大型铝缸体的组芯铸造工艺

大型铝缸体的组芯铸造工艺

v12铝水体的轮廓尺寸为681.5mm439mm309mm。主壁厚度为5mm，加工后质量为49kg。材料采用1357mm和t7处理过程。加工后，将其压入铸铁罐套筒中，然后安装平水池中的壁厚为2mm。开发目标是年产500件V12铝缸体铸件。我公司首次接触此类大型铝缸体,在无技术、无装备的条件下,进行了铸造工艺开发。1经济效益分析考虑到从未生产过类似大型铝缸体铸件;现车间无合适制芯设备,且预期产量小,从经济效益考虑,开发阶段不可能新增大量大型设备。因此采用手工制芯和组芯制作铸型,再根据工艺对比、操作性的现场考察及缸体品质要求,兼顾成本等因素,最后确定合适的生产工艺。1.1确定铸件基准根据V12铝缸体结构及组芯铸造工艺特点,结合模具加工精度、制芯及组芯操作水平和后续加工工艺等因素,确定缸体铸件基准。在模具设计制造、制芯组芯及后续铸件清理时,最大限度保证铸件基准精度。在模具设计制造过程中需有脱模斜度、工艺补正等。1.2油道无砂油道成形原设计缸体油道加工形成,油道位置处易形成热节,造成缩孔、缩松缺陷,降低强度,加工后有渗漏风险。为规避油道部位渗漏,将油道直接铸造成形。供油道距缸体几何中心近,铸造偏差小,径向加工余量为1.5mm;其他油道径向加工余量为2.0mm。1.3射砂制作工艺供油道长720mm,直径为20mm,并分布12个直径为6mm、长为20mm的小芯头,质量为0.36kg,制作时射砂、起芯困难;放置时容易变形。水套芯长620mm,质量为2.4kg,采用覆膜砂手工制作,电阻炉加热模具制作油道、水套砂芯。1.4砂芯的选择应根据整体根据组芯工艺、模具加工精度及手工操作特点,尽量采取整体砂芯;对于无法成形部位设计活块、局部小砂芯;对于制作困难的小砂芯采用烧结制作,最大限度提高组芯精度。1.5缸顶凝固根据车间现有条件及以后可能实现的条件,拟进行3种工艺方法。(1)重力铸造由缸底面进铝液,缸顶面布置暗冒口补缩,常压下凝固。(2)重力铸造结合加压凝固由缸底面进铝液,缸顶面布置暗冒口补缩,先将铸型置于压力罐内,浇注结束后立即合上罐盖,向罐内通压缩空气,压力为车间管道压力(0.6MPa),缸体在压力下凝固。(3)重力浇注旋转凝固浇注结束后旋转铸型,翻转至一定角度快速封闭直浇道,切断浇冒口铝液流出通道,底部浇冒口转至上方向缸体补缩。2试验结果2.1基准生成及几何中心缺失的注意根据手工制芯、组芯铸造工艺特点,结合模具设计,将设计的铸件基准全部在同一模具上形成;铸件基准脱模斜度尽量一致,取2°;基准与缸体几何中心整数关系,便于检测分析及调整缸体尺寸;即使加工结束,铸件基准仍保留,便于铸件尺寸检测的一致性及加工时的依据。2.2压炉顶干态覆膜砂芯芯的制备采用覆膜砂手工制作砂芯见图1。模具设计时充分考虑手工制芯特点,设置螺栓升降顶芯板机构,对于起芯困难部位设置活块,同时设计模具快速夹紧机构,便于操作。芯盒在电阻炉内加热至240℃,向专用射砂枪内灌满干态覆膜砂,射砂枪移至模具加砂口并固定,向射砂枪内通入压缩空气,在压缩空气作用下,干态覆膜砂进入型腔并加热固化。制芯时,细长的供油道芯放置芯骨,取出后放置在平板上并用压铁固定防止变形。手工小批量制作的油道砂芯、水套砂芯见图1。2.3发展缸筒芯组原缸体按照曲轴箱与缸筒整体制芯、串联布置方式设计。中间6块砂芯手工芯盒很难布置加砂口,填砂困难,同时很难控制每次操作的芯盒闭合误差,且手工芯盒精度低,8块砂芯组合后长度方向尺寸精度低。采用整体底座芯,底座芯上布置缸体定位基准和关键砂芯定位面,主要砂芯直接与底座配合,避免间接定位,局部无法出芯位置设置活块或分离出小砂芯。砂芯数量稍多,组芯前先将小砂芯粘上,形成底座芯组。左、右顶盖芯将6个缸筒芯连成整体,各自整体制芯,保证了缸筒芯在长度方向距离的精度;根据需要,制芯时在缸筒芯内预埋冷铁,提高缸筒预定位置的冷却强度。将底座芯与前端面(3块)、后端面(2块)、曲轴筋板(14块)及3个油道、浇口盖板(1块)、左侧面油道口芯(1块)总计24块砂芯组合在一起,形成底座芯组。用胶和螺钉将4块砂芯固定在一起形成脊芯芯组;用胶将水套与对应的顶盖芯粘结在一起,形成左、右顶盖芯组,芯组见图2。2.4组件中心的基本过程2.4.1顶盖芯组垂直倾斜设计具有水平、左右倾转30°等3个位置的专用组芯工作台。将底座芯组放在水平状态的工作台台面上,脊芯芯组垂直放入底座芯组上;组芯工作台左倾转30°,垂直放入右顶盖芯组;将组芯工作台右向倾转30°,垂直放入左顶盖芯组。底座芯组左右倾转30°,可保证顶盖芯组缸筒部位垂直落入,减少砂芯间摩擦。组芯工作台恢复水平状态,移走已经组合的砂芯。2.4.2内燃微砂芯组合为保证定位精度,侧面芯与底座芯间隙为0.2mm,与顶盖芯间隙为1.0mm,左、右侧面砂芯周边处在底座芯和顶盖芯包围状态。左侧面砂芯质量为40kg,右侧面砂芯质量为50kg,砂芯质量较大,人工移动侧面砂芯时,很难避免与周边摩擦掉砂,且掉砂不易吹净。设计专用滑道,滑道固定在底座芯和工作台上,滑道载荷块承载侧面砂芯,向滑道通压缩空气将载荷块和侧面砂芯举升1mm,侧面砂芯距离底座芯0.3~0.5mm,但与脊芯芯组不接触,并可以横向自由移动,轻轻将左右侧面砂芯推进就位,关闭压缩空气,滑道和载荷块下降,左右侧面砂芯底面与底座芯接触,抽出滑道和载荷块,木锤轻敲侧面砂芯完成侧面砂芯组合操作。采用滑道组合侧面砂芯,砂芯间不接触,且可以自由移动,避免砂芯间摩擦掉砂且推进阻力小。2.5制造工艺2.5.1冒口与道口的设计重力铸造时,缸顶面朝上并布置冒口、缸底面朝下并布置内浇道,铝液由内浇道、缸底面逐渐上升至缸顶面、冒口,流程较长,冒口铝液温度大幅下降,冒口和冒口径设计不合理时将很难补缩。但缸顶面水套出砂口限制了冒口径大小。现阶段重力铸造V12铝缸体解剖后,无缩松,CT检查无缩孔缺陷,但有针孔。2.5.2砂芯间隙的影响将铸型置于压力罐内,浇注结束后立即合上罐盖,向罐内通入压缩空气,压缩空气透过砂芯间隙到达缸体表面,可以抑制凝固阶段金属液中气体的析出,减少针孔;同时也使铸型气化产物滞留在罐内并液化,减少浇注后有害气体的排放。试样力学性能检测结果表明,浇注后加压凝固的试样退火状态伸长率、抗拉强度略有提高;CT检测表明针孔明显减少。2.5.3铸造工艺的调整后补缩满堂缸底面在下、缸顶面在上,缸底面布置冒口和内浇道,由直浇道将铝液引入冒口,并由底部冒口向上经内浇道充型至缸体顶部,在缸体顶面、缸筒部位砂芯内预先埋入冷铁,建立缸体顶部温度最低、缸体底部温度最高的温度场,有利于补缩。浇注结束后翻转铸型,铸型翻转60°~70°时气缸推动预先埋入砂型的插板,插板移动并切断直浇道与冒口的联系,继续翻转时冒口内的铝液不会沿直浇道溢出,翻转至180°,冒口置于缸体上方补缩。与重力铸造相比,翻转凝固优点是冒口小,工艺出品率显著高于重力铸造;缸顶面和缸筒布置冷铁,对提高该部位力学性能有利。但充型时铝液上升过程中,液面裹夹的气泡和夹渣有富集在缸顶面的现象;翻转过程中,金属液作用在砂芯上,砂芯有位移风险,特别是支撑点少的脊芯芯头容易断裂;切断直浇道时机与工艺设计不匹配时,已经充满铸型并形成完整缸体的金属液有向下流动、在缸体内部瞬间缺铝的可能,严重时缸体内部会形成孔洞。2.6维激光扫描检测技术采用激光扫描检测技术测定缸体外轮廓尺寸,与实际用于模具设计的三维数据进行对比,按设定的缸体铸件基准进行拟合,对关键部位进行尺寸标注。主要尺寸精度在±0.5mm以内。批量生产时可以按±0.8mm控制,局部允许±1.0mm,曲轴箱筋板尺寸在-0.478~0.364mm间变化。三维激光扫描检测技术特点是可满足砂芯、缸体尺寸和形状检测的精度要求;通过对已有数据进行多次重复分析,可以避免接触式三座标检测后无法增补检测点的缺陷;同一数据根据需要可形成多种报告形式,且报告直观简单,便于日后分析及发现规律性变化趋势。如果发现检测的缸体尺寸或形状有异常部位,首先对模具、砂芯进行扫描检测,再将模具、砂芯、缸体对应部位的检测数据对比,通过综合分析可以确定尺寸或形状异常原因。2.7宏观缩松与油道、水套、脊芯的tpf值解剖3种工艺