【正文】 用低壓鑄造法來澆注大型簿壁葉片復(fù)雜鑄件，實現(xiàn)了以鑄代鍛。 鋁合金產(chǎn)品由于具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱率好、吸收沖擊能力強以及不易生銹、外表美觀等優(yōu)點，近年來廣泛的 應(yīng)用在航空、汽車及輕工業(yè)等領(lǐng)域中。低壓鑄造則主要應(yīng)用于鋁合金鑄件的產(chǎn)品上，隨著對鋁合金鑄件的質(zhì)量要求和性能要求越來越高，鋁合金低壓鑄造幾乎已成為一項必不可少的工藝，并在一定情況下代替了部分壓鑄鋁合金鑄件。 在國外，低壓鑄造的研究開始于二十世紀(jì)初期。第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，隨著航空工業(yè)的發(fā)展，英國廣泛地采用低壓鑄造生產(chǎn)技術(shù)要求較高地航空發(fā)動機地汽缸等輕合金鑄件。并采用金屬型低壓鑄造，大量生產(chǎn)北美的汽車工業(yè)和電子轉(zhuǎn)子等重要鑄件。這樣，低壓鑄造工藝迅速擴(kuò)散到通用機械、紡織機械、儀表和商業(yè)產(chǎn)品等領(lǐng)域。 目前，國外的低 壓鑄造設(shè)備，已由專業(yè)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，使低壓鑄造生產(chǎn)逐步向?qū)I(yè)化生產(chǎn)發(fā)展。專用的低壓鑄造設(shè)備的商品化，把低壓鑄造工藝技術(shù)提高到了一個較高的水平。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 2 低壓鑄造基本知識 低壓鑄造是液體金屬在壓力的作用下，完成充型及凝固過程而獲得鑄件的一種鑄造方法。它屬于一種特種鑄造工藝，由于低壓鑄造壓力較低（一般為 20～ 60kPa），故稱之為低壓鑄造。就低壓鑄造的工藝氣壓而言，它是介于壓力鑄造和重力鑄造之間的一種新的澆注工藝。 圖 2－ 1 低壓鑄造工藝示意圖 1． 保溫爐 8. 頂桿 低壓鑄造的裝置簡圖如圖 2－ 1所示。鑄型由下型 4 和上型 9 組成，并安放在密封的保溫坩鍋 13的上方，當(dāng)給密閉的容器坩鍋中通入干燥的壓縮空氣或惰性氣體時，氣體通過在金屬液面 2上的壓力作用，使液態(tài)金屬沿升液管 3 自下而上上升，經(jīng)鑄型下方的澆口 11 緩慢而平穩(wěn)地充填型腔 10，隨后在壓力作用下凝固。待型腔中的合金液體凝固成形后，即可解除坩鍋內(nèi)合金液體 2表面的氣體壓力，使升液管 3 和澆口 11中尚未凝固的合金液體靠自重流回 坩鍋內(nèi)，完成一次澆注過程，經(jīng)脫模后便得到了所需的鑄件。 低壓鑄造的實質(zhì)是物理學(xué)中的帕斯卡原理在鑄造方面的具體運用，根據(jù)帕斯卡原理有 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 P1 F1 H1 = P2 F2 H2 式中： P1 — 金屬液面上的壓力； F1 — 金屬液面上的受壓面積； H1 — 坩鍋內(nèi)液面下降的距離； P2 — 升液管中使金屬液上升的壓力； F2 — 升液管的內(nèi)截面積； H2 — 金屬液在升液管中上升的距離。 圖 2－ 2 低壓鑄造原理示意圖 2. 金屬液 3. 升液管 6. 鑄件 7. 鑄型 管 由圖 2－ 2 可知：由于 F1 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 F2 ，因此，當(dāng)坩鍋中液面下降高度 H1 時，只要在坩鍋中金屬液面上施加一個很小的壓力，升液管中的金屬液就能上升一個相當(dāng)?shù)母叨?H2 。這也就是“低壓”的來源。 ]10[ 低壓鑄造所用的鑄型可以是金屬型、干砂型、濕砂型、石膏型、石墨型、熔模型殼和陶瓷型等。 低壓 鑄造工藝流程 通常低壓鑄造的工藝流程為： 1) 金屬的熔煉及模具的準(zhǔn)備； 2) 澆注前的準(zhǔn)備 :包括坩鍋密封（裝配密封蓋），升液管中的扒渣，測量液面高南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 度，密封性試驗，配模，緊固模具等； 3) 澆注：包括升液，充型，結(jié)晶凝固，放氣解壓等四個過程； 4) 脫模：包括松型脫模和取件。 圖 2－ 3 低壓鑄造工藝操作過程 通過圖 2－ 3 可以了解低壓鑄造的工藝流程的操作過程。這些工藝中不同工序之間的相互作用，直接影響鑄件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。有些工序若操作不慎，會增加不必要的時間浪費，降低勞動生 產(chǎn)效率，例如坩鍋密封不好，會使氣體泄漏，影響進(jìn)氣壓力參數(shù)的正?？刂?，泄漏嚴(yán)重的需要反工。模具裝配不當(dāng)，澆注時會漏箱跑火，不僅使鑄件報廢，嚴(yán)重的還會使整天的生產(chǎn)受到影響。 由于液態(tài)金屬是在壓力推動下進(jìn)入型腔，并在壓力作用下結(jié)晶凝固進(jìn)行補縮，其升液管上涂料 升液管的加熱和裝配 密封蓋準(zhǔn)備 熔化 除氣 精煉 爐前檢驗 金屬的熔煉 砂模造型造芯 金屬型準(zhǔn)備： 表面清理 噴刷涂料 排氣道檢查 裝配檢查 模具預(yù)熱 調(diào)節(jié)開合型速度和開合型的順序控制（并調(diào)節(jié)控制鑄件凝固后的靜止時間） 開關(guān)型控制臺 坩鍋的密封 （裝配密封蓋） 扒去升液管中的浮渣 測量液面高度 做密封性試驗 并澆注試棒 配模 合型 澆注 升液 充型 保壓 放氣 脫模取件 清理工作臺面和升液管內(nèi)浮渣 鑄件清理 通過氣動元件來調(diào)節(jié)澆注各階段的壓力 參數(shù)，以控制其澆注工藝 氣動控制臺 成品 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 充型過程既與重力鑄造法不同，也不同于高壓高速充型的壓力鑄造。低壓鑄造形成了某些獨特的優(yōu)點。其主要特點如下： 1) 液態(tài)金屬充型比較平穩(wěn)。由于低壓鑄造采用底注式充型，且充型速度容易控制，相對減少了液態(tài)金屬澆注時的飛濺、對型壁和型芯的沖刷及氧化夾雜等鑄造缺陷。同時，型腔內(nèi)液流與氣流方向一致，減小了產(chǎn)生氣孔缺陷的可能性。 2) 鑄件成形性好。低壓鑄造時液態(tài)金屬是在外界壓力作用下強迫流動的，提高了液態(tài)金屬的充填性，有利于形成輪廓清晰、表面光潔的鑄件，這對于薄壁葉片和大型復(fù)雜薄壁鑄件的成形更為有利。 3) 鑄件組織致密、力學(xué)性能高。因為鑄件是在壓力作用下結(jié)晶凝固，大幅度提高了補縮效果，從而提高了鑄件的力學(xué)性能。如鑄件的抗拉強度和硬度比重力鑄造提高約 10％左右。由于鑄件組織致密，鑄件的氣密性、耐壓性都得到提高，這對于要求耐壓和防滲漏的鑄件具有明顯效果。 4) 提高了液態(tài)金屬的工藝出品率。 由于低壓鑄造利用壓力充型和補縮，簡化了澆冒口系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使工藝出品率可提高到 90％左右。 5) 生產(chǎn)效率高，加工余量小，機械加工工時少。 6) 低壓鑄造對鑄型材料沒有特殊的要求，凡可作為鑄型的各種材料，都可以用作為低壓鑄造的鑄型材料。 7) 設(shè)備簡單、便于制造、投資少、占地面積小、易于實現(xiàn)機械化、自動化生產(chǎn)。 8) 改善了澆注時的勞動條件。在低壓鑄造的澆注過程中，操作人員只要控制氣閥或按動電鈕就可以進(jìn)行了。同時，澆包置于密封的壓力罐中，也減少了高溫合金液對人體的熱輻射，有利于工人的健康。 同時，低壓鑄造的缺點是坩鍋和升液管長時間被 液態(tài)金屬侵蝕，使用壽命較短。另外，鋁合金液容易增鐵。 低壓鑄造工藝規(guī)范 低壓鑄造的工藝規(guī)范包括預(yù)壓、充型、增壓、保壓、模具預(yù)熱溫度、澆注溫度，以及模具的涂料等內(nèi)容。 1) 預(yù)壓和預(yù)壓速度 預(yù)壓壓力是指當(dāng)金屬液面上升到澆口附近所需要的壓力。金屬液在升液管內(nèi)的上升速度應(yīng)盡可能快，同時也需要避免金屬液在進(jìn)入澆口時不致產(chǎn)生噴濺。 2) 充型壓力和充型速度 充型壓力是指使金屬液充型上升到鑄型頂部所需的壓力。在充型階段，金屬液面南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 上的升壓速度就是充型速度。 3) 增壓和增壓速度 金屬液充滿型腔后，再繼續(xù)增壓，使鑄件的結(jié)晶凝固在一定 大小的壓力作用下進(jìn)行，這時的壓力叫結(jié)晶壓力。結(jié)晶壓力越大，補縮效果越好，最后獲得的鑄件組織也愈致密。但通過結(jié)晶增大壓力來提高鑄件質(zhì)量，不是任何情況下都能采用的。 4) 保壓時間 保壓時間是指型腔壓力增至結(jié)晶壓力后，并在結(jié)晶壓力下保持一段時間，直到鑄件完全凝固所需要的時間。如果保壓時間不夠，鑄件未完全凝固就卸壓，型腔中的金屬液將會全部或部分的回流，造成鑄件報廢。如果保壓時間過久，則澆口殘留過長，這不僅降低了工藝收得率，而且還會造成澆口被堵死，使鑄件出型困難，故生產(chǎn)中必須選擇適宜的保壓時間。 5) 鑄型溫度及澆注溫度 低壓 鑄造時，因為金屬液體的填充條件得到改善，且金屬液體直接自密封保溫坩鍋進(jìn)入鑄型，故澆注溫度一般比重力鑄造澆注溫度低 10～ 20℃。當(dāng)采用金屬型鑄造鋁合金鑄件時，鑄型的工作溫度為 200～ 250℃。鑄造復(fù)雜的薄壁鑄件時，鑄型的工作溫度可以提高到 300～ 350℃。 6) 涂料 在金屬型低壓鑄造時，為了提高其壽命及鑄件質(zhì)量，必須刷涂料。涂料應(yīng)均勻，涂料厚度要根據(jù)鑄件表面光潔度、鑄件結(jié)構(gòu)及鑄件的冷卻方向來確定。此外，保溫坩鍋也應(yīng)噴涂涂料。因升液管長期浸在液體金屬中，增加了鋁合金溶液中的含鐵量，降低了鑄件的力學(xué)性能。所以，應(yīng)先將 升液管的內(nèi)、外表面預(yù)熱至 200℃左右，再涂刷一層較厚的涂料。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 3 模具總體方案設(shè)計 鋁合金輪轂低壓鑄造模具一般方案 在輪轂的制造過程中，鑄件毛坯質(zhì)量對于鋁合金輪轂的整體質(zhì)量有著很大的影響。毛坯鑄造的好壞，直接影響輪轂的加工和其使用性能。而鑄件毛坯的質(zhì)量又取決于合金的選擇、模具質(zhì)量、熔煉工藝、合金變質(zhì)和熱處理等一系列工藝控制過程。在這其中，模具又是成型輪轂的關(guān)鍵工藝裝備，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化是輪轂生產(chǎn)的工藝關(guān)鍵。 根據(jù)輪轂零件的不同，鑄造輪轂的方法也不盡相同，其模具的總體方案也要根據(jù)零件的實際情況而定 。如果輪轂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，則需要模具增加相應(yīng)的成型鑲塊，其頂出裝置也要根據(jù)零件的復(fù)雜程度來設(shè)計。在冷卻系統(tǒng)方面，也要根據(jù)實際情況，可采用有循環(huán)水冷卻系統(tǒng)或風(fēng)、水共用系統(tǒng)以及風(fēng)冷等方式。在排氣系統(tǒng)方面，由于模具結(jié)構(gòu)的差異，其排氣方式也有很多不同之處。 下面是鋁合金輪轂低壓鑄造的兩種模具結(jié)構(gòu)： 例如，圖 31所示的是 200整體式鋁合金輪轂低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)。 圖中可以看出，在這個模具中采用了上下模冷卻環(huán)組件的設(shè)計，使鑄型的冷卻充分。設(shè)計了分流錐，使金屬液充型速度加快。上模連接環(huán)使上模與上模座很好的連接。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 圖 31 整體式鋁合金輪轂低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)圖 ]7[ 該模具屬于典型的金屬型型腔模具。模具包括成型系統(tǒng)、鑄型排氣系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和頂出系統(tǒng)五大組成部分。在澆口與分流錐之間，設(shè)置有過濾網(wǎng)，分流錐設(shè)計為（平）圓頂，以頂住過濾網(wǎng)，過濾網(wǎng)一模一件以濾渣，還可避免紊流。 本模具冷卻位置在輪轂的熱節(jié)處，模具外圍設(shè)置保溫棉，以均衡冷卻過程，模具采用水冷卻方式。冷卻部位主要集中 在車輪輪輻、中心澆口處，而輪輞部位則無須冷卻系統(tǒng)。 在模具的上方設(shè)置有吊耳機構(gòu)，便于將模具吊裝到鑄造機上。在頂出系統(tǒng)的設(shè)置中，設(shè)置了相應(yīng)的頂桿系統(tǒng)，將鑄件在模具分模時頂出鑄型。 另外，圖 32所示的是輪轂低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)圖 這種低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)也是一種典型的模具結(jié)構(gòu)，是一種適用于常規(guī)機臺的低壓鑄造模具，它按系統(tǒng)也分為澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、頂出系統(tǒng)和成型系統(tǒng)，按模塊功能又可分為結(jié)構(gòu)件、成型件、標(biāo)準(zhǔn)件。成型件是參與制品成型的零件及部件，結(jié)構(gòu)件則為除成型件外的組成一副完整型腔模具的部分，它包含導(dǎo)向部分、頂出部分和模 具固定連接部分。而在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計中則將原成型件分解為成型鑲件和成型標(biāo)準(zhǔn)件。成型鑲件由圖 32中上模鑲塊 上模芯 分流錐 下模塊 3及澆口套 4 等組成。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 13 圖 32 輪轂低壓鑄造模具結(jié)構(gòu) ]5[ 1. 下模板 2. 陶瓷澆口套 3. 下模塊 4. 澆口套