【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 合費(fèi)用，這是現(xiàn)代世界汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。在各種降低油耗的措施中，把實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化，即減輕汽車(chē)的自重作為首選措施。汽車(chē)的許多問(wèn)題，如操作性、排氣凈化、腐蝕等都與輕量化有關(guān)，但汽車(chē)輕量化的主要作用是節(jié)能。影響汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的因素很多，如提高發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，降低滾動(dòng)阻力、空氣阻力等，但最重要的是汽車(chē)的輕量化。鋁合金帶輪由于其質(zhì)量輕、減震性能好等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代汽車(chē)制造中正取代傳統(tǒng)的鋼制帶輪而被廣泛的推廣應(yīng)用，而鋁合金帶輪的低壓鑄造成型是一項(xiàng)新技術(shù)。壓鑄鋁合金帶輪能夠更大程度的節(jié)省材料和減輕重量，所以本課題研究鋁合金帶輪的低壓鑄造技術(shù)對(duì)提高中國(guó)的汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展具有重要的意義。 課題的任務(wù)和內(nèi)容本課題的主要任務(wù)是對(duì)Zl101A汽車(chē)帶輪進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、進(jìn)行砂型制作和實(shí)驗(yàn)性澆注、澆注后鑄件的組織觀察、數(shù)值模擬和預(yù)測(cè)鑄件的缺陷等，并進(jìn)一步優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，減少鑄造工時(shí)，降低成本和提高生產(chǎn)效率。本文主要研究?jī)?nèi)容為：1）對(duì)Zl101A汽車(chē)帶輪的鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以及澆注系統(tǒng)、澆注工藝參數(shù)的選擇；2）運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室所具有的現(xiàn)有的材料，用木模進(jìn)行砂型、砂芯的制作，并用實(shí)驗(yàn)室的反重力設(shè)備將Zl101A融化并進(jìn)行澆注；3）將澆注后的鑄件進(jìn)行切割、打磨、拋光制成樣本，進(jìn)行金相觀察；4）應(yīng)用View Cast模擬軟件對(duì)鑄件的充型凝固過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，查看熱節(jié)或縮孔、縮松、夾渣等缺陷的生成、分布情況；5）根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)鑄造工藝進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，以降低鑄件中的缺陷。第2章 低壓鑄造工藝設(shè)計(jì)低壓鑄造所用的鑄型，有金屬型和非金屬型兩類(lèi)。金屬型多用于大批、大量生產(chǎn)的有色金屬鑄件，非金屬鑄型多用于單件小批量生產(chǎn)，如砂型，石墨型，陶瓷型和熔模型殼等都可用于低壓鑄造，而生產(chǎn)中采用較多的還是砂型。但低壓鑄造用砂型的造型材料的透氣性和強(qiáng)度應(yīng)比重力澆注時(shí)高，型腔中的氣體，全靠排氣道和砂?？紫杜懦觥槌浞掷玫蛪鸿T造時(shí)液體金屬在壓力作用下自下而上地補(bǔ)縮鑄件，在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮使鑄件遠(yuǎn)離澆口的部位先凝固，讓澆口最后凝固，使鑄件在凝固過(guò)程中通過(guò)澆口得到補(bǔ)縮，實(shí)現(xiàn)順序凝固。常采用下述措施： 1) 澆口設(shè)在鑄件的厚壁部位，而使薄壁部位遠(yuǎn)離澆口； 2) 用加工裕量調(diào)整鑄件壁厚，以調(diào)節(jié)鑄件的方向性凝固； 3) 改變鑄件的冷卻條件。 對(duì)于壁厚差大的鑄件，用上述一般措施又難于得到顧序凝固的條件時(shí)，可采用一些特殊的辦法，如在鑄件厚壁處進(jìn)行局部冷卻，以實(shí)現(xiàn)順序凝固。帶輪零件的三維實(shí)體見(jiàn)圖21，根據(jù)該零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)該帶輪鑄件進(jìn)行鑄造工藝分析[11]可知：該帶輪鋁合金件屬于中小型鋁合金件，其結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，壁厚分布比較均勻。確定帶輪鑄造方法為砂型鑄造，選用石英砂、堿性酚醛樹(shù)脂（占砂重3%）、固化劑(多元醇的羥酸酯，占砂重1%）。 圖21 零件的三維實(shí)體圖 鑄件凝固方式的選擇是鑄型工藝參數(shù)確定的先導(dǎo)，因?yàn)橹挥性阼T件的凝固方式確定之后，諸如澆注系統(tǒng)、分型面、加工余量等等才能隨之相應(yīng)確定下來(lái)。鑄件凝固方式的選擇與許多因素有關(guān)，諸如：①鑄件結(jié)構(gòu)(形狀、壁厚及其分布復(fù)雜程度)；②鑄型性質(zhì)(導(dǎo)熱系數(shù)、蓄熱系數(shù)、壁厚)；③鑄造合金性質(zhì)(結(jié)晶溫度間隔、導(dǎo)熱系數(shù)、收縮率)；④鑄造時(shí)的外界環(huán)境(鑄造方法、壓力、重力以及是否有強(qiáng)制冷卻)等等。僅就鑄件的結(jié)構(gòu)而言，就是千變?nèi)f化的，所以很難找出一個(gè)必然的唯一的原則和規(guī)律，況且有些鑄件的正確成形方式也不是唯一的，因而凝固方式的選擇在很大程度上取決于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的專業(yè)水平，同時(shí)在一定程度上也依賴于鑄造車(chē)間的設(shè)備物質(zhì)條件。一般說(shuō)來(lái)，有如下幾條原則可供參考：1) 對(duì)于大型薄壁而且壁的空間分布無(wú)明顯規(guī)律的殼體類(lèi)鑄件而言，在砂型鑄造時(shí)，一般多采用同時(shí)凝固的方式。其原因在于:①由于壁的空間分布不規(guī)律，因而很難依靠充型時(shí)液態(tài)金屬的流程及時(shí)間差得到單向的溫度梯度。②砂型的導(dǎo)熱系數(shù)小，根據(jù)文獻(xiàn)[11]的分析可知，液態(tài)金屬流過(guò)之后，砂型表面的溫度梯度很小(長(zhǎng)春第一汽車(chē)廠曾對(duì)CA488氣缸蓋在砂型鑄造時(shí)砂型表面的溫度梯度進(jìn)行過(guò)實(shí)測(cè)。結(jié)果表明，包括冒口部分在內(nèi)，整個(gè)砂型的溫度基本一樣)。在金屬型鑄造時(shí)，雖然由于流程和時(shí)差能造成較大的溫度梯度，但因?yàn)殍T件壁的空間分布不規(guī)律，因而其溫度場(chǎng)的方向很難是單一的。所以，此時(shí)可以采用同時(shí)凝固的方式，也可以采用順序凝固的方式，但大多數(shù)采用的是二者的復(fù)合。與此相反，對(duì)于壁厚大的鑄件，采用砂型或金屬型鑄造時(shí)，一般采用順序凝固的方式。因?yàn)檫@類(lèi)鑄件的收縮總量大，而且凝固時(shí)間長(zhǎng)，有更多的被補(bǔ)縮的機(jī)會(huì)。對(duì)于壁的空間分布很有規(guī)律的大型薄壁殼體類(lèi)鑄件，可以采用順序凝固的方式。其原因在于，鑄件大，其液體金屬的流程就長(zhǎng)，時(shí)間差也大，因而造成的溫度梯度大且方向單一。對(duì)于這種鑄件，據(jù)文獻(xiàn)[12]所述，最好的工藝方法是金屬型覆砂造型，用覆砂層的厚度變化以及烘干時(shí)煙氣的吸入方向來(lái)造成并強(qiáng)化溫度梯度，以便順序凝固的實(shí)現(xiàn)。2）在導(dǎo)熱系數(shù)較大的金屬型內(nèi)澆注導(dǎo)熱系數(shù)小的合金時(shí)，由于可以造成較大的溫度梯度，所以厚壁件易于實(shí)現(xiàn)順序凝固。反之，在導(dǎo)熱系數(shù)小的砂型內(nèi)澆注導(dǎo)熱系數(shù)大的合金時(shí)，由于造成的溫度梯度小，一般薄壁件趨向于同時(shí)凝固(參看文獻(xiàn)[11])。3)對(duì)于壁厚不均勻，且薄厚部分相互交錯(cuò)分布的復(fù)雜鑄件，一般采用順序凝固和同時(shí)凝固相結(jié)合的方式。這種凝固方式的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，難度較大，這需要工藝設(shè)計(jì)人員對(duì)鑄件的凝固規(guī)律有清楚的認(rèn)識(shí)，并能確定相應(yīng)的強(qiáng)化措施。 4)對(duì)于結(jié)晶溫度范圍大的合金，多采用同時(shí)凝固方式。對(duì)于結(jié)晶溫度范圍小的合金，宜采用順序凝固方式。綜上所述，因?yàn)閆l101A汽車(chē)帶輪的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，壁厚比較均勻，且采用砂型鑄造，所以鑄件凝固方式的選擇是同時(shí)凝固。其應(yīng)遵循的原則：1) 應(yīng)充分發(fā)揮澆注系統(tǒng)的補(bǔ)縮作用，為此應(yīng)保證F升液管F橫F內(nèi)。2) 應(yīng)盡量避免液態(tài)金屬直接沖擊型壁和型芯(尤其是導(dǎo)熱系數(shù)大的部位)，以防止局部過(guò)熱。3) 在生產(chǎn)較大的等壁厚鑄件時(shí)，當(dāng)金屬型壁厚設(shè)計(jì)合理，并保證充填性的前提時(shí)，應(yīng)將內(nèi)澆道開(kāi)設(shè)在鑄件的短邊的中部，以便造成高度上的單向溫度梯度，從而有利于補(bǔ)縮的進(jìn)行。此時(shí)，內(nèi)澆道的開(kāi)設(shè)應(yīng)使充型的液態(tài)金屬均勻地注入型腔，避免或減少橫向液流，達(dá)到減小或消除水平方向的溫度梯度。4) 當(dāng)有多個(gè)內(nèi)澆道與橫澆道相連時(shí)，為了使各內(nèi)澆道流量分配均勻，應(yīng)根據(jù)具體的情況(鑄件的結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)澆道橫澆道升液管相對(duì)位置，澆注速度，液態(tài)合金的粘度等等)來(lái)確定各個(gè)內(nèi)澆道的截面積。一般說(shuō)來(lái)，遠(yuǎn)離升液管的盲端及緊靠升液管的內(nèi)澆道面積較小。5) 連接升液管與鑄型的輸液道的管壁應(yīng)盡可能薄些，以減小液態(tài)金屬在該處的熱量損失，以有利于補(bǔ)縮的進(jìn)行。 圖22 帶輪鑄件澆注系統(tǒng)實(shí)體圖所以根據(jù)以上原則，將Zl101A汽車(chē)帶輪鑄件的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)成如圖22的二種形式，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際澆注，以方便進(jìn)行對(duì)比。 根據(jù)澆注位置的確定的原則及鑄件的結(jié)構(gòu)，以及在確定分型面時(shí)須注意的幾點(diǎn)：1) 分型面應(yīng)該力求在一個(gè)平面上，盡量避免以階梯或曲面分型。2) 水平分型的鑄件，要力求選在鑄件的最高部位。3) 盡量將鑄件設(shè)置在同一半型中，或者將精度要求較高的部分設(shè)計(jì)在同一半型中，這樣做，有利于減小合型錯(cuò)位所產(chǎn)生的鑄件尺寸誤差，以提高鑄件的幾何精度。4) 確定分型面的同時(shí)，應(yīng)考慮到澆注系統(tǒng)的開(kāi)設(shè)位置以及鑄型的制造是否方便。選用的分型面如圖23所示。根據(jù)零件尺寸輪廓大小，確定為兩箱造型，不用造芯，一箱一件。圖23 鑄件澆注位置和分型面示意圖在低壓鑄造中，~4mm或更大一些。在考慮機(jī)械加工余量的取值大小時(shí)應(yīng)注意以下一些因素：1) 加工表面的粗糙度要求越小時(shí)，所留的機(jī)械加工余量應(yīng)越大。2) 尺寸精度要求越大時(shí)，對(duì)尺寸的加工余量應(yīng)越大。3) 加工面的面積越大時(shí)，機(jī)械加工余量應(yīng)越大，否則鑄件可能產(chǎn)生的變形和在機(jī)械加工中安裝不準(zhǔn)確會(huì)造成加工余量不足。4) 加工表面距離機(jī)械加工基準(zhǔn)面越遠(yuǎn)時(shí)，機(jī)械加工余量也應(yīng)越大。否則鑄件產(chǎn)生的變形和在機(jī)械加工中安裝不準(zhǔn)確也會(huì)造成加工余量的不足。5) 如果有砂芯，那么由砂芯形成的鑄件表面部分的機(jī)械加工余量應(yīng)大于由金屬型（芯）直接形成的鑄件表面部分的機(jī)械加工余量。6) 冒口或澆口和鑄件連接的表面，其加工余量應(yīng)該放大一些，因?yàn)楫?dāng)冒口或澆口截除不準(zhǔn)確時(shí)可能因加工余量小而造成廢品。7) 下表面、側(cè)表面、上表面的加工余量應(yīng)依次適當(dāng)加大。綜上所述，Zl101A汽車(chē)帶輪在外圓表面和內(nèi)孔內(nèi)表面是加工面，所以應(yīng)該在其加工面加2mm左右的機(jī)械加工余量。 低壓鑄造澆注工藝參數(shù)的選擇　升液速度的確定其中升液階段的加壓速度應(yīng)使合金液平穩(wěn)上升，升液速度一般控制在50 mm/s左右， MPa/s，升液時(shí)間視充型壓力而定。 充型壓力和充型速度的選擇 一般根據(jù)帕斯卡原理來(lái)計(jì)算其充型壓力值：P充=P２=μＨγ　　　　　　　　　　　 　(1)式中，P充為充型壓力，MPa；H為型腔頂部與坩堝中金屬液面的距離，mm；γ為金屬液重度(N/mm3)；μ為充型阻力系數(shù)，～。充型速度是指充型過(guò)程中，金屬液面在型腔中的平均上升速度，一般稍高于升液速度?？刂撇涣紩?huì)形成氣孔和氧化夾渣，因此正確地控制加壓速度是獲得良好鑄件的關(guān)鍵。充型速度無(wú)量綱計(jì)算公式： (2)式中，為金屬液在鑄型中的(最小允許)平均上升速度(沿鑄件高度)，mm/s；ｈ為鑄件高度，mm；δ為鑄件壁厚，mm；ｔ澆為合金液的澆注溫度，℃。 在澆注溫度一定的情況下，鑄件壁厚、結(jié)構(gòu)基本決定了液體充型速度范圍，在鑄件高度與充型結(jié)束時(shí)液面距離不變的情況下，液體到達(dá)鑄型頂部的壓差亦是固定的，可以調(diào)節(jié)的只有充型速度。在滿足鑄型充滿的情況下，充型速度選擇下限為好，這樣可以避免充氣時(shí)液體產(chǎn)生噴射飛濺、紊亂流動(dòng)及造成氧化夾渣等鑄造缺陷。一般情況下選擇充型速度考慮如下因素：鑄件高度、壁厚、復(fù)雜程度、鑄型用材料、合金溫度等，通常充型速度選擇25～45mm/s，型腔復(fù)雜、壁厚3～5mm時(shí)可選擇大于45mm/s充型速度?！〕湫驮鰤褐档倪x擇為了保證充型過(guò)程中液面不降落始終停留在鑄型頂部，在原來(lái)壓差的基礎(chǔ)上再增加一定數(shù)值的壓力，稱充型增壓值?！?。增加的壓力一是保證液面不降落，二是鑄件在一較小的壓力下結(jié)殼，可避免鑄型材料是砂型時(shí)在保壓增壓階段鑄件表面過(guò)于粗糙。充型增壓保壓時(shí)間可保持2～8s，薄壁鑄件取下限，厚大鑄件取上限，以便有足夠的時(shí)間在鑄件表面形成硬殼?！黾拥膲毫χ饕潜ＷC鑄件組織致密，減少疏松、縮孔缺陷，從而在鑄件不同壁厚處獲得比較接近的力學(xué)性能，而且能有效阻止合金中氣體的析出。[14]據(jù)資料介紹，加壓凝固能夠強(qiáng)化鋁合金結(jié)晶期間補(bǔ)縮能力，提高鑄件致密度。鑄件的密度隨著凝固時(shí)所施加壓力的提高而增大。如壓力選擇過(guò)低將使鑄件的疏散缺陷增多，故保壓增壓值數(shù)值的選擇在低壓鑄造生產(chǎn)中是非常重要的。保壓時(shí)間由合金溫度、