【文章內(nèi)容簡介】 展的核心問題。因此近年來世界各大主要汽車公司從爭奪汽車市場的戰(zhàn)略考慮，在注意外形美觀的同時，致力于提高汽車的經(jīng)濟性、降低燃油消耗的目標，這樣可以緩和能源需求的緊張狀況，減輕環(huán)境污染，降低綜合費用，這是現(xiàn)代世界汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢。在各種降低油耗的措施中，把實現(xiàn)汽車輕量化，即減輕汽車的自重作為首選措施。汽車的許多問題，如操作性、排氣凈化、腐蝕等都與輕量化有關(guān)，但汽車輕量化的主要作用是節(jié)能。影響汽車燃油經(jīng)濟性的因素很多，如提高發(fā)動機和傳動系統(tǒng)的效率，降低滾動阻力、空氣阻力等，但最重要的是汽車的輕量化。鋁合金帶輪由于其質(zhì)量輕、減震性能好等優(yōu)點，在現(xiàn)代汽車制造中正取代傳統(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)對提高中國的汽車工業(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Zl101A汽車帶輪進行工藝設(shè)計、進行砂型制作和實驗性澆注、澆注后鑄件的組織觀察、數(shù)值模擬和預(yù)測鑄件的缺陷等，并進一步優(yōu)化工藝設(shè)計，減少鑄造工時，降低成本和提高生產(chǎn)效率。本文主要研究內(nèi)容為：1）對Zl101A汽車帶輪的鑄造工藝參數(shù)進行設(shè)計，以及澆注系統(tǒng)、澆注工藝參數(shù)的選擇；2）運用實驗室所具有的現(xiàn)有的材料，用木模進行砂型、砂芯的制作，并用實驗室的反重力設(shè)備將Zl101A融化并進行澆注；3）將澆注后的鑄件進行切割、打磨、拋光制成樣本，進行金相觀察；4）應(yīng)用View Cast模擬軟件對鑄件的充型凝固過程進行模擬計算，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)果對鑄造工藝進行改進優(yōu)化，以降低鑄件中的缺陷。第2章 低壓鑄造工藝設(shè)計低壓鑄造所用的鑄型，有金屬型和非金屬型兩類。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度應(yīng)比重力澆注時高，型腔中的氣體，全靠排氣道和砂?？紫杜懦?。為充分利用低壓鑄造時液體金屬在壓力作用下自下而上地補縮鑄件，在進行工藝設(shè)計時，應(yīng)考慮使鑄件遠離澆口的部位先凝固，讓澆口最后凝固，使鑄件在凝固過程中通過澆口得到補縮，實現(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，可采用一些特殊的辦法，如在鑄件厚壁處進行局部冷卻，以實現(xiàn)順序凝固。帶輪零件的三維實體見圖21，根據(jù)該零件的結(jié)構(gòu)特點，對該帶輪鑄件進行鑄造工藝分析[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)，因為只有在鑄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。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鑄造時的外界環(huán)境(鑄造方法、壓力、重力以及是否有強制冷卻)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)場技術(shù)人員的專業(yè)水平，同時在一定程度上也依賴于鑄造車間的設(shè)備物質(zhì)條件。一般說來，有如下幾條原則可供參考：1) 對于大型薄壁而且壁的空間分布無明顯規(guī)律的殼體類鑄件而言，在砂型鑄造時，一般多采用同時凝固的方式。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液態(tài)金屬的流程及時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[11]的分析可知，液態(tài)金屬流過之后，砂型表面的溫度梯度很小(長春第一汽車廠曾對CA488氣缸蓋在砂型鑄造時砂型表面的溫度梯度進行過實測。結(jié)果表明，包括冒口部分在內(nèi)，整個砂型的溫度基本一樣)。在金屬型鑄造時，雖然由于流程和時差能造成較大的溫度梯度，但因為鑄件壁的空間分布不規(guī)律，因而其溫度場的方向很難是單一的。所以，此時可以采用同時凝固的方式，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，對于壁厚大的鑄件，采用砂型或金屬型鑄造時，一般采用順序凝固的方式。因為這類鑄件的收縮總量大，而且凝固時間長，有更多的被補縮的機會。對于壁的空間分布很有規(guī)律的大型薄壁殼體類鑄件，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，時間差也大，因而造成的溫度梯度大且方向單一。對于這種鑄件，據(jù)文獻[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煙氣的吸入方向來造成并強化溫度梯度，以便順序凝固的實現(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，由于可以造成較大的溫度梯度，所以厚壁件易于實現(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，由于造成的溫度梯度小，一般薄壁件趨向于同時凝固(參看文獻[11])。3)對于壁厚不均勻，且薄厚部分相互交錯分布的復(fù)雜鑄件，一般采用順序凝固和同時凝固相結(jié)合的方式。這種凝固方式的實現(xiàn)比較復(fù)雜，難度較大，這需要工藝設(shè)計人員對鑄件的凝固規(guī)律有清楚的認識，并能確定相應(yīng)的強化措施。 4)對于結(jié)晶溫度范圍大的合金，多采用同時凝固方式。對于結(jié)晶溫度范圍小的合金，宜采用順序凝固方式。綜上所述，因為Zl101A汽車帶輪的結(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)，以防止局部過熱。3) 在生產(chǎn)較大的等壁厚鑄件時，當金屬型壁厚設(shè)計合理，并保證充填性的前提時，應(yīng)將內(nèi)澆道開設(shè)在鑄件的短邊的中部，以便造成高度上的單向溫度梯度，從而有利于補縮的進行。此時，內(nèi)澆道的開設(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，達到減小或消除水平方向的溫度梯度。4) 當有多個內(nèi)澆道與橫澆道相連時，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位置，澆注速度，液態(tài)合金的粘度等等)來確定各個內(nèi)澆道的截面積。一般說來，遠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，以有利于補縮的進行。 圖22 帶輪鑄件澆注系統(tǒng)實體圖所以根據(jù)以上原則，將Zl101A汽車帶輪鑄件的澆注系統(tǒng)設(shè)計成如圖22的二種形式，在實驗室進行實際澆注，以方便進行對比。 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須注意的幾點：1) 分型面應(yīng)該力求在一個平面上，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)計在同一半型中，這樣做，有利于減小合型錯位所產(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，應(yīng)考慮到澆注系統(tǒng)的開設(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。在考慮機械加工余量的取值大小時應(yīng)注意以下一些因素：1) 加工表面的粗糙度要求越小時，所留的機械加工余量應(yīng)越大。2) 尺寸精度要求越大時，對尺寸的加工余量應(yīng)越大。3) 加工面的面積越大時，機械加工余量應(yīng)越大，否則鑄件可能產(chǎn)生的變形和在機械加工中安裝不準確會造成加工余量不足。4) 加工表面距離機械加工基準面越遠時，機械加工余量也應(yīng)越大。否則鑄件產(chǎn)生的變形和在機械加工中安裝不準確也會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，因為當冒口或澆口截除不準確時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)依次適當加大。綜上所述，Zl101A汽車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)帕斯卡原理來計算其充型壓力值：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纬蓺饪缀脱趸瘖A渣，因此正確地控制加壓速度是獲得良好鑄件的關(guān)鍵。充型速度無量綱計算公式： (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)束時液面距離不變的情況下，液體到達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液體產(chǎn)生噴射飛濺、紊亂流動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擇為了保證充型過程中液面不降落始終停留在鑄型頂部，在原來壓差的基礎(chǔ)上再增加一定數(shù)值的壓力，稱充型增壓值?！Ｔ黾拥膲毫σ皇潜ＷC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在保壓增壓階段鑄件表面過于粗糙。充型增壓保壓時間可保持2～8s，薄壁鑄件取下限，厚大鑄件取上限，以便有足夠的時間在鑄件表面形成硬殼。～，增加的壓力主要是