铸造模具局部延时加压补缩工艺

铸造模具局部延时加压补缩工艺

目前，主要使用金属陶瓷、低压陶、压力陶和压缩陶。这四种制造工艺都采用了金属水箱作为制造手段。但对于铝、镁、锌等热容量较小的有色金属材料,当液态金属进入模具型腔后,铸件的薄壁处或远离模具热节的部位迅速凝固,而接近模具热节处的液态金属则相对凝固较慢,由于液态金属在冷却过程中的体积收缩,这些热节区域对其周围的金属进行了液态后续补充,因此缩孔、缩松缺陷在铸件中普遍存在,影响了铸件的质量。在现有的几种铸造工艺中,由低到高的总体评价依次为金属型铸造、低压铸造、压力铸造、挤压铸造。金属型铸造和低压铸造主要依靠液态金属的自重成型,对于壁厚差异较大的铸件,在制订铸造工艺方案时,主要以设置冒口的方法消除铸造过程中的缩孔和缩松,但这种工艺方法在很大程度上降低了金属的利用率,同时对于某些结构复杂的铸件在冒口设置上存在一定的困难,不能达到预期效果。而压力铸造、挤压铸造工艺使液态金属在压力下凝固结晶,压力加快了液态金属凝固速度,缩短了液态金属有效补缩时间。对于壁厚差异较大的铸件,由于铸件薄壁处最先凝固,承载了铸造模具的大部分的加压压力,致使铸件厚大部位的组织自由凝固收缩形成缩孔和缩松缺陷,与金属型铸造、低压铸造工艺相比,压力铸造和挤压铸造热节处缩松、缩孔缺陷形成的几率更大。在现有铸造技术的基础上采用局部延时加压补缩工艺,即对进入铸造模具型腔内接近模具热节处的液态或半固态金属在完全凝固之前,局部施加较高的机械压力,使铸件热节处的周围尽量形成补缩通道,以提高凝固过程中补缩效果,然后凝固成型,完成整个铸造过程。采用局部延时加压补缩工艺可以有效提高铸件热节处金属组织致密度和材料性能,消除铸件厚大部位产生的缩孔和缩松等铸造缺陷,减少了铸件的废品损失,提高产品质量。采用局部延时加压补缩工艺,可以在铸件工艺设计中省略或部分省略冒口设置,简化了模具设计,提高了金属材料的利用率,有利于降低铸件生产成本。随着铸件向高性能要求方向发展,采用局部加压补缩技术,有效提高了大型复杂铸件的成品率和生产效率,节约了生产成本,具有广阔的市场应用前景。1局部加压补缩系统设计先采用金属型铸造、低压铸造、压力铸造、挤压铸造工艺,实现产品内部组织高致密度和近净成型制造,待铸件热节之外的其它部位金属凝固时,启动局部加压设备,延时一定时间后加压油缸,自动启动对局部实施一定压力的加压铸造技术,实现厚大部位凝固时的实时补压,满足高性能铸件的制造要求。铸件成型局部加压补缩系统流程:浇注→合镆→局部延时加压→保压→开模。局部加压补缩工艺的特征包括:1)浇注—将液态金属注入模具型腔;2)合模—有压力或无压力状态下合模;3)启动局部加压—在模具合模的同时启动局部加压设备,局部加压设备由局部加压油缸和控制装置组成;4)压力延时—局部加压设备启动后延时1~10s开始局部加压;5)局部加压—开始向模具型腔施加1~120MPa压力;6)保压—维持局部压力直至液态金属凝固;7)开模取件—结束整个过程。2局部加压补缩系统在铸件凝固过程中实施局部加压时,时机的把握非常关键。局部加压实施太早,铸件内部还没有开始凝固,加压补缩起不到效果;局部加压实施太晚,铸件内部已经完全凝固,无法再进行加压,局部加压将失败。由可编程继电器和电磁阀组成的控制系统可以解决局部加压过程中的实时控制问题。图1为局部加压补缩系统的控制装置,由可编程继电器和局部加压油缸推进电磁阀Ya、局部加压油缸后退电磁阀Yb组成。可编程继电器的输入控制信号为合模启动信号I1、局部加压自动动作信号I2、加压油缸点动推进信号I3、加压油缸点动后退信号I4;可编程继电器输出信号通过加压油缸推进开关Q1、加压油缸后退开关Q2,以及总阀控制开关Q3,控制局部加压油缸推进电磁阀Ya、局部加压油缸后退电磁阀Yb,实现加压油缸前进或后退动作。自动工作时,I1、I2信号同时接通,可编程继电器内部程序运行,延时一定时间后,接通Q1,实现Ya电磁阀接通,局部加压油缸推进。保压一定时间后,Q1断开,同时接通Q2,实现Yb电磁阀接通,局部加压油缸后退。然后延时一定时间后,Q2断开,整个局部加压动作结束。在手动启动I3推进或I4后退时,Q1、Q2分别单独接通,实现Ya或Yb电磁阀的手动接通,使局部加压油缸推进或后退从而完成手动局部加压动作。图2是局部加压补缩系统控制装置的工作逻辑图。模块B1、B7、B11和B15为逻辑与门,模块B3、B13、B20为逻辑或门,模块B2、B10、B12、B16和B18为逻辑非门,模块B4、B9和B14为接通延时,模块B5、B19、B21为断开延时,模块B6、B8、B17为带保持的接通延时,s为时间单位。局部加压时I1、I2同时接通,模块B1、B2、B3、B5、B6、B7使Q1接通,Q1接通使加压推进电磁阀工作,进行自动加压补缩。其中模块B6在I1、I2同时接通后延时1~10s接通模块B5,实现了延时加压功能,模块B5延时2~50s之后断开,使Q1断开。实现了局部加压后保压2~50s功能。模块B8、B9、B10实现模块B6复位动作。当Q1接通时,模块B11、B12使得Q2不接通。当Q1断开时,模块B11、B12、B13、B15、B16、B17、B18使得Q2接通,Q2接通使加压油缸后退,完成了自动加压补缩过程。模块B16、B17使Q2接通4s后断开,加压油缸退回后电磁阀动作停止。Q1使模块B17复位。点动推进信号I3接通,模块B1、B2、B3、B4使Q1接通,Q1接通使加压油缸推进,同时使模块B4触发脉冲信号,模块B4、B11、B13、B15、B18、B19使Q2不接通。点动后退信号I4接通,模块B11、B13、B14使Q2接通,Q2接通使加压油缸后退。3局部压力绷带技术的试验3.1局部加压补缩对汽车发动机皮带轮的影响汽车空调压缩机是关键的耐压件,压缩机通常要通过1.38MPa卤素气体检漏试验,对汽缸体、汽缸前后盖的气密性要求非常高。为了提高尺寸稳定性,减少汽缸体与活塞之间的配合间隙,保证压缩机平稳运行,汽缸体往往选用热膨胀系数小、耐磨性能和高温性能非常优良的过共晶铝硅合金材料来制造。过共晶铝硅合金凝固过程中伴随着初生硅的形成,会释放出大量结晶潜热,从而容易在厚大部位形成缩松和缩孔。图3为一种压缩机汽缸体,材料为美国牌号B390铝合金(化学成分见表1),过共晶铝硅合金一般采用磷变质。试验中熔体采用磷盐复合变质,用挤压铸造工艺成型。由于五孔连接处比较厚大,挤压铸造过程中5孔内壁经常出现冒汗现象。解剖后观察低倍组织,如图4所示,可见明显的缩松和缩孔。这些铸造缺陷的存在将导致压缩机内泄露而失效,是不允许的。在中孔部位采用垂直局部加压补缩,并选用合适的局部加压工艺参数后,基本消除了缩孔和缩松现象(见图5)。图6为相同部位的显微金相组织,可见,显微组织细小均匀。一般地说,由于局部加压补缩加快该区域组织凝固速度,且有一定的塑性变形作用,因此有利于形成细小均匀显微组织。图7为一种汽车发动机皮带轮,材料为美国牌号A390铝合金(化学成分见表1),同类产品国内外普遍采用挤压铸造工艺生产。与B390相比,A390铝合金对杂质元素的控制要严格得多。这种合金除了与B390铝合金一样具有缩孔、缩松倾向外,还因为锌含量很低造成热烈倾向增大。采用挤压铸造工艺成型时,中孔部位由于壁厚厚大,极易出现缩孔、缩松和热裂现象。对皮带轮中孔部位实施局部加压补缩后,消除了铸件的缩孔缩松和热裂现象。铸件在凝固过程中局部加压补缩铸造部位处于应力状态,除了有利于铸件的补缩外,还有防止铸造裂纹产生的作用。实验中采用150MPa的局部压力,延时4s后加压,保压8s后开模的局部加压补缩工艺,有效地提高了皮带轮的铸件成品率和生产效率。图8为挤压铸造中局部加压模具结构示意图。由图可见,在现有挤压铸造模具上只需稍加改进,附加一套局部加压装置即可实施局部加压。3.2局部加压工艺图9为一种压缩机汽缸后盖。材料为日本牌号ADC12铝合金的化学成分(质量分数)为:9.6%~12%Si,1.5%~3.5%Cu,Mg≤0.3%,Fe≤1.3%,Zn≤1.0%,Mn≤0.5%,Ni≤0.5%,Sn≤0.3%,其余Al。采用压铸工艺生产,在卤素气体检漏试验时常常泄漏而失效,主要发生在侧面三孔中间的这一孔处,成品率只有75%左右,废品率很高。在该部位实施局部加压补缩工艺后,基本上消除了泄漏现象的发生,成品率大幅度提高,稳定在95%以上。图10为压铸中局部加压模具结构示意图,与挤压铸造一样,只需在现有压铸模具上稍加改进,附加一套局部加压装置即可实施局部加压。由于局部加压控制系统可以同步或者单独分别控制加压油缸,因此可以多部位同时同步进行局部加压,共用一套控制系统;也可以由多套并联的控制系统分别控制加压油缸,实施各自单独进行的局部加压补缩工艺。4局部加压铸造1)可消除铸件内部的缩孔和缩松等缺陷,同时也能使产品产生局部的塑性变形,有明显的加快凝固速度、细化晶粒和组织均匀化作用。2)铸件在凝固过程中局部加压补缩铸造部位处于应力状态,有利于防止铸造裂纹的产生。3)局部加压补