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大型鋁合金曲面鑄件的鑄造工藝設計

發布者:東固模具
11-11
2019

與鋼鐵材料相比較,鋁合金的質量密度小,越來越受到人們的青睞,特別是在汽車、飛機、輪船上,其用量越來越大。常用的鋁合金鑄件一般為幾kg到幾拾kg,目前有大型化趨勢。由于鋁合金在高溫下易氧化,其鑄造特性也不同于黑色金屬,大型鋁合金鑄件的鑄造工藝有待于進一步開發。筆者以大型鋁合金曲面鑄件為例,說明厚大型鋁合金鑄件的工藝設計。

一、大型鋁合金曲面鑄件的結構特點及工藝難點

曲面鑄件輪廓尺寸為2622mmX1200mmX300mm,較小壁厚32mm,筋厚40mm,四周法蘭厚94mm,材質為ZL114 A合金,凈重1100kg,其形狀和鑄造工藝。該鑄件下部有28個φ120mm的圓柱形柱腳,柱腳位于井字形筋的交結點上。該曲面鑄件的顯著特點是結構厚大,鑄造工藝的一個技術難點是解決厚大部位容易出現的縮松、縮孔問題。澆注該曲面鑄件約需1500kg鋁液,大量鋁液在由澆包經澆口杯進入鑄型的過程中,會產生大量的二次氧化渣,如何去除氧化渣是個技術難點。在澆注過程中,曲面鑄件上部設置多個大型補縮明冒口,大型鋁冒口的切割是第三個技術難點。曲面鑄件在長度方向上為非對稱結構,在鑄件凝固時,變形應力很大,如何防止變形是第四個技術難點。另外,這種鑄件澆注后的浮箱力也很大,防止浮箱、漲箱也是不可忽視的問題。

二、鑄造工藝設計

由于大型曲面鑄件型體較大,結構較復雜,故采用強度較高的呋喃改性酚醛樹脂砂制造型芯,采用組芯造型。鑄型分上下兩型,中間有36塊砂芯,砂芯通過氣眼向下型排氣。

(φ120mm),這些部位不允許有縮松、縮孔缺陷,內部組織要求致密,故在工藝設計時,將其放在下部,曲面在上造型。在澆注時,將鑄型遠離直澆道的一頭墊起15°,以確保鋁液充型平穩和排氣。

1.澆注系統

擴張式澆注系統的優點是金屬液在橫澆道和內澆道中的流速較慢,充型平穩,不易產生紊流,可以防止夾渣和吸氣。

2.冒口與冷鐵

由于曲面鑄件下部有28個φ120mm的高度不等的圓柱形柱腳,要保證鑄件從上到下組織致密,無縮松,縮孔缺陷,只在曲面鑄件上部設冒口,下部設外冷鐵是不夠的,不能解決中間段的補縮問題。因此,在圓柱體的中段要設置與鑄件材質相同的內冷鐵,即用φ30mm的ZL114 A鋁棒作內冷鐵,從柱腳高的2/3高度向下放置。作為內冷鐵的鋁棒,在使用前需經噴砂和烘干處理,在組型時固定于下型上,以防在澆注時浮起。

對于壁厚超過32mm的曲面部位,為了防止出現軸向縮松,在每個井字形筋中間曲面下部的方形砂芯上端設置1塊外冷鐵,與頂冒口配合可以建立局部冷鐵一冒口的順序凝固。頂冒口為明冒口,在鑄件四周厚94mm的法蘭上設計長方形截面冒口,在井字形筋的交點上設計圓形截面冒口,冒口模數設計為冒口根部模數的1.2~1.5倍,而冒口根部模數為鑄件該處熱節模數的1.2~1.5倍。42個冒口一律采用保溫冒口。

冒口的切割是生產中的一大難題,因為在用火焰切割的過程中會產生大量的氧化渣,切割難度很大。故在工藝設計時采用了易割冒口措施,即在冒口根部放置一過濾網,冒口和過濾網四周用樹脂砂封固,在清理時只要用一重物撞擊冒口,即可將其。

3.合金的熔煉與凈化

澆注合金為ZL114 A鋁合金,采用1.5t的大型熔鋁爐熔煉,并用CaCh和氫氣聯合精煉技術處理,用三元變質劑作變質處理后,于735℃出爐澆注。

由于高溫鋁液與空氣接觸極易氧化而形成Y-Al2O3氧化渣,其密度為3.47g/cm3,單純靠澆注系統的重力分離法是很難去除的。何況在澆注時,高溫鋁液與空氣直接接觸并卷入大量氣體,都可以使鋁液形成二次氧化渣。為了確保鑄件的力學性能,在高溫鋁液進入型腔之前,進行過濾凈化處理。因此,在工藝設計時,在直澆道與橫澆道交接處放置泡沫陶瓷過濾片。為了在過濾片處不影響金屬液流量,將直澆道與橫澆道交接處的澆道截面積擴大為原橫澆道面積的8倍,單個過濾片的過濾面積同樣也為原橫澆道面積的8倍。

4鑄型的緊固

在大型鑄件,特別是具有大平面鑄件的鑄造過程電浮箱力和脹箱力是不容忽視的,否則輕者跑火,重則使鑄件報廢。

鑄型的上型重約2t,所以要有大于10.7t重的壓箱力才能保證不出現浮箱。實際上由于有明冒口的作用,所需壓箱力要小于10.7t。為了提高明冒口的補縮效果,澆注后需要用溫度較高的鋁液點澆冒口。如果壓箱物太多,會影響點澆冒口操作。因此,研究設計了如下解決浮箱問題的措施。即,芯骨采用100#槽鋼焊接成具有足夠強度的骨架,制芯合型后,在鑄型四周挖開10處,使其露出部分芯骨,將上下型芯骨焊接成一體。這樣,即使不圍箱,不壓箱,也可以保證在澆注過程中不浮箱,不脹箱。澆注3天后打箱,使應力緩慢釋放,可以防止變形。

用上述鑄造工藝澆注了6件ZL114 A曲面鑄件,經過清理、劃線、局部探傷檢查和機械加工,全部符合設計和使用要求,在裝機運行中未發現任何缺陷,說明工藝設計合理、適用。在大型鋁合金曲面鑄件的鑄造過程中,①采用泡沫陶瓷過濾片去除澆注過程中產生的二次氧化渣,解決了大型鋁合金鑄件的夾渣問題;②采取內冷鐵、外冷鐵及冒口的合理配合使用的措施,解決了厚大鋁鑄件縮松、縮孔問題;③采用易割冒口措施,縮短了清鏟時間,提高了生產效率,為大型鋁鑄件生產積累了經驗。


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