的不足：溫度控制、充型速度及充型壓力。溫度控制：由于模具傳熱速度的限制，吸熱、散熱條件的周期變化，導(dǎo)致模具溫度場(chǎng)的控制存在較大的琲度.生產(chǎn)開始與生產(chǎn)結(jié)束往往存在較大的差別,澆注初期下模溫度較低.上卜.模體溫差不大，從澆口到需要補(bǔ)縮的熱節(jié),溫度梯度與生產(chǎn)結(jié)束時(shí)相比要小的多.其是補(bǔ)縮條件的變化，合理的鑄件凝固時(shí)間，合理的充型速度確定困難，不同時(shí)段生產(chǎn)鑄件的結(jié)晶組織、機(jī)械性能產(chǎn)生較大區(qū)別。其原因是卜模體散熱面枳比上模體要小的多，卜模體獲得加熱升溫的機(jī)會(huì)也比上模體多的

11、多，上模體只存在鑄件的散熱吸熱；保溫爐絲、高溫爐體、高溫鋁液的反復(fù)沖刷，保壓凝固期間與高溫鋁液的直接接觸等因素，都會(huì)使下模溫度逐步接近鋁液的溫度。隨著工作時(shí)間的增加，上下模體的溫度梯度越來越大。充型速度：每澆注一個(gè)模次，爐膛空腔體積增加¥（如卜圖“澆注過程示意圖”所示）。由“PVT=常數(shù)”知，當(dāng)澆注溫度T,壓力P為固定參數(shù)，隨著體積V的增加，必然要增加更多的進(jìn)氣量，進(jìn)氣速度恒定，進(jìn)氣時(shí)間必將隨之增加。進(jìn)氣時(shí)間的增加表現(xiàn)為充型速度的降低，或?qū)嶋H充型狀態(tài)的滯后，實(shí)際的澆注曲線表現(xiàn)為c-D段斜率減小，充型結(jié)束時(shí)間D'點(diǎn)在逐步的后移。如果結(jié)殼凝固控制信號(hào)在充型過程中到來，金屬液充型中

12、途出現(xiàn)停頓，產(chǎn)品的質(zhì)量將受到非常嚴(yán)重的影響。充型壓力：每澆注一個(gè)模次，爐內(nèi)液面卜降充型壓力降低4P（如圖“澆注過程示面:圖”所示）。帷個(gè)工作過程，密件的充型壓力參數(shù)處于動(dòng)態(tài)下降。低壓鑄造溫度控制、充型速度及充型壓力三參數(shù)的選擇及其控制：溫度控制溫度場(chǎng)的穩(wěn)定控制是鑄件質(zhì)量穩(wěn)定的首要條件之一。必須從設(shè)備、工藝設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)的選擇三方面加以控制。模具吸熱與散熱條件的平穩(wěn)保證溫度的穩(wěn)定是其它工藝參數(shù)穩(wěn)定的首要條件。工藝設(shè)計(jì)時(shí)首先要依據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇合適的設(shè)備，薄型、大斷面，無芯腔鑄件，補(bǔ)縮需求點(diǎn)少，補(bǔ)縮需求量小，希望有較高的充型速度，可以選擇低壓、大流量，大II徑升液管設(shè)備。厚壁、小斷面，仃芯腔鑄件

13、,補(bǔ)縮需求點(diǎn)多，補(bǔ)縮需求量大，可以選擇“高壓”大流量，氏口徑升液管,多點(diǎn)引注設(shè)備.其次依據(jù)工藝條件盡量避單點(diǎn)引注,以避免集中補(bǔ)縮，集中引注流量，導(dǎo)致澆II區(qū)的過熱現(xiàn)象。其次是選擇合適的模具溫度，設(shè)計(jì)好相關(guān)的加熱與降溫的控制裝置，通過熱電偶多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，輸入相應(yīng)的控制參數(shù)，適時(shí)準(zhǔn)確的控制好卸壓凝固時(shí)間，通風(fēng)冷卻時(shí)間，模體加熱時(shí)間，確保生產(chǎn)過程控制的連續(xù)穩(wěn)定、無間斷，關(guān)健控制點(diǎn)溫度變化處于上一個(gè)合理的水平，如本文舉例零件飛輪升液管管11位置的希望溫度為450±50,卜.?？刂泣c(diǎn)為350±40%：。工藝參數(shù)的選擇時(shí)應(yīng)注意低溫、小溫度梯度，需要較快的充型速度，較短的保壓凝固時(shí)間，較高的保壓凝固壓力來滿足充型及補(bǔ)縮的需要。充型速度可根據(jù)設(shè)備狀況，鑄件狀態(tài)，模具生產(chǎn)狀態(tài)，適當(dāng)調(diào)大進(jìn)氣流量或進(jìn)氣壓力進(jìn)行控制。由“PVT二常數(shù)”可.得出，速度調(diào)整量的表達(dá)為：tn/tn-XVn/CP+AP)(Vh-x+AV)一般薄壁、大斷面、無芯腔鑄件希望的充型速度高于厚壁、小斷面、有芯腔鑄件。理想的充型速度取決于液面卜.升速度的需要，金屬型實(shí)踐推薦的液面上升速度V為10mm40mm/秒。鑄件斷面S不規(guī)則變化，以及型腔溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化，帶來充型速度Q(Q=V*S)的不規(guī)則需求，只行加強(qiáng)低壓設(shè)備控制單元數(shù)據(jù)運(yùn)算及處理能力才能滿足。溫度場(chǎng)穩(wěn)定，充型速度合適,壓力參數(shù)即可確定一個(gè)合理的增長模式。通過設(shè)