大型薄壁筒体铸件的工艺设计与应用

大型薄壁筒体铸件的工艺设计与应用

近年来，我国陆军、高压开关企业及其关联企业对大型薄膜、准确、优质、高弹筒体材料的需求越来越多。如果他们有良好的气密性、高精度的尺寸和良好的力学，生产难度将显著增加。国内仅有少数企业使用差压铸造工艺进行生产,多数厂家在生产这类筒体铸件时普遍使用湿型砂进行造型制芯,对制好的型芯要进行烘烤,有的企业用湿型砂造型,芯子用树脂砂制成。由于砂型铸造的混砂量大,劳动强度高,操作较复杂,对工人的操作技术水平和劳动态度要求高,生产中易产生冲砂,气孔,夹渣,缩松,壁厚不均等铸造缺陷。另外,烘干的型芯落砂清理非常困难,清理时极易损伤铸件表面。针对筒体类铸件的砂型差压铸造工艺存在的操作复杂、工艺不稳定、劳动强度大、生产效率低、产生缺陷几率大、废品率高等问题,作者尝试了在差压铸造条件下进行金属型铸造工艺的设计和应用试验。1原油气体的结构特征和技术1.1铸件技术要求通过调研,作者决定对某厂急需的一种问题较多的大型薄壁筒体件进行金属型铸造工艺设计和应用试验。该件毛坯形状如图1所示,外径Φ390mm,内径Φ372mm,高度1400mm,内部有13条分布较均匀的厚度为5mm、宽度25mm的环状加强筋,还有Φ140mm凸台2个,Φ70mm凸台1个,Φ45mm和Φ37mm凸台各1个。铸件内表面不加工,材质为ZAlSi7Mg,毛坯重约60kg。技术要求:成分和力学性能符合CB1249-94要求;100%面积进行X光探伤,缩松、气孔、针孔、夹杂应符合航空有关标准一级;气密性要好,无渗漏;加工后,壁厚应控制在4.2+0.3mm,并且进行压力为4.5MPa的水压试验,保证不变形,无渗漏。1.2表面活性剂的选择为了很好地保证铸件壁厚均匀,须采用立浇方式,重点是保证制作尺寸精确,用圆度高的铝制芯盒,使芯子表面涂料平整光滑。对于成分和力学性能及进行4.5MPa水压试验时不变形的要求,主要通过改善铝液熔炼质量,利用金属型快速激冷和保证壁厚均匀等措施来满足。对内在缺陷的避免,一是改善铝液熔炼质量,二是设计合理的金属型工艺,使操作方便,浇注过程排气,避渣和补缩效果良好。2送料工艺和系统设计2.1多道对接立浇方法由工艺分析可知,这种高度较大的薄壁筒体件须采用立浇方式。对此,作者借鉴砂型铸造该类件的方法,采用多道缝隙浇道立浇方法。经过分析,缝隙浇道和集渣筒以及横浇道不能全部由金属形成,否则易造成铝液在充型时产生浇不足,开型取件和金属型装配困难。为了保证铝液顺利充型补缩,缝隙浇道,集渣筒和横浇道由树脂砂芯形成,安装到金属型内,这样既可保证铝液充型良好,又能使开型落砂取件变得容易。工艺简图如图2所示。2.2金属型对初始凝固的影响根据该件的直径和壁厚特点,作者坚持一是要保证缝隙浇道顺利充型补缩,液流尽可能分散,防止局部过热;二是尽可能减少缝隙浇道数量,提高出品率,便于操作的原则。缝隙浇道的数量可按下式确定:n=0.024c/b式中n——缝隙浇道个数b——缝隙浇道宽度c——铸件周长为了将缝隙浇道与铸件相交处的热节引向集渣筒,取b=1.5δ(δ为铸件壁厚),并且朝集渣筒方向制成喇叭形。由以上计算得知,n=2,但考虑到采用了金属型,降温快,必须分散液流进行充型,所以取n=4,4个缝隙浇道在铸件外间隔90°分布。该件为大型薄壁件,壁厚均匀,使用4个缝隙浇道,实现底注与顶注相结合。采用了金属型,铸件凝固冷却快,虽然铸件底部由于通过液流较多,型芯温度稍有升高,但铸件内部不会形成明显的温度梯度,加之铸件厚大部位,在芯子中使用冷铁,所以整个铸件接近于同时凝固。由于凝固补缩在厚大集渣筒向缝隙浇道与铸件相交处附近进行,对集渣筒的补缩由浇注系统来实现,要求做到充型后能及时增压,浇注系统内有足够未凝固的金属液,因此设计浇注系统的形状时,使横浇道为变形的工字形(图3)。液流从升液管进入两条横浇道,再分别进入4个集渣筒,然后通过缝隙浇道进入铸型。从升液管到任意一个集渣筒,使F升>F横>F集,比例为:4F升∶2F横∶F集=3.5∶1.5∶1,F升∶F横∶F集=1.2∶1∶1.4,针对此件,具体尺寸为,升液管直径110mm,横浇道截面积60mm×70mm,集渣筒直径60mm,浇注系统增加横浇道长度,既能保证液流从横浇道进入集渣筒,流速减慢,平稳,又能保证凝固顺序是从集渣筒→横浇道→升液管。如果保压时间控制得当,卸压后,横浇道靠近集渣筒的半段凝固成形,靠近升液管的半段铝液未凝固,流回坩埚。这种浇注系统既有利于实现补缩,又能防止升液管管口的凝结。3金属结构的设计3.1砂型工艺方案比选该铸件金属型在设计过程中,作者针对两种工艺方案进行了分析。一种类似于多数小型筒体铸件的对开式金属型,由于高度尺寸大,整个金属型分成上、下两段,每段分成左右两个半型。装配时,从下向上分块起吊装配,起吊只要垂直平稳,则不易碰坏砂芯。但由于每段高度尺寸较大,集渣筒砂芯高度也必须加大,使制作困难,每段左右型合好夹紧后,才能放砂芯,令操作复杂,配型时间长。另一种类似于砂型,将金属型上、下分成3段,每段合箱时左右不分开,采用砂型合箱时的套圈法进行合箱。该方法可预先将砂芯安放在金属型上,合箱时只需套圈而已,合箱速度快,操作简单。但由于壁厚尺寸小,合箱时稍有摆动,极易损坏砂芯。经过仔细分析,加上积累的砂型生产经验,作者认为第二种方案在操作方便和生产效率两方面均优于第一种方案,故决定采用第二种方案。但第二种方案也存在一些问题,如浇注后金属型与铸件接触过紧密,摩擦力大,造成开型取件困难。对此,作者又借鉴第一种方案的优点,将每段金属型左右分开,在合箱前用螺栓紧固,使成为一个整体,在开型取件时,再将螺栓松开,令左右型张开一定距离,与铸件分开,从而吊出金属型,具体结构如图4所示。3.2进行套圈式合箱先将顶杆螺栓3向外退,向里旋紧螺母6,使左右半型合拢夹紧,集渣筒砂芯5安放好,(做成上大下小的锥形),金属型烘烤后,如砂型一样进行套圈式合箱。浇注后开箱时,锁紧螺母6向外退,顶杆螺栓3向里旋进,将左右半型顶开,左右半型在导向螺杆牵引下,金属型与铸件分开一定距离,金属型便可方便起吊。3.3止口间隙无控制(1)每层金属型之间的密封定位止口须处理成图5所示的结构,否则上层金属型开型时无法顶开,同时避免左型移动而右型不移动的缺陷,即左型后退顶到下型外止口处不再后退,随顶杆螺栓3继续旋进,右型开始后退,使左右型均与铸件离开形成间隙,一般止口间隙取5～8mm。(2)导向锁紧螺栓在左右型上的垂直度要良好,导向锁紧螺栓与左型、顶杆螺栓及右型的间隙要合适,防止金属型受热后,发生不均匀膨胀而夹紧,造成不能正常工作。左右半型开型合型时,两边要同时进行,以保持平行。(3)主芯必须与底板保持良好的垂直度,金属型合好后也必须与底板保持很好的垂直度,否则合箱时易损坏芯子,浇注后造成铸件壁厚不均。4砂型铸造的技术比较使用该套金属型进行试生产,生产工序如图6所示。结果表明,生产工序简化,工时下降,避免了大量混制型砂和造型工序,各工序所用时间都有较大幅度缩短。经过对比试验,金属型准备时间是砂型混砂造型时间的1/5～1/4,烘烤时间是砂型烘烤时间的1/2左右,配型时间是砂型配型时间的1/3～1/2,在配型过程中,基本不出现意外情况,也不用像砂型那样每层砂箱之间都要采用严格的密封措施进行密封。操作人员也可以减少至砂型生产时人数的1/3～1/2,铸件落砂清理容易,工作量较小。使用金属型生产,工艺稳定,人为因素影响少,操作简便,对工人操作技术水平要求不高,基本上避免了砂型生产中易出现的冲砂、错型、跑火、壁厚不均等缺陷。再配合以合适的升液、充型、保压增压等工艺参数和合理的铝液熔炼过滤净化技术,铸件成品率较砂型提高很多。制造金属型和集渣筒芯盒的费用和生产时间只与砂型铸造中使用的砂箱的制造费用和时间基本相当,节省了制作金属模样的费用和时间,因而经济性较好。经过几次试制,开始生产的两件铸件毛坯外表面出现个别裂纹缺陷。经过增加裂纹部位的冷却速度,提高砂芯退让性,以后生产的几件没有出现上述问题。另外,对于使用锑(Sb)长效变质剂的Al-Si类合金来说,金属型传热快,铸件冷却凝固速度加快,更能发挥Sb的变质细化作用,使晶粒更细小,组织更致密,经100