铝合金砂型低压铸造浇注系统的选择与设计

1、热加工工艺2013年3月第42卷第5期铝合金砂型低压铸造浇注系统的选择与设计佘瑞平,赵拴勃,千斌,段昭,曲媛(中船重工第十二研究所,陕西兴平713102摘要:低压铸造是目前获得优质铝合金铸件的有力手段之一。本文立足于低压铸造生产实践经验,结合低压铸造原理,对不同结构、材质(糊状凝固或顺序凝固模式类型的铝合金铸件砂型低压铸造浇注系统的选择与设计进行了系统的归纳和总结。实践证明,所归纳总结的结果对铝合金低压铸造工艺设计具有一定参考作用。关键词:低压铸造;浇注系统;选择与设计中图分类号:TG292;TG249.2文献标识码:A文章编号:1001-3814(201305-0041-03Choice a

2、nd Design of Gating System of Sand Mold Low-pressureCasting for Aluminum AlloySHE Ruiping,ZHAO Shuanbo,QIAN Bin,DUAN Zhao ,QU Yuan(CSIC No.12Research Institute,Xingping 713102,ChinaAbstract :The low-pressure foundry is one of the emollient means for acquiring a high-quality aluminum alloy castings c

3、urrently.Based on fulfillment experience of casting production at the low pressure and combining low pressure casting principle.The choice and design of the aluminum alloy castings with different structures,and different material (paste form solidify or in proper order solidify modestructure and san

4、d type for the low-pressure foundry system were summaried.The research results have singificant effects on the design of aluminum alloy low-pressure casting processKey words :low-pressure casting;gating system;choice and design收稿日期:2012-11-06作者简介:佘瑞平(1981-,男,陕西商洛人,工程师,本科,主要从事铸造工艺设计及研究;电话:029-*;低压铸造是

5、反重力铸造之一,其与重力铸造的区别在于补缩压力是人为施加的压力,其方向与重力方向相反,且进入型腔的金属液本身的重力是外力补缩的一种阻力。因此低压铸造的浇注系统设计与重力铸造的浇注系统设计不同且尤为重要。本文将立足于低压铸造工艺设计与生产实践经验,根据铸件结构及材质特点(主要以ZL205A 及ZL101A 两种材质为对比,并结合低压铸造原理,对铝合金砂型低压铸造浇注系统的选择及设计进行归纳和总结。1低压铸造基本原理低压铸造是把反重力铸造的充型原理和铸件在压力条件下结晶原理相结合的一种成型工艺方法。其工作原理图如图1所示:给密封的下罐中充入干燥的压缩空气,使型腔与下罐之间产生压力差P 。金属液将在

6、P 的驱动之下平稳进入型腔,当型腔充满即压力差达到P 2(P 充型之后待与型壁接触的金属液已出现固态薄膜时再迅速的给下罐中继续注入压缩空气,使下罐与型腔中的压力差再增加P 3(P 结晶,压力差迅速跃升至P 4(P 4=P 2+P 3,使金属液在P 4的压缩作用下完成凝固和补缩,从而获得高品质的铸件,该压力变化过程如图2所示。2筒体类铸件低压铸造浇注系统设计筒体(类筒体类零件的低压铸造工艺是目前生1-金属液2-升液管3-坩埚4-中隔板5-浇道6-型腔7-铸型8-下罐12345678图1低压铸造工作原理简图Fig.1Sketch plan for low-pressure casting prin

7、ciple升液时间时间充型结晶增压时间结晶保压时间时间t压差P图2低压铸造压力变化曲线简图Fig.2Curve of low pressure casts pressure variety结壳时间结晶压力P 3升液压力P 1充型压力P 241Hot Working Technology 2013,Vol.42,No.5产当中最常见且最为成熟的工艺之一。筒体件低压铸造多采用底注式浇注系统或垂直缝隙式浇注系统。2.1底注式浇注系统的选择与设计底注式浇注系统与垂直缝隙式浇注系统相比,生产中便于操作,相对工艺出品率较更高。但其在生产中因受到铸件高度、材质等因素的影响而具有一定的局限性。如图3所示,铝液

8、充满型腔后开始凝固,由于铝液与型壁之间产生热交换,因此进入型腔中的铝液的固相率自上而下、自型壁至型腔中心都是逐渐降低的。当型腔低于某一范围时,内浇口与型腔相通部位的固相率相对较低,铝液流动性尚好,如此则人为施加的结晶压力可以挤压浇道中的铝液继续补充型腔中因铝液凝固收缩所形成的空缺,从而避免缩孔、缩松的产生。反之,当型腔高于某一范围时,内浇口与型腔相通部位的固相率相对较高甚至于已经凝固,铝液流动性较差,而型腔中的局部区域尚未完全凝固,如此则人为施加的结晶压力将无法挤压浇道中的铝液继续补充型腔中因铝液凝固收缩所形成的空缺,从而导致缩孔、缩松的产生。因此,适于采用底注式浇注系统的筒体高度的确定以及内

9、浇口的设计就尤为重要。根据实践总结认为,不同的铸件材质及壁厚条件下,适用于采用底注式浇注系统的筒体高度也有所不同。表1为两种典型的不同凝固模式铝合金筒体件在不同壁厚条件下适于采用底注式浇注系统的筒体高度,可供参考。(1形状设计。内浇口的截面一般为梯形,如图4所示。(2尺寸设计。浇注系统的尺寸与零件壁厚相关。通常可由下列经验公式计算。H =D =0.8-0.9壁厚(1L =2.5-3.0H (2=5°10°(3式中:H 为内浇口高度;D 为内浇口宽度;L 为内交口长度;为梯形截面斜度。(3数量设计。内浇口间距为150200mm 即可,数量可根据铸件底面可设置内浇口的面积或周长

10、均布即可。为避免内浇口过热,内浇口数量可在位置许可条件下尽量加多。2.2垂直缝隙式浇注系统的设计通常,当筒体铸件高度大于200mm 时多采用缝隙式浇注系统。图5为缝隙式浇注系统截面简图,其具体尺寸需根据铸件壁厚、材质进行设计。通常,缝隙及立筒尺寸可按式(4、(5进行设计:缝隙=(0.91.3铸件(4准立筒=(1.52.5缝隙(5式中:为厚度;准为直径。立筒数量根据筒体直径大小而定,一般保证间距在200300mm 即可;其数量可由式(6计算。N =D /(150200mm(6式中:N 为立筒数量;D 为筒体直径。当材质不同时立筒数量也不同。材质为横浇道的设计HDL图4底注式浇注系统内浇口截面图F

11、ig.4Sectional drawing of ingate under bottom pouringsystem准立筒缝隙壁厚/mm 1010202030305050材质铸件最大高度/mmZL205A ZL101A100250150250200300150300150400表1不同凝固模式及壁厚铝合金筒体件适于底注式浇注系统的筒体高度Tab.1Cylinder height of pouring system of castings with botton pouring under different solidification mode andwall-thickness图3底注时型

12、腔中固相率图Fig.3Solid phase rate diagramin chamber under bottompouring铸型缩孔易生区内浇道直浇道图5缝隙式浇注系统截面简图Fig.5Sectional drawing of slittype pouring system42热加工工艺2013年3月第42卷第5期 (上接第40页护效果;而且与氧浓度有关,氧气浓度太高或太低也不利于保护效果。3结论(1硫铁矿在开放式熔炼环境中对镁合金有保护效果。(2硫铁矿粒度对保护效果有影响。随着硫铁矿粒度的减小,分解的保护气体含量增加,保护效果在加强,但当粒度减小到一定程度时,由于硫铁矿颗粒流态化的影响

13、,又降低保护效果。(3空气含量也影响着镁合金的保护效果。随着空气含量的降低,保护效果加强,但当空气含量小于25%时,保护效果开始减弱。参考文献:1陈振华,严红革,陈吉华,等.镁合金M.北京:化学工业出版社,2004.2黄晓锋,周宏,何镇明.镁合金的防燃研究及其进展J.中国有色金属学报,2000,10(1:271-274.3赵宇,刘盼盼,周宏.熔剂熔炼AM60B 镁合金中的夹杂物J.铸造,2006,55(10:1085-1087.4翟春泉,丁文江,徐小平,等.新型无公害镁合金熔剂的研制J.特种铸造及有色合金,1997,(4:48-49.5穆彦青,靳玉春,黄志伟,等.镁合金无熔剂熔炼防燃净化技术研

14、究进展J.热加工工艺,2011,40(11:21-25.6Scott Bartos ,Curtis Laush ,Jeremy Scharfenberg ,et al .Reduc ing greenhouse gas emissions from magnesium die casting J.Journal of Cleaner Production,2007,(15:979-987.7刘晓龙.镁合金熔炼F 基气体保护机制的研究D.北京:清华大学,2006.8Stephn C .Conserving SF6in Mg melting operation J.Foundry Manageme

15、nt and Technology,1998,(6:39-49.9马瑛.无机物工艺M.北京:化学工业出版社,2006.10王先飞,熊守美.熔态AZ91D 合金在含SO 2的保护气氛中的保护膜特征J.金属学报,2010,46(12:1529-1533.低压铸造无论采用底注式或缝隙式浇注系统,其结构及尺寸设计并无大的不同。其结构大多为环形或以铸件结构随形设计,它是作金属液及补缩压力的传输通道,因此必须保证它晚于铸件及内浇口凝固,以保证补缩金属液及压力的传输通畅,即保证横浇道厚度横浇道>内浇口厚度内浇道>铸件壁厚铸件。3薄壁结构件或异型件低压铸造浇注系统的设计薄壁结构件或异型件低压铸造多

16、采用反雨淋式浇注系统,如图6所示。但是,低压铸造时的反雨淋浇注系统与普通铸造的反雨淋浇注系统有很大区别,其特点是:(1浇注系统的尺寸较大。低压铸造下,为实现由铸件到内浇口再到横浇道的顺序凝固模式,通常内浇口的厚度取铸件壁厚的1.21.5倍,横浇道的厚度取内浇口厚度的1.52倍,既横浇道>内浇道>铸件。(2铝液在升液管口进行过滤。重力铸造常将过滤网放置在横浇道的搭接位置,低压铸造时过滤网放置在升液管口和每个内浇口处。因为在低压铸造下,横浇道的挡渣能力已基本不存在,所以必须在内浇口部位放置过滤网,以防止铝液中的夹渣等物质进入型腔而造成缺陷。(3内浇口设置在铸件比较厚大的部位。这是为了保证最后凝固的厚大部位能在压力作用下通过更加厚大的内浇口获得补缩,从而避免厚大部位产生缩孔、缩松。4平板件低压铸造浇注系统的设计平板(类平板件低压铸造时也采用反雨淋浇注系统,其特点同前面所述薄壁结构件或异型件低压铸造浇注系统的设计一样。但在进行