薄壁殼型件的內(nèi)壓鑄造工藝及模具設(shè)計

來源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時間：2014-07-15 09:36:48點擊率：

　　鑄造是機械制造工業(yè)毛坯和零件的主要供應(yīng)者，在國民經(jīng)濟中占有極其重要的地位。鑄件在機械產(chǎn)品中所占的比例大，如內(nèi)燃機關(guān)鍵零件(8~9 種)

　　都是鑄件，占總質(zhì)量70%~90%，汽車中鑄件質(zhì)量占19%(轎車)~23%(卡車);機床、拖拉機、液壓泵、閥和通用機械中鑄件質(zhì)量占65%~80%;農(nóng)業(yè)機械中鑄件質(zhì)量占40%~70%。礦冶(鋼、鐵、非鐵合金)、能源(火、水、核電等)、海洋和航空航天等工業(yè)的重、大、難裝備中鑄件都占很大的比重和起重要的作用。鑄造技術(shù)在現(xiàn)代機械制造行業(yè)地位極為重要，因此我們要大力發(fā)展鑄造業(yè)。但鑄造業(yè)也有其固有的缺陷，如氣孔縮松、鑄造內(nèi)應(yīng)力、材料利用率低等問題一直困擾著該行業(yè)，為此熱加工專業(yè)人員進(jìn)行了長期的努力，解決了很多問題，并形成了很多鑄造方法，如壓力鑄造、消失模鑄造、陶瓷型鑄造、反重力鑄造等。但縱使有以上這么多的鑄造方法，卻還是不能滿足機械行業(yè)的發(fā)展要求。要在這方面有所突破，必須從兩個方面出發(fā)：新材料的研發(fā)、鑄造工藝過程的改進(jìn)。本文針對某廠家生產(chǎn)的一種薄壁殼型件在鑄造過程中容易產(chǎn)生氣孔、縮松和裂紋等缺陷，從鑄造工藝過程出發(fā)，專門設(shè)計了一套針對此鑄件的鑄造工藝，嘗試采用新的液態(tài)凝固成型方法。它是在金屬凝固的過程中，從鑄件內(nèi)部施加壓力，使鑄件基本上實現(xiàn)在均勻內(nèi)壓作用下的同步凝固，極大地減少了氣孔和縮松的缺陷，提高了鑄件的表面質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量，并減少澆道與冒口金屬液的消耗量，實現(xiàn)鑄造工藝的節(jié)能減排。

　　1 鑄件的材料及結(jié)構(gòu)

　　該鑄件所用的材料為ZL105。鑄件結(jié)構(gòu)如圖1，外形是空心筒形件，壁厚均勻為8 mm，內(nèi)部有一壁厚為6 mm 的加強筋，底部的凸臺厚度也為8 mm，鑄件總高度為110 mm，凸臺直徑為90 mm，筒的直徑為70 mm，棱角處全部為1 mm 的倒圓角。

　　2 模具設(shè)計

　　金屬型的結(jié)構(gòu)如圖2，模具選擇垂直分型，所以，左右兩個金屬型對稱。除根據(jù)鑄件工程尺寸及偏差外，還應(yīng)考慮到鑄件材質(zhì)從固相線到冷卻到室溫

　　的收縮率、涂料層的厚度、以及金屬型材料從室溫升至預(yù)熱溫度時的膨脹率?？砂垂?1)來計算：Ax=(AP+APK&pmn;δ)&pmn;ΔAx (1)式中，Ax為型腔尺寸，mm;AP為鑄件尺寸的中間值，mm;K 為綜合線收縮率，%;δ 為涂料厚度，mm;ΔAx為型腔尺寸制造公差。

　　金屬型外形尺寸設(shè)計為160 mm×160 mm，厚度為65 mm。型腔尺寸經(jīng)計算為：D=(90.9 &pmn; 0.3) mm;d= (70.9 &pmn;0.3) mm;H=(111.1 &pmn;0.3) mm;h=(9.1 &pmn;0.3)mm。

　　3 澆注系統(tǒng)的設(shè)計

澆注系統(tǒng)尺寸隨著鑄件材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及具體生產(chǎn)條件的不同而變化。計算澆注系統(tǒng)，主要是確定小截面積，然后按照經(jīng)驗比例確定其他組元的截面積。以伯努利方程為基礎(chǔ)推導(dǎo)換算成澆注系統(tǒng)的近似公式：

(2)式中，F(xiàn) 阻為澆注系統(tǒng) 小截面總面積，cm2;G 為流

　　經(jīng)F 阻截面的金屬液總重量，kg;u 為總流量損耗系數(shù);t 為澆注時間，s;Hp為平均靜壓力頭高度，cm。

　　通過計算得到F 阻=1.01 cm2，由澆注系統(tǒng)類型可知F 阻即為直澆道。

　　鋁合金澆注系統(tǒng)的尺寸按類似于鑄鐵件、鑄鋼件澆注系統(tǒng)的計算方法確定，但是這樣計算與實際澆注誤差較大。所以，生產(chǎn)中常用各種經(jīng)驗建立的表格進(jìn)行查找。本設(shè)計中的鑄件可根據(jù)鑄件重量與內(nèi)澆道截面積的關(guān)系建立經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。

　　由《鑄造手冊》[9]表3-170 查得直澆道總截面積為1.5~3.0 cm2，與理論計算值偏差較大，為更接近實際，按理論值取為2.0 cm2。

　　由《鑄造手冊》[9]表3-173 查得小型鋁合金鑄件澆注系統(tǒng)各組元截面比例為F 直︰F 橫︰F 內(nèi)=1︰(2~3)︰(1.5~4.0)

　　由于本鑄件采用的澆注系統(tǒng)為封閉-開放式，F(xiàn) 杯>F 直

　　故：直澆道截面積F 直=2.0 cm2; 橫澆道截面積F 橫=4.0 cm2;內(nèi)澆道截面積F 內(nèi)=6.0 cm2。

　　4 工藝參數(shù)的設(shè)計

　　4.1 充型速度的確定

　　由于此鑄件的壁厚較薄，為了充型容易，在液體金屬充填型腔之前，先將氣體沿液態(tài)金屬填充的方向以超過充填的速度抽空，使金屬液順利地充填。充

　　型速度太快或太慢，都給鑄件品質(zhì)帶來影響。充型速度太快，合金液進(jìn)入型腔時勢必出現(xiàn)沖擊噴濺和翻滾現(xiàn)象，造成鑄件有氧化夾渣和氣孔缺陷;反之充型速度太慢，則又有可能使鑄件產(chǎn)生冷隔和澆不足等缺陷。因此，為了獲得品質(zhì)良好的鑄件，充型速度一般控制在0.5 m/s 左右為宜。

　　4.2 結(jié)晶壓力的確定

　　實踐證明，結(jié)晶壓力越大，鑄件組織越致密，但考慮到密封性和砂芯承受壓力有限，選擇結(jié)晶時的壓力為5 MPa。

　　4.3 保壓時間的確定

　　結(jié)晶時的壓力是為了讓鑄件在均勻的壓力下凝固，從而消除缺陷和獲得更好的組織。所以保壓時間一定要超過凝固所用的時間，但保壓時間過長，會降低生產(chǎn)效率，所以保壓時間和凝固時間相等。由于此鑄件壁薄而且尺寸較小，所以采用風(fēng)冷即可。經(jīng)預(yù)測，冷卻所用時間為200~300 s。

　　4.4 澆注溫度和模具溫度的確定

　　在保證鑄件成形的前提下，澆注溫度與模具溫度應(yīng)盡可能低一點。澆注溫度和模具溫度過高，合金液吸氣嚴(yán)重，縮松傾向大，且結(jié)晶組織粗大，會降低鑄件的力學(xué)性能。反之，澆注溫度和模具溫度太低，縮松傾向雖趨減小，但合金液流動性能降低，補縮能力也降低。在生產(chǎn)中，根據(jù)該鑄件的結(jié)構(gòu)特點、合金材料和模具種類及冷卻散熱條件，確定澆注溫度為(720&pmn;10) ℃。模具預(yù)熱溫度為250 ℃。

　　5 鑄造工藝過程

　　經(jīng)過金屬型和澆注系統(tǒng)的設(shè)計，得到鑄造工藝裝備圖

　　澆注前先將金屬鑄型預(yù)熱到80~150 ℃，然后在型腔內(nèi)噴入涂料。噴涂完成后，再將金屬型預(yù)熱到250 ℃。然后啟動真空泵并且打開閥門6。這樣，型

　　腔中的空氣就會被抽走，從而使型腔保持負(fù)壓狀態(tài)。在抽氣一段時間后，開始澆鑄，在澆注過程中一直使型腔處于負(fù)壓狀態(tài)。澆鑄完成后，關(guān)閉真空泵和閥門6，然后向冷卻水道通入冷卻水。當(dāng)冷卻水通入20 s以后，橫澆道已經(jīng)完全凝固，而鑄件芯部還未凝固。此時，打開壓力氣源和閥門2，向型芯內(nèi)通入惰性氣體，使鑄件在內(nèi)壓作用下凝固。當(dāng)澆注完成200 s 以后，鑄件的溫度低于再結(jié)晶溫度，此時不用再加壓，關(guān)閉閥門2，打開閥門6，使鑄件毛坯型腔內(nèi)的氣體壓力逐漸降低至常壓，為毛坯的繼續(xù)冷卻所產(chǎn)生的收縮量提供空間。

　　6 結(jié)語

　　采用內(nèi)壓鑄造工藝生產(chǎn)的薄壁殼型件，經(jīng)大量的生產(chǎn)實踐驗證，設(shè)計的工藝參數(shù)合理，模具結(jié)構(gòu)可行，鑄件品質(zhì)優(yōu)良，極大地減少了氣孔和縮松、有效地防止了鑄造裂紋的產(chǎn)生，產(chǎn)品的合格率穩(wěn)定在95%以上。

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