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        大型油底殼半金屬型鑄造工藝

        2015-11-16 06:05:32陳家木夏貴光劉海軍樊小敏
        金屬加工(熱加工) 2015年19期
        關(guān)鍵詞:板狀底殼鋁液

        ■ 陳家木,夏貴光,劉海軍,樊小敏

        我公司為某合資發(fā)動機企業(yè)開發(fā)的一種大型油底殼,外形尺寸1000mm×340mm×300mm,材質(zhì)為AC2B,產(chǎn)品壁厚要求4~5mm,總重量約14kg,屬于典型的大平面結(jié)構(gòu)。該產(chǎn)品不允許存在縮孔、縮松、裂紋等缺陷,要求承受0.15MPa水壓試驗不得滲漏。

        1. 鑄件工藝分析

        該油底殼鑄件為大平面薄壁板狀結(jié)構(gòu),如圖1所示。鑄件外形結(jié)構(gòu)為階梯狀敞口結(jié)構(gòu),第一階梯高度110mm,第二階梯高度300mm,長度1000mm,寬度340mm。熱節(jié)大小為φ 25~φ30mm,主要分布在安裝法蘭面兩側(cè)油標孔位置。綜合訂單數(shù)量及產(chǎn)品對外觀及部分尺寸要求精度較高,只有采用金屬型才能滿足產(chǎn)品精度,同時可進行批量生產(chǎn)。

        2. 工藝方案確定

        為確保生產(chǎn)出合格鑄件,在材質(zhì)選取及工藝設(shè)計時進行了以下多方面考慮。

        (1)原有產(chǎn)品材質(zhì)要求為AC2 B,主要化學成分:wSi=5.0%~7.0% ,wCu=2.0%~4.0% ,其余為A l??估瓘姸圈襜≥15 0MPa,伸長率≥1%,硬度≥70HBW。該合金屬于亞共晶Al-Si-Cu系合金,屬于寬結(jié)晶范圍合金,傾向于體積凝固。其液態(tài)金屬過冷度小,容易形成分散性的縮孔及熱裂缺陷,不適于金屬型重力鑄造深型腔薄壁鑄件。通過與客戶溝通,最終選定材質(zhì)Al Si10Mg,該材質(zhì)主要化學成分:wSi=9.0%~10.5% ,wMg=0.15%~0.4%,其余為Al??估瓘姸圈襜≥170MPa,伸長率≥4%,硬度≥62HBW,在滿足原有材料力學性能情況下,材質(zhì)接近共晶成分,結(jié)晶溫度范圍較窄,不含Cu,傾向于順序凝固,液態(tài)凝固中體積收縮時,可以不斷得到液體的補充,產(chǎn)生分散性縮松的傾向小,產(chǎn)生熱裂傾向也小,更適宜薄壁零件生產(chǎn)。

        (2)大平面薄壁板狀結(jié)構(gòu)鑄件使用金屬型生產(chǎn)時極易產(chǎn)生縮裂、澆不足、氣嗆等缺陷。究其原因主要是因為:鋁合金受阻收縮率達到0.8%~1.0%,長度方向尺寸變化大,而金屬型在鑄造時,由于鑄型或型芯材料沒有退讓性,如果鑄件凝固基本完成,此時應力大于合金抗拉強度而產(chǎn)生裂紋。由于金屬型不像砂芯那樣透氣,在鑄型形成氣阻,使合金液體不能充滿而造成澆不足或氣嗆。為解決此類問題,我們開創(chuàng)性地采用半金屬型鑄造,即外型采用金屬型鑄造,保證鑄件精度及生產(chǎn)效率,內(nèi)腔采用覆膜砂砂芯取代上模,利用砂芯的退讓性和透氣性解決大型薄壁板狀結(jié)構(gòu)鑄件在金屬型鑄造中易出現(xiàn)的問題。

        圖1 油底殼鑄件結(jié)構(gòu)

        (3)為簡化金屬型并實現(xiàn)順序凝固的目的,采用頂注式澆注系統(tǒng),考慮到鋁液充型順暢和鑄件結(jié)構(gòu),決定從安裝法蘭面兩短邊引入澆道,安裝面周邊熱節(jié)設(shè)置冒口。兩游標孔通過設(shè)置帶有補縮通道的小砂芯實現(xiàn)補縮。

        最終確定的工藝方案如圖2所示。

        3. 工藝改進措施

        按圖2的方案進行小批量生產(chǎn)后,經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)鑄件尺寸均符合精度要求且穩(wěn)定,鑄件無縮裂、澆不足等缺陷。但是在B面易出現(xiàn)鋁液氧化夾渣,試壓滲漏率高達70%以上。鑄件內(nèi)腔易出現(xiàn)氣嗆凹陷缺陷,影響產(chǎn)品外觀。

        通過分析認為,頂注式澆注系統(tǒng)充型不平穩(wěn),易引起沖擊和飛濺,使鑄件產(chǎn)生氣孔和氧化夾渣等缺陷,不宜生產(chǎn)高度在200mm以上的鑄件。同時由于覆膜砂透氣性不足,不能及時逸出型腔內(nèi)氣體和覆膜砂砂芯受熱時產(chǎn)生的氣體,導致內(nèi)腔表面出現(xiàn)氣嗆缺陷。為此采取以下針對性措施。

        (1) 由于半金屬型鑄造和頂注式澆注方式為最佳工藝方式,只有從澆注工藝上考慮改善氧化夾渣缺陷。通過分析鑄件結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),A面澆注系統(tǒng)落差有110mm,B面澆注系統(tǒng)鋁液落差有3 0 0m m,為此制訂差步澆注法工藝即:先從A面內(nèi)澆道澆注10~15s,使B面深腔鋁液上升到120~150mm,再從B面和A面同時進行澆注,如此可以將B面澆注系統(tǒng)鋁液落差降低到200mm以下,從而減少氧化夾渣傾向。

        (2) 更改砂芯結(jié)構(gòu),在覆膜砂芯盒上密集均勻地設(shè)置排氣針,使得覆膜砂上均勻分布排氣針孔,澆注時型腔氣體和覆膜砂受熱產(chǎn)生的氣體一是通過排氣針孔可以快速逸出,二是來不及逸出的氣體也可以通過排氣針孔聚集,解決了鑄件內(nèi)表面氣嗆問題。該措施如圖3 所示。

        實施后,鑄件氧化夾渣現(xiàn)象得以消除,內(nèi)腔氣嗆現(xiàn)象得到解決,鑄件滲漏率降低到10%以下。但是由于排氣針孔存在,內(nèi)腔出現(xiàn)很多突起,需要人工打磨后經(jīng)噴丸等表面處理予以消除。處理后鑄件如圖4所示,達到了產(chǎn)品質(zhì)量要求。

        圖2 油底殼工藝方案

        圖3 覆膜砂砂芯改進后示意

        圖4 處理后鑄件

        4. 結(jié)語

        (1)對于大平面薄壁板狀結(jié)構(gòu)鑄件,采用金屬型工藝生產(chǎn)時,應充分認識到由于鋁合金凝固收縮時產(chǎn)生的熱裂傾向并制訂有效措施避免熱裂現(xiàn)象發(fā)生,利用覆膜砂的退讓性代替部分金屬型型芯,可以有效解決此類問題。

        (2)大平面薄壁板狀結(jié)構(gòu)鑄件在材質(zhì)選擇上,應盡量選擇接近共晶成分、結(jié)晶溫度范圍窄、傾向于順序凝固以及熱裂傾向小的材質(zhì),通過控制溫度梯度,使鑄件在凝固過程中能持續(xù)得到補縮。

        (3)大平面薄壁板狀結(jié)構(gòu)鑄件如果充型距離較長,采用雙澆口或者多澆口是一種有效的防止冷隔的工藝方法。

        (4)大平面薄壁板狀結(jié)構(gòu)鑄件,凝固過程中易產(chǎn)生氣嗆缺陷,因此需要在模具設(shè)計時充分考慮型腔排氣。

        [1]王文清,李魁盛.鑄造工藝學[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007:242-243.

        [2]田榮璋.鑄造鋁合金[M].長沙: 中南大學出版社,2006:344-347.

        [3]于順陽.現(xiàn)代鑄造設(shè)計與生產(chǎn)實用新工藝、新技術(shù)、新標準[M].北京:2013,當代中國出版社,742-743.

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