【正文】 部分,屬于壓力容器,主要由下壓力罐、鎖緊環(huán)、中隔板、上壓力罐、卡環(huán)、熔化爐、坩鍋、升液管及鎖緊液壓系統(tǒng)等組成。其實(shí)驗(yàn)材料如下圖31所示：（a）石英砂 (b) 堿性酚醛樹(shù)脂 (c) 固化劑(多元醇的羥酸酯） (d) 砂箱 (e) 模型 (f) 芯盒圖3－1 實(shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)室所采用的是多功能反重力鑄造設(shè)備,其可以分別進(jìn)行低壓、調(diào)壓、差壓鑄造。第3章 實(shí)驗(yàn)材料、內(nèi)容及過(guò)程 實(shí)驗(yàn)材料為了研究ZL101A汽車帶輪低壓鑄造的凝固過(guò)程，以及在澆注和凝固過(guò)程中產(chǎn)生的各種問(wèn)題，如澆不足、縮孔、縮松、熱裂、氣孔等鑄造缺陷。由于低壓鑄造中，液態(tài)金屬是在壓力作用下充型的，因而充型能力高于一般的重力澆注，而且，因澆注在密封狀態(tài)下進(jìn)行，液態(tài)金屬熱量散失較慢，所以其澆注溫度可比一般的鑄造方法低１０～２０℃。在保壓結(jié)束卸壓后，升液管內(nèi)鋁液靠重力自動(dòng)流回坩堝，進(jìn)行下一件澆注。因?yàn)闇囟冗^(guò)低，升液管將降低合金液溫度，更容易造成升液保壓后升液管內(nèi)的鋁液凍結(jié)。保壓時(shí)間過(guò)短，影響鑄件成型，造成鑄件中空?qǐng)?bào)廢；保壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，升液管內(nèi)的鋁液與升液管凍結(jié)在一起，無(wú)法進(jìn)行下一件澆注，且清理困難。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。[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。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?！?。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。 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?？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)，～。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(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。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。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。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。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。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。2) 水平分型的鑄件，要力求選在鑄件的最高部位。 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。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。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。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。綜上所述，因?yàn)閆l101A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(shí)凝固。 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。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。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。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。因?yàn)檫@類鑄件的收縮總量大，而且凝固時(shí)間長(zhǎng)，有更多的被補(bǔ)縮的機(jī)會(huì)。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。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)。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。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間的設(shè)備物質(zhì)條件。 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)。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。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。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?。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。 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。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)。汽車的許多問(wèn)題，如操作性、排氣凈化、腐蝕等都與輕量化有關(guān)，但汽車輕量化的主要作用是節(jié)能。因此近年來(lái)世界各大主要汽車公司從爭(zhēng)奪汽車市場(chǎng)的戰(zhàn)略考慮，在注意外形美觀的同時(shí)，致力于提高汽車的經(jīng)濟(jì)性、降低燃油消耗的目標(biāo)，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(fèi)用，這是現(xiàn)代世界汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。汽車技術(shù)的發(fā)展主要是圍繞著這三大問(wèn)題進(jìn)行的，各國(guó)政府也先后制訂了能源保護(hù)、廢氣排放、降低噪音和安全保障的法規(guī)。國(guó)內(nèi)在流場(chǎng)基礎(chǔ)理論研究上基本上可以跟上世界先進(jìn)水平，在數(shù)學(xué)模型的選擇、數(shù)值計(jì)算方法的改進(jìn)及實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用等方面已取得許多研究成果，但在軟件開(kāi)發(fā)和實(shí)際應(yīng)用方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大的差距，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的商品化軟件包主要有清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的FTStar和華中理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的SCS軟件及華北工學(xué)院鑄造工程研究中心開(kāi)發(fā)的CASTSoft軟件，但是與國(guó)外的相比還存在不小的差距。在國(guó)外主要的有：德國(guó)Magma公司的MAGMASOFT軟件、美國(guó)UES公司的Procast軟件、法國(guó)AP公司的SMULOR、日本小松制作所的Soldia以及韓國(guó)的Anycasting公司開(kāi)發(fā)的AnyCastingTM，這些軟件己經(jīng)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上具有一定的份額，在鑄造領(lǐng)域分析鑄造缺陷、預(yù)測(cè)鑄件質(zhì)量、優(yōu)化鑄造工藝方面發(fā)揮著重要的作用。因此，計(jì)算機(jī)模擬是鑄造行業(yè)的一個(gè)重要手段。 低壓鑄造與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算機(jī)模擬是用計(jì)算機(jī)程序替代實(shí)物行對(duì)鑄件作模擬實(shí)驗(yàn)，要得到優(yōu)質(zhì)鑄件，事先要做一個(gè)該鑄件的模型，然后對(duì)該模型鑄造過(guò)程模擬，再對(duì)鑄造工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的努力，鑄件充型凝固過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬仿真已進(jìn)入工程實(shí)用化階段，鑄造生產(chǎn)正在從只憑經(jīng)驗(yàn)走向由科學(xué)理論指導(dǎo)的道路。正是由于上述諸多優(yōu)點(diǎn)，從二十世紀(jì)60年代到目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本、法國(guó)等的優(yōu)秀冶金鑄造研究人員都開(kāi)展了這方面的研究，掀起了一次次高潮。鑄造工藝過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬可以優(yōu)化現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝；獲得可重復(fù)的產(chǎn)品質(zhì)量，即使在原材料、工藝設(shè)備和操作者變化時(shí)也同樣穩(wěn)定；可以縮短設(shè)計(jì)、生產(chǎn)產(chǎn)品的周期，降低成本；實(shí)現(xiàn)工藝的可視化，使企業(yè)操作者和模擬工作者之間能夠共同分析到最佳工藝模擬的判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[8]。從目前的鑄造過(guò)程模擬軟件應(yīng)用來(lái)看，主要是國(guó)外的軟件占主要地位并且代表了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的最高水平。 低壓鑄造的數(shù)值模擬 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的優(yōu)點(diǎn)鑄造過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬是改造傳統(tǒng)鑄造產(chǎn)業(yè)的必由之路，是當(dāng)今世界各國(guó)專家學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。此類零件在低壓鑄造設(shè)備完備的前提下，采用樹(shù)脂砂或石墨型低壓鑄造法有望鑄造成組織致密、尺寸精確的優(yōu)質(zhì)鑄件。常規(guī)砂型重力澆注時(shí)鑄件中出現(xiàn)比較嚴(yán)重縮松。但隨著技術(shù)進(jìn)步，包括汽車、摩托車缸頭、缸蓋、排氣岐管和輪轂將大量采用低壓鑄造法生產(chǎn)，使鑄件質(zhì)量提高一個(gè)檔次?！　?) 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中若干鋁合金零件如排氣管、缸蓋以及摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭、缸蓋和輪轂?zāi)壳按罅咳圆捎媒饘傩椭亓﹁T造。據(jù)有關(guān)方面信息，美國(guó)目前可生產(chǎn)直徑800 mm、長(zhǎng)5 m、壁厚6～8 mm的巡航導(dǎo)彈艙體，合金材料A357。因此，低壓鑄造將展現(xiàn)更廣闊的應(yīng)用前景。低壓鑄造在我國(guó)的研究和應(yīng)用雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)展很快，己經(jīng)從生產(chǎn)輕金屬發(fā)展到重金屬，又從有色合金發(fā)展到黑色金屬，鑄件從小到大、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜?！　?) 整機(jī)自動(dòng)化程度低 目前大都采用手動(dòng)或半自動(dòng)?！　?) 低壓鑄造機(jī)零部件可靠性差 如減壓閥流量?。簧汗苋菀妆磺治g；保溫套熱效率低且壽命短，經(jīng)常造成升液管最上端過(guò)早凝固堵塞；保溫電爐僅用繼電器加X(jué)CT101動(dòng)圈式溫控表，電流電壓沖擊大，合金液溫度波動(dòng)大；液壓泵和電磁閥質(zhì)量差，經(jīng)常損壞，低壓鑄造機(jī)中眾多元件并非低壓機(jī)專用，它們與整個(gè)國(guó)家工業(yè)基礎(chǔ)和質(zhì)保體系水平相關(guān)。鑄件尺寸精度一般在7～9級(jí)，～?！　￡P(guān)于模具內(nèi)腔設(shè)計(jì)和加工?！　?) 低壓鑄造件模具設(shè)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)水平一般憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)于合金液在鑄型中流動(dòng)情況、散熱和凝固大多是憑經(jīng)驗(yàn) 大部分模具設(shè)計(jì)無(wú)冷卻和加熱系統(tǒng)，一般很難保證鑄件各部位均能達(dá)到順序凝固和充分補(bǔ)縮。他們認(rèn)為金屬型重力鑄造工藝簡(jiǎn)單，成品率與低壓鑄造相當(dāng)。由于液面加壓系統(tǒng)不能保證原定最佳工藝實(shí)現(xiàn)和重現(xiàn)，造成鑄件成品率下降。特別是金屬型薄壁鑄件，一定要求液面加壓系統(tǒng)能夠急速升壓，保證補(bǔ)縮。在保溫爐坩堝液面上的實(shí)際壓力—時(shí)間參數(shù)就完全不是原來(lái)設(shè)定的最佳工藝參數(shù)，而且其重現(xiàn)性很差。諸如升液曲線一定是指保溫爐內(nèi)