（机械工程专业论文）低压铸造工艺在变矩器铸铝件的研究和应用.pdf

摘要 本文根据国内外铸造铝合金工艺现状和发展趋势，对低压铸造工艺的相关理论如成型原 理、工艺流程进行了研究，并对低压铸造生产的工艺设计及控制进行了理论分析，并结合铸 造铝合金的特点，对铝合金的各种精炼变质处理工艺进行了探索。 柳工铸造事业部原生产变矩器的工艺为手工砂型铸造，铸件从造型、合箱、浇注到清理 为全手工操作，该工艺的缺点是生产效率低、劳动强度大、铸件表面质量差、生产成本高， 且铸件内部质量不高。作者根据行业研究情报收集和对变矩器铸件特点的分析，经过可行性 分析，认为采用低压铸造工艺生产变矩器铝件可大幅节约贵金属铝的消耗，而且可提高铸件 的致密度和质量及尺寸精确度。 作者广西柳工装载机变矩器铸件的特点，从模具的材料选择、工艺方案的优化、低压铸 造浇注工艺参数的优化、变质处理工艺的试验等方面，经过铸件试制、性能检测、加工验证、 效率检测等验证，解决了在低压铸造过程的多项技术难题最终在实践中有效突破了变矩器采 用抵押铸造工艺生产的各项技术难题，并且对在实际生产过程中低压铸造铸件缺陷的预防进 行了实践上有益的探索。 本文重点介绍了柳工低压铸造工艺参数的优化和设计，对国内同行采用低压铸造生产铸 造铝合金具有一定的参考意义。 关键字：低压铸造、变矩器、工艺参数、精炼变质、优化 a b s t r a c t t h i se s s a ys t u d i e sr e l a t e dm e o r i e so f1 0 wp r e s s u r ec a s t i n g ，i e f o m i n gt h e o r ya n dp r o c e s s n o w i ta l s ot h e o r e t i c a l l ya n a l y z e sp r o c e s sd e s i g l la n dc o n n o lo f1 0 wp r e s s u r ec a s t i n g ，a n d c o m b i n e dw i t ht h ef e a t u r e so fa 1 u m i n u ma 1 1 0 y ，e x p l o r e sv 撕o u st r e a t m e n t so fd e f i n e dd e t e r i o r a t i o n o f a l u m i n u ma l l o y t b r q u ec o n v e n e r sm a j l u f a c t u r e db yf o u n d r yd i v i s i o no fl i u g o n gu s e dt ob ep r o d u c e d m a n u a l l yw i t hs a n dc a s t i n gp r o c e s s ，m a n u a lo p e r a t i o ng o i n ga l lt h ew a yt h r o u g hm o l d i n g ，c h e c k i n g ， p o r i n ga n db l a s t i n g m a n u a ls a l l dc a s t i n gp r o c e s sh a sd i s a d v a n t a g e ss u c ha sl o wp r o d u c t i v i 劬h i 曲 l a b o ri n t e n s 时a n dc o s t ，p o o rq u a l i t yo nt h es u h c ea n di n t e m a lo fc a s t i n g s t h ea u t h o r ，b a s e do n t h ei n d u s t r i a li n f o 瑚a t i o n ，t h ef 已a t u r e so f t o r q u ec o n v e r t e rc a s t i n ga n dt h ea n a l y s i so fr e l i a b i l i t y ， h a sc o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a tt o r q u ec o n v e r t e ra 1 u m i n u mc a s t i n gm a n u f a c t u r e dw i t l ll o w p r e s s u r ec a s t i n gp r o c e s sc a ns a v et h ec o n s u h l p t i o no fp r e c i o u sm e t a lb yl a r g em a r g i n ，a n db e s i d e s ， i m p r d v ec a s t i n gd e n s i t ya n dq u a “t y ，a n da c c u r a c yo f d i m e n s i o n b a s e do nt h ef e a t u r e so ft o r q u ec o n v e r t e rc a s t i n gf o rl i u g o n g w h e e l l o a d e r s ，t h ea u t h o rh a s e x p l o r e di nt h ea s p e c t so fm a t e r i a ls e l e c t i o no fm o u l d ，o p t i m i z a t i o no ft e c h n o l o g i c a ls c h e m e sa n d o fp o u r i n gp a m m e t e r so f1 0 wp r e s s u r ec a s t i n gp o 嘶n g ，e x p e r i m e n to nd e t e r i o r a t i o nt r e a t m e n t t h r o u 曲c a s t i n gt r i a lm a n u f a c t u r i n g ，p e r f o m a n c et e s t ，a u t h o rh a ss u c c e s s 如l l ys o l v e dv a r i o u s p r o b l e m si nl o wp r e s s u r ec a s t i n gp r o c e s sa 1 1 de v e n t u a l l ym a d eb r e a k t h r o u g l l si nt e c l l i l i c a lp r o b l e m s i nc o n q u e rc o n v e i r t e r sm a n u f a c t u r e dw i t hl o wp r e s s u r ec a s t i n gp r o c e s s b e n e f i c i a le x p l o r a t i o ni n t o d e f e c tp r e v e n t i o ni nt h ea c t u a lm a n u f a c t u r i n go fl o wp r e s s u r ec a s t i n g si sa l s om a d ei n 也ee s s a y t h i se s s a yf o c u s e so nm eo p t i m i z a t i o na n dd e s i g no f t e c l l i l o l o g yp a r 锄e t e r so fl i u g o n g1 0 w p r e s s u r ec a s t i n ga n dm i g h tp o s s e s s e ss o m er e f 色r e n c ev a l u ef o rt h ei n ( 1 u s t r yi n t h ea s p e c to f a l u m i i l u mm a i l u f a c t u r i n gw i t hl o wp r e s s u r ec a s t i n g k e y w o r d ： l o wp r e s s u r ec a s t i n g t b r q u ec o n v e n e r p r o c e s sp a r a m e t e r r e f i n e d d e t e r i o r a t i o n o p t i m i z a t i o n 致谢 几年时问一晃而过，短暂的在职研究生学习即将结束。美丽的浙大校园、求实的浙大 文化、知识渊博的浙大老师给了我今生永远不能忘怀的记忆。在浙大攻读硕士学位的几年， 紧张的、忙碌的学习和工作时刻在交叉，多少次曾经想放弃，又有多少次在梦中想起浙大 导师和柳工导师对我们的期望，不断的促使我坚持下来。但每每回想过去，总是有太多人、 太多事浮现于脑海。本课题研究正是在浙大导师冯毅雄副教授、柳工章二平副总裁、俞传 芬副总裁、王国安总工程师、龚学全副总经理不断的细心指导与帮助下，克服了重重困难 顺利完成的。两年多时间里，不论是课程学习还是实践项目，导师给予我强大的支持与鼓 舞。没有他们，我不可能快速地成长；没有他们，我不可能享受学习的乐趣；没有他们， 就不可能拥有现在一点小小的成就。在此之际，我衷心地感谢冯毅雄副教授、俞传芬副总 裁、王国安总工程师对我的谆谆教诲和悉悉关怀。导师严谨治学、开拓创新的精神深深地 感染了我，将使学生受益终生! 浙江大学机械能源学院的各位老师，方水良教授教授、朱建新教授、冯培恩教授、李 世伦教授、丁凡教授和柳工的吴阴登人力资源总监、王栋副部长、唐霞老师、刘茜等等， 在学业上对我无私的支持与关怀，营造了欢快、轻松的学习环境，表示真诚的感谢! 我亲爱父母亲，我的同事及领导赵荣霜女士、零正技、程军、覃光义等多年来对我默 默地支持，我得以毫无顾虑地继续深造，朝着梦想坚定地迈出了一步又一步。梦想是我前 进的动力，而他们的言语、行动、祝愿正是在为我勾画梦想。我的妻子张璇女士，她对我 的理解与关怀，是我幸福的源泉。对他们表示深深感谢! 感谢所有帮助和支持过我的人们! 程利军 二零一一年四月 浙江大学工程硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文研究目的的意义 变矩器总成为装载机重要的核心零部件，随着中国装载机行业的发展和壮大， 中国装载机在世界工程机械行业的地位正在逐步提升。从2 0 0 7 起，中国装载机的 产销量已经位居世界第一，中国本土的销量已经超过整个欧洲大陆和美洲。随着中 国市场需求量的不断增加，世界工程机械行业巨头卡特彼勒、小松等纷纷在中国办 厂设点，行业的竞争进一步加剧。中国工程机械要想获得进一步发展，整机的可靠 性必须尽快赶上或接近世界优秀企业的水平。其中，变矩器总成、大超越、大小螺 旋俗称装载机的三大件，其制造质量直接影响着整机的可靠性指标，而变矩器总成 的制造优劣，直接决定了整机的生产效率、油耗、操作性等指标。故变矩器制造历 来为装载机行业所重视。而变矩器铸件的制造成为其关键的关键。 柳工作为中国工程机械装载机行业的排头兵，其使用的变矩器主要依靠自主研 发和制造。长期以来，柳工自制的变矩器铸件采用砂型和重力铸造工艺制造多年来 以可靠性高、在行业中占有重要的地位，用其配装的z l 5 0 c 装载机更是在行业内获 得了重载工况的绝对领先地位，市场占有率高达6 0 。但随着行业的快速发展、竞 争的加剧和资源利用效率要求不断提升的新形势下，这种传统的生产工艺面临着劳 动生产率低下、产量提升只能一味依靠增加劳动力和生产场地的增加而提升，随着 整机三包期的延长，也需要不断变矩器铸件的性能以适应市场的需求，同时能源和 资源的价格的不断提升迫切需要改变变矩器的生产方式。 柳工装载机生产变矩器铸铝件的工艺为采用手工砂型造型、重力铸造的方法生 产，铸件从造型、合箱、浇注到清理为全手工操作。该工艺的缺点是生产效率低， 按照目前的生产条件，每天最多生产8 0 件。由于重力铸造是通过重力的原理在常 压下对铸件在凝固过程产生的缩孔和缩松进行补缩，故工艺出品率较低，铸件尺寸 精度差，从而导致贵金属铝的消耗量大，能耗高。同时，铝水在变质处理的过程中 由于变质剂有有毒成分氯汽产生，故员工的作业环境相当恶劣。随着国家节能减排 和追求和谐社会战略的实施，迫切需要在根本上对变矩器的铸造工艺进行改进。 随着柳工全系列装载机的推出，对变矩器的性能提出了更高的要求。现在用户 对整机油耗的关注、作业效率的提升和高的可靠性，这些指标对顾客的满足程度很 大程度上决定与变矩器铸件的表面质量和内在质量。提高变矩器铸件的可靠性和尺 寸油道的尺寸精度的问题，需要引入新的生产工艺。 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外现状和发展趋势 1 2 1 国内外铸铝件工艺现状 国内外普遍采用根据铸铝件批量大小和产品质量的不同需求选择适合自身的 生产工艺。对工程机械变矩器铸造铝件，由于其材质为z l l0 4 ，叶片形状复杂，流 道制造困难从而广泛的采用手工造型制芯和重力铸造和金属型铸造相结合的工 艺。使用这些工艺生产的铸件由于尺寸精度低，表面质量差，机械性能低，从而导 致变矩器总成效率偏低，整机油耗高，可靠性低“1 。 铸铝件目前常用的铸造工艺有重力铸造、金属型铸造、压力铸造和低压铸造等 方法，砂芯的砂型的制造方法有红砂工艺、油砂工艺、热芯盒工艺等，相互之间的 组合构成了变矩器铸铝件的主要生产工艺。 目前，铸造铝件的铸造工艺主要有如下几种：重力铸造、金属型铸造、压力铸 造和低压铸造等”3 。 铸铝件采用重力铸造的历史非常悠久，直到今天，由于其对铸件结构要求不高， 固定投入低，这种工艺仍有很多铸造厂在使用。其主要缺点是：铝液在熔化凝固的 过程中由于体积收缩和枝晶长大，在凝固为固态时会产生很多的缩孔和缩松等铸造 缺陷，造成铸件有效承载面积减少，从而大幅降低铸件的机械性能，表现在铸件抗 拉强度的降低、硬度的降低和延伸率的下降。为了消除或减少此种铸造缺陷，必须 通过采取设置冒口或冷铁等加快在单纯加快铸件凝固的速度同时采取重力原理对 铸件的收缩进行补缩。由于此种铸造方法通常使用红砂作为造型材料，所以又称为 铝合金的砂型铸造。这种铸造方法生产的铸件尺寸精度低，表面质量差，加工余量 平均为4m m 左右，金属利用率低，但使用该种方法生产变矩器铸铝件的模具及投入 成本低，项目上马快，从产品开发到批量生产反应速度快，劳动生产率较低。 金属型铸造是一种很古老的铸造方法，最初是由我国发明，战国时代的农具、 铁范、钱币等都是采用金属型铸造的方法获得。该工艺主要利用金属形成铸型，在 重力场中浇注金属液冷却后形成铸件。此种方法同重力铸造最大的不同是以金属铸 型代替砂型铸型。金属型铸造生产的铸件由于铸型有剧烈的冷却作用，从而铸件冷 却速度快，故铸件晶粒得到细化，抗拉强度、硬度和延伸率都比重力铸造高，铸件 产生缩松和缩孔的倾向小。1 。但由于铸型无退让行，故铸件应力较大且铸件产生气 孔的可能性明显提高。此种工艺方法模具费用较重力铸造有所增加，批量生产效率 较重力铸造有所提高，批量较大时成本较低。 浙江大学工程硕士学位论文 第一章绪论 压力铸造此种工艺在1 9 世纪由英国人s t u r g e s 取得压铸专利，经过近一百年 的发展，工艺已非常成熟，大批量应用于汽车工业中。其主要工艺是将液态金属和 半液态金属，在高压作用下，以高的速度填充压铸模型腔，并在压力下快速凝固而 获得铸件的一种方法。压铸时常用压力从几兆帕到几十兆帕，填充初始速度在o 5 7 0 m s 范围内。因此，高压和高速时压力铸造和其他铸造法的根本区别即是其最 重要的特征。压力铸造工艺其生产效率很高，可完全实现机械化和半机械化，生产 效率在所有铸造生产中可以说是最高的。用压力铸造生产的铸件，其尺寸精度高， 最终产品互换性好，轮廓清晰，表面粗糙度等级较高，铸态力学性能好，质量等级 高，经济效果优良。但采用压力铸造工艺的设备和模具一次性投资非常高，故只适 用于汽车铸件等需求量很大的铸件。其对铸件的结构适应性不高，制造周期长，设 计复杂，不适应于中小批量生产n3 。同时，由于铸件在压铸过程中，会卷入大量气 体，故其铸件不能采用热处理工艺提高其机械性能，很大程度上制约了压铸件的使 用。 低压铸造此种工艺是将熔化的铝液倒入密封的保温炉内，并通入干燥的压缩空 气，作用在保持一定温度的金属液面上，在一定的压力下使铝液自下而上的经浇道 注入型腔，待金属液充满型腔后，增大气压并保压一定时间，型腔里的金属液在凝 固成型，然后卸除压力，未凝固的金属液回落到保温炉中。低压铸造工艺铝液充型 平稳，其充型速度可根据铸件结构的不同和模具的材质进行控制，同时金属液在压 力作用下凝固和充型。使用该种工艺生产的铸件致密度高，成型好，金属利用率高， 投资少，现在广泛的应用在轿车车轮轮毂的制造上，如图卜1 所示。但变矩器铸件 由于有数量非常多且薄的叶片，使用低压铸造工艺其充型能力、砂芯制造、铝液的 处理有着新的问题需解决，目前在工程机械行业还没有完全采用低压铸造工艺生产 变矩器四种铸件的成功经验。 图1 1 低压铸造装备及生存的汽车轮毂 未来低压铸造的发展趋势是如何进一步提高对于铸件不同结构的适应性、液面 3 塑垩查兰三堡堡主兰篁堡壅 一j 兰也 加压控制系统如何更加精确有效的补偿液面高度的变化达到参数控制的稳定、保温 炉如何提高寿命及可靠性、升液管的选择及寿命延长必将进一步的发展以及推广其 其他合金领域的应用。随着装备技术的发展，低压铸造与其他不同的铸造方法其主 要差异( 见表1 1 ) ，具体到实际生产实践，采用何种生产工艺取决于需求量、产 品结构及不同工艺的应用水平。 表1 1 低压铸造技术的发展及应用场合 致密 最小充 氧化抗热 补缩 类型 型壁厚气孔 度 适用场合 夹渣裂性能力 m m g c m 3 普通低压铸造 2 嗲多 无一般一般一般铸件 机 惰性气体低压 1 5 少梦 无一般一般抗疲劳强度要 铸造机求高的铸件 真空低压铸造 1 无 梦 无 一般较差对内部品质要 机求低的铸件 差压铸造机 2 很少 多有 好强内部品质要求 高的铸件 惰性气体保护 1 5 很少少有好强内部品质要求 差压铸造机较高的铸件 真空差压铸造 l 无 少有好强内部品质要求 机极高的铸件 1 2 2 国内外发展趋势 不同的生产工艺各有优缺点，都有其一定的应用场合，具体见下表卜2 。但一 般来说，铸铝件随着生产批量的大小，生产工艺从重力铸造向金属型铸造、低压铸 造、压力铸造发展，但具体采用何种工艺，要看生产铸件的结构特点、材质、重量 及后续热处理工艺要求和生产批量及投资大小等因素综合来定乜1 。 4 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 表卜2 各种铸造铝件铸造工艺特点分析 序号造型工艺 优点缺点 备注 1 重力铸造手工作业，适用于单件小生产效率低，铸件精度适用于低档次、批 批量生产。差，工艺出品率低。量需求较小的产品 2金属型铸若采用机械化重力铸造自动化作业时设备投资适用于大批量产 造单元设计，生产效率较费用很大，人工作业时生品，如发动机基体 高，铸件尺寸精度高，工产效率低 等 艺出品率有所提高。 3压力铸造 适用于大批量生产，工艺无法采用热处理工艺进适用于汽车类需求 出品率高，生产效率和工行强化，设备、模具投资量很大的零部件 艺出品率较高费用大。 4低压铸造 铸件尺寸精度高，可以通固定资产投资费用较高 适用于中等批量、 过热处理进行强化，生产质量要求高的部件 效率和工艺出品率较高。 对于低压铸造，行业内很多人士进行了很多有益的探索和研究。首都钢铁公司 邵京利对低压铸造参数设计的原理进行了研究，并提出了如何获得优质铸件的方法 进行了探索b “。沈阳工业学院曲万春也对低压及差压铸造工艺的参数选择进行了研 究，论述了低压铸造凝固方式、浇注位置、铸件壁厚的选择原则，其研究成果对汽 车缸体类铝合金铸件应用低压铸造工艺的经验和最新科技进行了总结b 。周中波通 过数值模拟方法研究了低压铸造铝合金薄板件熔体充填过程的流动形态，在此基础 上，进一步研究了充型压力、升压速率及型腔厚度因素与充填能力的关系。结果表 明，在反重力场作用下，铝合金熔体从下而上逐层充填薄壁型腔，但随着厚度的增 加，射流区两侧的涡流面积增大，出现较明显的反向充填特征。另外，充型压力和 升压速率的增大有助于改善反重力铸造铝合金薄壁件的充填能力“。沈阳理工大学 的侯峻岭对铝合金导体铸件低压铸造模具设计和工艺进行了研究，提出了模具设计 和分模方法的选择及铸件壁厚的调整，提出了双层浇道的侧注式浇注系统，实现了 平稳充型和良好的补缩效果，开创了低压铸造双层浇注的创新，对复杂薄壁铸件的 铸造具有重大的鉴戒意义b 引。沈阳工业学院刘志明对低压及差压铸造的铸造发展方 向进行了探讨，文中对重力铸造、低压铸造、差压铸造及低压铸造的变形一一真空 充型倾转加压倒置铸造法的各种关键过程及参数进行了比较，见表1 3 所示b 。 浙江大学工程硕士学位论文 第一章绪论 表1 3 低压、差压铸造及其变形铸造方法比较 真空充型倾转 比较项目重力铸造真空低压铸造差压铸造 加压倒置铸造 重力与补缩的关系参与阻碍阻碍参与 充型平稳程度 不平稳平稳平稳 平稳 气孔有极少极少 无 热裂可能性有有极少很少 补缩能力可以较差最强最强 充型能力一般最强强最强 工艺出品率 低 高高高 废品率高 低低低 致密度 低一般高高 晶粒 大大 小 小 凝固速度较慢慢快快 6bl1 11 2 1 31 2 1 3 清华大学机械工程系张立光从全面质量管理的角度分析了铸件生产过程质量 保证体系，并提出了铸造流程设计、生产过程控制及产品质量事后分析三部分的系 统框架，阐述了各部分基本组织与功能，并开发了铸造质量专家f q e x p e r t 系统， 如图1 2 所示。低压铸造作为传统手工铸造的替代工艺，虽然在很多工序上实现 了自动化生产，但铸造作为一个i s 0 9 0 0 1 ：2 0 0 0 定义的特殊过程，其最终产品的质 量稳定结果不能简单依靠测量检测来控制，必须对各种过程控制的参数进行优化并 制定严格的控制标准，才能获得稳定的产品质量。这个专家控制系统对铸件生产控 制有着重要的启示意义。 6 浙江大学工程硕士学位论文 第一章绪论 图1 2 铸造质量专家系统 用户蒜求 l 壁鳌矍茎丝1 1 | 奉产 匮囊到黻 l 铸造工艺工装泔ph 1 2 璧 匿和恒 菇勰熬壤撼燕 li l 饨协 ：二：墨晕： l 型学l 圳现 匿亟錾酬誊 l 生产过程质量检测h 纂 雁两覆蕊疆百簧l 生产过程质爨控制h 霸 合格铸襻 以上这些研究成果对柳工低压铸造技术的开发和我们缩短工艺试验都起到了 一定的参考意义。柳工随着产量的逐步增加，尤其在进入2 0 0 7 年以来，装载机一 跃成为世界第一生产大厂，制造过程已经从小批量向大批量生产，原先的重力铸造 工艺由于生产效率低下已经不适于企业的发展，由于变矩器铸件流道的复杂性和后 续热处理工艺的要求，使得铸铝件只能采用低压铸造或重力铸造的方法。但重力铸 造由于铸件凝固补缩完全依靠重力，铝水利用效率低，若能够采用低压铸造工艺攻 克难关，将极大的降低铸件生产成本和提高生产效率，当然，用该工艺还有很多技 术难关需要攻克。 1 3 课题来源和主要研究内容 本课题来源是广西柳工机械股份有限公司z l 5 0 c 轮式装载机使用的涡轮变矩器 提高可靠性和降低生产成本的需要。 本课题的主要研究内容： 1 在铝液的精炼变质处理方面进行研究，以解决应用低压铸造工艺铝液浇注 7 虚拟铸造 一铸遗生产过程一事后分析 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 时间长达2 3 小时变质衰退的问题。主要从不同的精炼变质材料和工艺选择进行试 验设计，确定较优的处理工艺； 2 结合变矩器铝件叶片结构特点和低压铸造工艺的特点，选择合理的铸造工 艺方案，通过模具设计( 冷却系统和模具壁厚的选择) 确保铸件冷却梯度满足低压 工艺要求，确保铸件的补缩通道设计合理，获得优质铸件； 3 对低压铸造加压参数进行研究，通过参数优化获得合适的工艺参数； 4 建立对低压铸造生产过程控制及质量缺陷预防及分析的系统方法，建立缺 陷预防数据库，稳定提升产品质量。 浙江大学工程硕士学位论文 第二章低压铸造生产铸造铝件的理论基础 第二章低压铸造生产铸造铝件的理论基础 低压铸造是一种利用气体压力将液态金属压入铸型，并使铸件在一定的压力作 用下结晶凝固的铸造方法。根据气体压力的不同，铸造方法分为高压铸造、低压铸造 和重力铸造等，其中低压铸造的气体压力一般为o 1 0 o 3 5 m p a 。 2 1 低压铸造成形原理 低压铸造的基本原理为：在一密闭的装有金属液的密封容器内，通入干燥的压 缩空气，在一定的压力作用下并保持在一定温度的金属液面上，金属液在气体压力的 作用下沿升液管上升通过浇口进入型腔，待金属液充满型腔后，增大气压，并在保持 气体压力的条件下完成铸件凝固，然后卸除容器内的气体压力，然后解除液面上气体 压力，使升液管和浇口中未凝固的金属液回到密闭容器中，已凝固的金属在铸型中凝 固形成所需的铸件，在冷却到一定温度后开型取件姆3 。低压铸造基本原理如图2 1 所示。 低压鞫遗纂率蔼爆承熏凿上樱 图2 1 低压铸造基本原理示意图 通过控制通入容器内的气体压力的加压速度，可以控制金属液在升液管中的上 升速度和充型速度，因此低压铸造的金属液充型平稳，易于控制。另外，铸件在一定 的压力下结晶成形凝固，铸件的补缩效果好，铸件的组织致密。同时通过提高模具的 冷却能力实现快速冷却，可得到晶粒更小的铸态组织，铸件力学性能优良。 低压铸造一般不用设置专用的冒口，只需利用升液管连接铸件的内浇口补缩浇口 9 浙江大学工程硕士学位论文第二章低压铸造生产铸造铝件的理论基础 部分即可。由于内浇口既充当了浇口的作用，又起到补缩铸件的作用，同时铝水在压 力的作用下注入，故铝水的浇注系统小，金属利用效率高。 相对于重力铸造，低压铸造的优势相当明显口2 1 ： 1 ) 金属液充型平稳，充型速度可根据铸件的不同结构和铸型的不同材料等因素 进行控制。 2 ) 铸件在压力作用下凝固，补缩充分，故铸件组织致密，实现快速冷却，可得 到晶粒更小的铸态组织，力学性能高。抗拉强度与硬度，一般要比重力铸造提高10 左右。对要求耐压、防漏的铸件其效果更好。 3 ) 金属液在压力作用下充型，充型能力提高，有利于获得轮廓清晰的铸件。 4 ) 铸件的工艺出品率高。由于利用压力充型和补缩，大大简化了浇冒口系统结 构，甚至可省去冒口，工艺出品率一般可达9 0 。 5 ) 劳动条件好，设备简单，生产效率高，投资成本低，易于实现机械化和自动 化，大大提高生产效率。 2 2 低压铸造的工艺流程 典型的低压铸造产品工艺开发及生产工艺流程如下图2 2 所示抽1 ： 1 0 浙江大学工程硕士学位论文 第二章低压铸造生产铸造铝件的理论基础 j 面 l o ； 图2 2低压铸造工艺开发过程和工艺流程 浙江大学工程硕士学位论文第二章低压铸造生产铸造铝件的理论基础 2 3 低压铸造参数的选择 2 3 1 铸件凝固方式的选择 一般来说，铸件凝固方式的选择是铸件工艺方案确定的基础，因为只有在铸件的 凝固方式确定之后，诸如浇注系统、分型面、机械加工余量等才能随之确定下来。低 压铸造的特点之一，就是浇注系统与铸型下部的升液管直接相连，液态金属自下而上 的充填铸型。凝固过程中，升液管中高温金属液经由浇注系统向铸件提供充型和补缩， 而且由于气体压力作用，补缩作用较强。因而，通常情况下都采用自上而下的顺序凝 固原则“1 。实现和强化顺序凝固的具体措施见下表2 1 。 表2 1 控制顺序凝固的工艺措施 序号控制措施措施说明 选择合理的浇注尽量将铸件厚大部分朝向铸型底部接近浇口的位置， l 位置而薄壁部分远离浇口位置 采用不同的加工对于壁厚较均匀或不均匀的铸件，铸件的上部和下部 2余量和工艺补贴或可给不同的加工余量和工艺补贴量及合理的拔模斜 拔模斜度的设置度，使铸件适应自上而下的凝固要求 对于壁厚较均匀的薄壁铸件，采用多内浇道，即利于 正确确定内浇道充型，又使铸件水平方向上的温度场均匀易于实现同 3 的数量及位置时或定向凝固。对于面积较大的厚壁铸件，采用多内 浇道，以补缩铸件； 可采用使在金属型侧壁工作面上的涂料层厚度由上 采用冷铁或不同而下递增的方法，也可通过使金属型的侧膜壁厚由上 4 的模具壁厚而下逐渐减小的方法达到同样目的，此时为保证铸件 壁厚尺寸，膜具内腔尺寸必要时应做相应调整 采用强制冷却方如对具有局部厚大部分的铸件，可对该部位进行局部 5 法 冷却，以消除可能产生的缩孔。 采用具有不同热如1 2 马力发动机曲轴箱后型模总体用铸铁制成，为 6物理性质的材料制加强局部冷却，在模具的相应部位镶嵌热导率大的紫 作金属型各个部位铜块。 7 采用在模具不同充型结束后，如通入压缩空气或冷却水，通过调节水 浙江大学工程硕士学位论文第二章低压铸造生产铸造铝件的理论基础 序号控制措施措施说明 部位采取不同的冷压、流速及通道的截面积以使铸件的不同部位获得不 却介质强化温度梯同的冷却效果。 度 为强化温度梯度，以上措施在生产实际中常常结合起来运用，这样可以达到更理 想的效果。多种手段的适当配合和不同组合，有效的强化了顺序凝固，铸件可以获得 更加致密的组织，力学性能更加稳定和优化，并可使生产周期缩短至原来的1 3 或更 短，生产成本更低。 2 3 2 模具的设计和制造 在生产过程中，由于模具在经过多次预热、铝水充型、加热、脱模、冷却过程 中连续不断循环，故模具的热稳定一定要好，同时铸件凝固过程中铝水收缩和模具 之间在实际上属于过盈配合，在频繁的铸件顶出过程中会受到很大的摩擦力，故模 具的耐磨性能要好。好的模具，既要要求铸型排气好，同时要求铝水在充型过程中 铝水不外溢出，故要求模具的制造精度排气系统设计要合理。综合上述因素，模具 的材料选择、材料热处理工艺、表面处理工艺、结构设计、合理的脱模斜度、壁厚 选择、收缩率、加工精度、冷却设计决定了铸件的精度和生产效率，其重要性不言 而喻。 2 3 3 低压铸造的加压充型过程 低压铸造发展到现在，已经实现用计算机p l c 编程控制浇注过程的加压过程。 利用压力传感器，将炉内的气体压力反馈回计算器或控制器，再由计算机或控制器 根据事先设定的加压曲线根据压力差异控制比例阀的开合，从而实现精确控制和重 复再现的加压曲线。比例阀的精度等级决定了低压铸造工艺的稳定性，也就基本了 设备的精度等级。“。而低压铸造加压曲线参数的正确选择决定着低压铸造工艺的成 败，在模具制造完成后，铸件的浇注系统、温度梯度、冷却方式等参数基本已经确 定，这些参数相对刚性较大，而加压曲线可调整的范围很大，一定程度上可弥补其 他参数的不合理性。加压曲线参数的选择和铸件尺寸大小、铸件复杂程度、壁厚、 排气系统、浇注温度、冷却介质等因素密切相关，对浇注过程本身及铸件的最终品 质( 质量) 有很大影响b 3 。 低压铸造的加压过程，一般划分为五个阶段：升液( o a ) 、充型( a b ) 、增压结晶( b c ) 、 保压( c d ) 以及卸压放气( d e ) ，如图2 3 所示： 浙江大学工程硕士学位论文第二章低压铸造生产铸造铝件的理论基础 压力r p ， p l o 图2 3 低压铸造的加压过程 时间 各阶段加压速度选择可按下表进行初步设计，再在实践过程中根据铸件的大小、 壁厚、截面积变化情况等进行优化，见表2 2 “1 。 表2 2 各阶段的加压参数的选择 阶段增压速度( m p a s ) 说明 升液阶段( t 1 )金属型和砂型均取0 o 0 0 2 一o 0 0 0 3力求升压平稳，避免喷射 充型阶段( t 2 )金属型铸造时：充型要尽可能快，避免液体 根据铸件壁厚不同，可取温度的降低引起的充型能力的 0 0 0 1 0 0 0 6峰低，同时要考虑型腔内气体 砂型铸造或用干砂芯时，取的排气速度，理想中充型速度 o 0 0 0 5 0 0 0 2 0 要略大于排气速度 增压阶段( t 3 ) 金属型铸造增压阶段短，用砂 型可砂芯时较长 保压阶段( t 4 )金属型铸造时，o 0 0 0 5 一o 0 0 1o有砂芯时，增压要略低，避 砂型铸造或用砂芯时 f 模 f 内。内浇道的断面尺寸采用内切圆法确定，再根据经验公式确定横浇道和升 液管的出口面积，其具体数值可为f 升戚管：f 模：f 内= ( 2 2 3 ) ：( 1 5 1 7 ) ：1 。 2 ) 应尽量避免液态金属直接冲击型壁和型芯，防止局部过热。在生产较大的等 壁厚铸件时，在金属型设计合理，并保证良好的充填性前提下，应将内浇道开设在铸 件的短边处，以便造成单向的温度梯度及有较大的填充高度，从而有利于补缩及排气。 3 ) 当有多个内浇道与铸件相连时，为使各内浇道流量均匀，应根据具体情况使 各内浇道的截面积不等，一般说来近浇道盲端及近升液管的内浇道面积偏小。 4 ) 连接升液管与铸型的输液通道的型壁应尽可能薄些，以减少液态金属在该处 的热量损失，减低温降以利于浇注系统的补缩。 5 ) 尽量杜绝采用设置在充型末端而由冷金属液聚集而成的冒口，这样的冒口补 缩效率非常低。有时也可使用压边冒口作浇口“1 。 6 ) 对于某些结构复杂的铸件，单用浇道不能满足补缩要求时，要专门设置冒口。 如采用明冒口，则浇注过程中无增压阶段，这种工艺称为敞开式低压浇注。这种工艺 只适用于砂型低压铸造中、大型铸件。 2 3 5 低压铸造铸型的排气设计 因低压铸造时铸型上部常是密闭的，不易排气。对砂型而言，除采用透气性好 的砂型外，还可在砂型顶部，距型腔1 0 一2 0 m m 扎一定数量的不透小孔排气。在金属 型低压铸造中，一般的措施是在分型面上开设三角形或片状缝隙排气槽。在金属型 上部或易憋气的地方安装排气塞。也可利用铸件顶杆和模具的间隙进行排气。目前， 金属型的排气槽、排气塞的尺寸还是根据经验确定的。如片状缝隙式排气槽，对于 铝、镁合金，厚度h 一般为o 5 咖。三角形排气槽的尺寸：深度h 7 一般为o 3 1 o 咖， 两边夹角6 0 。9 0 0 ，间距a7 一般取10 舯。 2 4 铝合金液体的精炼变质处理 2 4 1 精炼方法 目前世界上使用精炼铝液的方法不下3 0 余种。近1 0 年来，铝合金熔炼过程的 除气技术在一直不断的发展，主要表现在应用新的熔剂和改进除气装置b ”。 浙江大学工程硕士学位论文 第二章低压铸造生产铸造铝件的理论基础 ( 1 )固体熔剂除气法。传统的除气方法是把诸如含氯的化合物用钟罩压入铝 液内。近年来，加入方法由压入式改为自沉式，即在熔剂中计入加重剂并压成饼状 或球状直接投入铝合金熔液内。这种方法不但操作简便，可靠，而且还可避免氧化 夹杂物和非金属夹杂物进入到金属液内。 ( 2 ) 吹气除气法。主要是在铝液内通入惰性气体、活性气体或混合气体精炼。 使用的气体主要有经过干燥处理的氮气、氩气氦气或氯气。氩气比氯气效果好，但 价格昂贵。从经济性来看，氯气除气最有效，但氯气对环境有很大的污染，综合上 述因素，氮气的成本比氩气低，但其除气效果比氯气好，其应用场合有逐渐上升的 趋势。 精炼效果的有效性依赖于熔剂用量和精炼时间来决定。 2 4 2 变质技术 铸造铝合金的共晶硅在自然生长条件下由于晶体在凝固过程的枝晶偏析会长 成片状，这种形状的脆性严重的隔离了基体的连续性，降低了合金的强度和塑形， 未加处理的铝合金机械力学性能非常差，因而需要使之在结晶过程中改变成为有利 的形态，变质处理是改善共晶硅形态的有效途径。一般采用钠盐或含鳃或稀土变质 剂进行处理d 引。 1 6 浙江大学工程硕士学位论文第三章装载机变矩器铸铝件低压铸造工艺的设计 第三章装载机变矩器铸铝件低压铸造工艺的设计 柳工装载机生产变矩器铸铝件的工艺为采用重力铸造的方法生产，铸件从造 型、合箱、浇注到清理为全手工操作。由于重力铸造是通过重力的原理在常压下对 铸件在凝固过程产生的缩孔和缩松进行补缩，故工艺出品率较低，铸件尺寸精度差， 从而导致贵金属铝的消耗量大，能耗高。随着中国市场高端装载机市场的不断成熟， 用户对变矩器的性能提出了更高的要求。整机油耗、作业效率和可靠性度很大程度 上决定与变矩器铸件的表面质量和内在质量。变矩器铸件三维形状如图3 1 所示。 提高变矩器铸件的可靠性和尺寸油道的尺寸精度的问题，需要引入新的生产工艺。 随着液力效率的提升，变矩器要求不断提高变矩器叶片的流体性能，叶片的三维弧 度更大，壁厚更薄，对铸造工艺也提出了更高的要求，传统的重力铸造工艺已经很 难满足新型变矩器生产的需要，必须结合变矩器的特点，采用新技术，才能不断提 高铸件的档次和质量，从而满足整机的需求。 图3 1变矩器铸件三维示意图 选择合理的铸造工艺方案，决定着铸件生产的成本、质量和效率。铸造工艺总体 方案的确定，要结合铸件材质的特点、形状特点、壁厚大小及差异形状、生产效率的 1 7 浙江大学工程硕士学位论文 第三章装载机变矩器铸铝件低压铸造工艺的设计 保证和工人操作的便利性等方面综合制定，其重要性不言而喻。低压铸造工艺设计主 要包括铸件总体工艺方案的确定、浇注系统设计、模具设计、排气系统设计等。 3 1 铸件总体工艺方案的确定 采用低压铸造工艺，由于铝水采用从下到上逆重力方向浇注，故必须保证铸件 首先从上端开始凝固，依据压力对铸件上部进行补缩，然后利用铸件结构进行过渡， 最后在浇口处凝固。故要想获得质量稳定的铸件，就必须采用顺序凝固的原则进行 设计，同时必须保证内浇道处最后凝固。同时，为了保证铸件在充型过程中充型顺 利，则必须将气体排出，故必须设置排气口。对于变矩器直径在3 5 0 蛐左右的铸件， 为了保证快速充型，则必须设置多道内浇口分数液流。 结合变矩器铸件的特点，铸件的分型面确定和浇注系统的设计，必须考虑如下 几个方面d 1 ： ( 1 ) 铸件分型设计应保证取件方便，同时使铸件不产生不应有的合模误差，同 时应考虑铸件的拔模斜度不由于高度差而影响太大；对于二级涡轮和泵轮，应该以 平面分型取代曲面分型，易于脱模，铸件的弧面朝下，便于脱模，对于一级涡轮和 导轮，铸件应尽量置于同一半模内，减少合模误差。 ( 2 ) 铸件的拔模斜度设置一方面要考虑铸件取件的方便，另外一方面在铸件精 度允许的前提下，通过合理拔模斜度设置为实现铸件的顺序凝固实现提供支持。变 矩器铸件由于在冷却过程中热胀冷缩，外壁拔模斜度设置为1 度，内壁设计考虑到 铸件的凝固收缩可适当略大些，便于脱模需要。对于泵轮和一级涡轮的非接触面， 采用加减法设置拔模斜度，一方面保证了铸件的顺序凝固，同时合理降低了铸件的 重量，同时由于低压铸造铸件精度的提高，大幅度的减少了加工位置。 ( 3 ) 由于变矩器铸件在浇注时需要安置砂芯，故在保证金属型设计合理，并保证 良好的充填性前提下，应尽量避免液态金属直接冲击型壁和型芯。 ( 4 ) 内浇道应尽量开设在铸件的短边处，以便造成单向的温度梯度及有较大的填 充高度，从而有利于补缩及排气。 ( 5 ) 当有多个内浇道与铸件相连时，为使各内浇道流量均匀，应根据具体情况使 各内浇道的截面积不等，一般说来近近升液管的内浇道凝固速度要晚于相连接的铸件 部位。 ( 6 ) 连接升液管与铸型的输液通道的型壁应尽可能薄些，以减少液态金属在该处 的热量损失，利于补缩。 浙江大学工程硕士学位论文 第三章装载机变矩器铸铝件低压铸造工艺的设计 ( 7 ) 加工余量：侧面可取0 5 舳，加法”，底面可取1 m m ，上面应该为卜1 5 i n i l l 。 铸件的浇冒口位置需要放置一定的工艺余量，具体的尺寸依据铸件的顺序凝固原则为 准。 ( 8 ) 收缩率：低压铸造铸件的线收缩并不等于铸件在自然条件下冷却的线收缩， 这主要是由于低压铸造铸件的收缩通常是受阻收缩。根据多次实践经验，铝合金变矩 器的径向实际线收缩为o 3 一o 4 5 ，轴向线收缩为o 4 5 一o 5 5 。 ( 9 ) 铸造圆角，未注圆角通常为r 1 5 m t n - 2 m m ，可既可保证铸件的在冷却时不产生 缩裂，同时又可保证铸件的美观。 按照上述确定的基本原则，变矩器的铸造工艺方案确定如图3 2 所示： 一级涡轮铸造工艺方案示意导向轮铸造工艺方案示意 二级涡轮铸造工艺方案示意 泵轮铸造工艺方案示意 图3 2变矩器铸造工艺方案示意图 1 9 錾； 浙江大学工程硕士学位论文第三章装载机变矩器铸铝件低压铸造工艺的设计 3 2 变矩器浇注系统的设计 3 2 1 浇注系统设计的原理 浇注系统的形式一般采用底注，方式有中心浇注和边浇注两种形式。为保证升 液管的补缩作用，需采用封闭式浇注系统，即应保证f 升液管 f 模 f 内。先采用内切圆法 确定内浇道的断面尺寸，再选择横浇道和升液管的出口面积，其具体数值可为f 升液管： f 模：f 内= ( 2 2 3 ) ：( 1 5 1 7 ) ：1 。至于浇注方式的选择，可以参照表3 1 的优缺 点并结合铸件特点来选择： 表3 1 低压铸造各种浇注方式的优缺点分析碍 浇注方式优点缺点适合铸件 1 具有合理的铸型热分布，有l 、铝液充型时冲击大， 利于铸件实现顺序凝固；容易产生二次夹渣； 一级涡轮 2 浇道消耗的铝液少；2 、浇口开在铸件的轴承 中心浇注导向轮 3 模具设计简单易于制造位置，结晶晶粒粗大， 泵轮 4 能以大流量充型，浇注速度材料力学性能降低； 快 1 铝液充型较中心浇注平稳；1 、浇注系统需要的铝液 2 浇注系统的挡渣作用由于中多； 心浇注；2 、模具温度分布不均 3 铸件的安装轴承位置力学性匀，模具冷却系统设 边浇注二级涡轮 能较好；计要考虑模具本身在 充型过程的温度差； 3 、浇口部位易出现缩松 缺陷； 3 2 2 内浇口参数的设计和优化 内浇口截面积的确定： 其中：只内浇口截面积c m 3 良铸件重量g 卢阿一( 3 1 ) 2 0 浙江大学工程硕士学位论文 第三章装载机变矩器铸铝件低压铸造工艺的设计 尸i 铝合金密度g c m 3 雎内浇口或升液管出口