铝合金壳体铸造工艺的改进

铝合金壳体铸造工艺的改进

为了获得高质量的铝材料，长期以来，采用了低压铸造技术。在差压、低压铸造的基础之上又研究了真空差压铸造、调压铸造等多个工艺,同时也取得了一定的成绩。然而,这些成果大多偏重于理论研究和试验,而很少总结实践经验,这样一来,制约了铝合金壳体铸造的发展。铝合金壳体的形状大多不规则,比较难加工,加上铸造环境较差,但是铸件有较高的气密要求,需要经过多次的气密、液压检查以及X射线探伤等。如果铝合金铸件在铸造过程中任一环节出现失误,都会造成铸件的报废,不仅浪费了资源,而且还影响生产效益。本文结合铝合金壳体结构特点,总结在铸造过程中经常遇到的缺陷,并且提出改进工艺。1铸件形状分析某铝合金壳体铸件为砂型铸造件,轮廓尺寸小于300mm,壳体形状不规则,表面有多条筋以及凸台,壳体内部上下开口位置有多个拐角,铸件整体形状为筒状结构,并且有两个大小不一的圆筒,在连接位置有凸耳等,大筒的大端比较直,一头有弯曲,同时尺寸相对较长,还附带有细长圆筒以及凸台,小筒的尺寸相对比较短,有着较厚的凸台,两圆筒之间的圆柱面壁的厚度相对较均匀,如图1所示。该铝合金铸件的铸造性能如表1所示。2在洛阳壳体的制造中2.1u2004铸造工艺从铝合金壳体结构来看,壳体的尺寸较大,壁厚不均匀,同时热节点比较多,并且在壳体上有拐弯空腔,两圆筒与另一端面比较大,加上有许多的小凸台,使得铸件较为复杂。在铸造过程中对铸造技术要求较高,并且在铸造完成之后,应进行3.5MPa的液压试验以及100%的X射线检查,及时发现铸件的孔洞缺陷,采取相应措施。该铝合金铸件的生产流程主要包括:来料、切边、清理、机加工、清洗以及装配等,不仅依靠相关标准来控制铸件的产品质量,同时还应在熔炼过程中,将温度控制在710~740℃,并且还应注意除氢的控制。2.2针孔缺陷产生的原因(1)铝合金铸件在铸造过程中,疏松是较为常见的缺陷,这主要是因为液态金属在凝固的时候伴随着体收缩以及线收缩所造成的,若工艺设计以及操作不当都会造成铸件疏松。(2)采用差压铸造工艺时,金属液是在压力下充型,并且在压力下结晶,氢在铝液中的溶解度就会加大,在压力下极易提高金属凝固速度,就会使针孔变小。但是在实际操作中若工艺以及操作过程控制不当都会造成一定针孔缺陷,影响铸件质量。(3)铸件在进行X射线检查时,会出现不同的气孔,容易造成应力集中进而降低铸件局部力学性能,导致渗透,漏气等现象,尤其是在机械加工后气孔缺陷外露,就无法进行返修,最终导致铸件报废。(4)掉砂也是铸件在铸造过程中容易出现的缺陷;铝合金壳体铸件的内腔为铸造毛坯面,而外面需要进行机械加工,铸件内腔的质量就决定着铸件的质量;最后,壳体铸件也会发生变形。(5)跑火也是差压铸件中常发生的问题,当发生跑火之后,不仅铸件造成报废,同时金属液还堵在铸件内,不易排出,维修更加的困难。本次所列举的某铝合金铸件形成缺陷的原因为:大筒面积较大,长度较长,同时还带有凸台,内部树脂砂芯气体不易排除,圆筒面内就容易产生气孔;小凸台的大端面也有着较厚的部位,端面必须放置冒口,这样也容易产生气孔;两筒面的连接位置若不放置冒口则形成气孔,若放置冒口则会将型腔以及芯子产生的气体引到该位置,也会导致气孔。3艺实施的难点基于以上,根据以往铸件产品的生产经验,总结出铸造工艺实施的两大难点为:(1)壳体尺寸精度;(2)内部质量的控制。对此,确定合理的工艺参数是保证铸件质量的首要条件,进而对铸造工艺进行改进,从以下几方面着手。3.1金属芯盒及芯盒对加工精度的控制铸件尺寸的精度直接受到工装的精度影响,因此,为了能够保证铸件尺寸的精度,壳体生产设计时特地制作了专用的金属外模以及金属芯盒,同时将芯子与外型之间的尺寸偏差控制在最小范围之内。进行外模设计时,将外模直接固定在造型板上,最大限度地减少分箱,进而在底板上分两次造出。3.2砂制芯的确定某铸件总共有3个砂芯,都采用树脂砂制成。固化剂采用磷酸,其中配比(质量分数)为100%原砂,磷酸占到树脂质量的30%~55%,树脂占到原砂质量的1.6%~2.5%。混砂方法采用的是单砂双混法:将混制的原砂加入到碾内,加入一定的固化剂,开始混制1min,再加入树脂,再次混制1min,最终出砂制芯。在制芯的过程中对砂芯的排气系统进行合理布置,在芯子的内部形成贯通的通气管道,另外,在无法扎通气孔的位置放入金属网,与主通气孔相连接进而形成通气管道,这样一来,有利于排出气体,减少砂芯的发气量,如图2所示。3.3中小型样品壳内收缩加工工艺铸件在凝固的过程中会产生线收缩,因此,在制定铸造工艺时就应放缩尺进而满足铸件尺寸要求。尤其是对于该壳体来讲,收缩值之间的差距最大限度控制在0.1%内,内控尺寸误差控制在0.5mm,同时总结以往经验,结合该壳体的工艺特点,最后确定内腔直径方向取0.6%,外径取1.3%以及高度方向取0.8%的收缩率。并且在实践生产中,已经得到充分证实,该收缩率是合理的。3.4加工余量的控制该铝合金壳体内腔不加工,外圆需要切削,在工艺上应尽量加大余量,尤其是对于较大的铝合金造型,更应对加工余量进行严格控制。需要注意的是,当加工余量增大之后,就会导致壁厚增厚,增大热节,容易导致缩孔或者缩松等。因此,在工装设计时,应最大限度使外模与底板之间,砂箱与底板之间,都采用定位销配合定位,将壳体的加工余量减少到3mm。这样一来,不仅能够确保铸件的性能以及耐压能力,而且还能够提高铸件的内在质量,最终确保生产工艺的顺利进行。3.5g软件分析铝合金铸件模具在前期设计阶段应用AnyCasting软件进行合理分析,对铸件凝固过程进行数值模拟,进而预测缺陷区域,及时采取措施对其进行解决。这样以来,有较合理的模具也就能够设计出高质量的产品铸件。3.6浇注温度设计设置合理的浇注系统,应综合考虑铸件结构的大小。某铝合金铸件结构较大,要想使金属液尽快浇满,同时也避免浇口过热,遵循循序凝固的原则,使铝合金在浇注系统内由内浇道、直浇道、横浇道到连接升液管口的直浇道顺序凝固,如图3(a)所示。壳体的浇注温度设定在(726±20)℃,通过此种设计确保铸件补缩通道顺畅,及时传递压力,充分发挥差压铸造压力补缩的优势。该铸件设置4个冒口,都是在芯头处紧贴铸件,这就能够使金属液以及砂芯内部的气体从冒口排出。另外,在较大以及厚的位置放置冷铁,冷铁在消除热节、减少缩松方面,具有较好的效果,另外,还设置了专用型冷铁,有利于加速冷却,防治缩松等,在实践中有较好效果。如图3(b)所示。3.7次氧夹渣充填为了能够满足该铸件的压力要求,将壳体的浇注温度设定为650℃左右,同时将升压速率设定在1.4kPa/s。通过该设计基本能够让金属液体在平稳的压力状态下充填,最终防止飞溅导致的二次氧化夹渣的冲刷。另外,金属液的质量对铸件的疏松有着较大影响,若金属液质量较差时,其氧化夹杂量就多,导致金属液的粘度加大,这样不利于铸件的补缩,并且相邻的氧化膜会形成初期裂纹,在这些区域相对形成微疏松等。因此,在炉料的选择上应尽量使用高纯净度的原材料,杜绝使用坩埚最底部的炉底水回收,在此过程中减少金属液的搅动,最大限度排渣以及除气。3.8合炉之后二次精制工艺为了防止针孔、气孔以及夹渣的产生,在该铝合金铸件的铸造过程中进行了二次精炼。也就是合金出炉前精炼一次,合炉之后在浇注之前再进行二次精炼;在工艺的设计上,为防止夹渣,采用了三次过滤:(1)将纤维过滤网放在升液管口位置达到过滤目的;(2)将陶瓷过滤网安放在横浇口位置进行过滤;(3)将双层纤维过滤网放在缝隙口端以及横浇口位置。通过这三种过滤方式,在很大程度上能够避免铸件夹渣的产生。3.9砂箱与升液管之间的控制预防跑火。分为两类,一类是铸型跑火,一类是升液管跑火。对于铸型跑火主要是因为分型面不平整,采用封箱膏或者石棉绳对其密封不严所致。同时砂型吃砂量以及砂型裂纹都会影响铸型强度。因此,在造型时应保留足够的吃砂量,从而满足铸型的强度,另外在扣箱时应认真检查,对补型腔和分型面进行修补,充分保证不跑火的条件下才能够合箱浇注。对于升液管跑火问题,主要是因为砂箱底面不平整或直浇道与管口偏差过大会导致密封不严而跑火。因此,在扣箱之前应认真检查砂箱底部,将凹坑以及高点抹平,采用涂料将修复部位进行修复,最大限度密封严实。在扣箱时也应仔细观察,进一步保证直浇道与升液管口对正。另外,铸型自重小于抬箱力也会造成液管口部位跑火,鉴于此种原因,在浇注时将铁放在砂箱上或者采用工装将砂箱固定在中隔板上。通过以上措施,防止跑火。3.10u2004试验精车通过工艺改进,在切除浇注系统之后,进行热处理,再进行X光探伤,进行精车,经过耐压性能实验,铝合金壳体均通过考核,并且质量优良,