鑄造模具局部延時加壓補縮工藝

鑄造模具局部延時加壓補縮工藝

目前，主要使用金屬陶瓷、低壓陶、壓力陶和壓縮陶。這四種制造工藝都采用了金屬水箱作為制造手段。但對于鋁、鎂、鋅等熱容量較小的有色金屬材料,當液態(tài)金屬進入模具型腔后,鑄件的薄壁處或遠離模具熱節(jié)的部位迅速凝固,而接近模具熱節(jié)處的液態(tài)金屬則相對凝固較慢,由于液態(tài)金屬在冷卻過程中的體積收縮,這些熱節(jié)區(qū)域對其周圍的金屬進行了液態(tài)后續(xù)補充,因此縮孔、縮松缺陷在鑄件中普遍存在,影響了鑄件的質量。在現有的幾種鑄造工藝中,由低到高的總體評價依次為金屬型鑄造、低壓鑄造、壓力鑄造、擠壓鑄造。金屬型鑄造和低壓鑄造主要依靠液態(tài)金屬的自重成型,對于壁厚差異較大的鑄件,在制訂鑄造工藝方案時,主要以設置冒口的方法消除鑄造過程中的縮孔和縮松,但這種工藝方法在很大程度上降低了金屬的利用率,同時對于某些結構復雜的鑄件在冒口設置上存在一定的困難,不能達到預期效果。而壓力鑄造、擠壓鑄造工藝使液態(tài)金屬在壓力下凝固結晶,壓力加快了液態(tài)金屬凝固速度,縮短了液態(tài)金屬有效補縮時間。對于壁厚差異較大的鑄件,由于鑄件薄壁處最先凝固,承載了鑄造模具的大部分的加壓壓力,致使鑄件厚大部位的組織自由凝固收縮形成縮孔和縮松缺陷,與金屬型鑄造、低壓鑄造工藝相比,壓力鑄造和擠壓鑄造熱節(jié)處縮松、縮孔缺陷形成的幾率更大。在現有鑄造技術的基礎上采用局部延時加壓補縮工藝,即對進入鑄造模具型腔內接近模具熱節(jié)處的液態(tài)或半固態(tài)金屬在完全凝固之前,局部施加較高的機械壓力,使鑄件熱節(jié)處的周圍盡量形成補縮通道,以提高凝固過程中補縮效果,然后凝固成型,完成整個鑄造過程。采用局部延時加壓補縮工藝可以有效提高鑄件熱節(jié)處金屬組織致密度和材料性能,消除鑄件厚大部位產生的縮孔和縮松等鑄造缺陷,減少了鑄件的廢品損失,提高產品質量。采用局部延時加壓補縮工藝,可以在鑄件工藝設計中省略或部分省略冒口設置,簡化了模具設計,提高了金屬材料的利用率,有利于降低鑄件生產成本。隨著鑄件向高性能要求方向發(fā)展,采用局部加壓補縮技術,有效提高了大型復雜鑄件的成品率和生產效率,節(jié)約了生產成本,具有廣闊的市場應用前景。1局部加壓補縮系統(tǒng)設計先采用金屬型鑄造、低壓鑄造、壓力鑄造、擠壓鑄造工藝,實現產品內部組織高致密度和近凈成型制造,待鑄件熱節(jié)之外的其它部位金屬凝固時,啟動局部加壓設備,延時一定時間后加壓油缸,自動啟動對局部實施一定壓力的加壓鑄造技術,實現厚大部位凝固時的實時補壓,滿足高性能鑄件的制造要求。鑄件成型局部加壓補縮系統(tǒng)流程:澆注→合鏌→局部延時加壓→保壓→開模。局部加壓補縮工藝的特征包括:1)澆注—將液態(tài)金屬注入模具型腔;2)合?！袎毫驘o壓力狀態(tài)下合模;3)啟動局部加壓—在模具合模的同時啟動局部加壓設備,局部加壓設備由局部加壓油缸和控制裝置組成;4)壓力延時—局部加壓設備啟動后延時1~10s開始局部加壓;5)局部加壓—開始向模具型腔施加1~120MPa壓力;6)保壓—維持局部壓力直至液態(tài)金屬凝固;7)開模取件—結束整個過程。2局部加壓補縮系統(tǒng)在鑄件凝固過程中實施局部加壓時,時機的把握非常關鍵。局部加壓實施太早,鑄件內部還沒有開始凝固,加壓補縮起不到效果;局部加壓實施太晚,鑄件內部已經完全凝固,無法再進行加壓,局部加壓將失敗。由可編程繼電器和電磁閥組成的控制系統(tǒng)可以解決局部加壓過程中的實時控制問題。圖1為局部加壓補縮系統(tǒng)的控制裝置,由可編程繼電器和局部加壓油缸推進電磁閥Ya、局部加壓油缸后退電磁閥Yb組成。可編程繼電器的輸入控制信號為合模啟動信號I1、局部加壓自動動作信號I2、加壓油缸點動推進信號I3、加壓油缸點動后退信號I4;可編程繼電器輸出信號通過加壓油缸推進開關Q1、加壓油缸后退開關Q2,以及總閥控制開關Q3,控制局部加壓油缸推進電磁閥Ya、局部加壓油缸后退電磁閥Yb,實現加壓油缸前進或后退動作。自動工作時,I1、I2信號同時接通,可編程繼電器內部程序運行,延時一定時間后,接通Q1,實現Ya電磁閥接通,局部加壓油缸推進。保壓一定時間后,Q1斷開,同時接通Q2,實現Yb電磁閥接通,局部加壓油缸后退。然后延時一定時間后,Q2斷開,整個局部加壓動作結束。在手動啟動I3推進或I4后退時,Q1、Q2分別單獨接通,實現Ya或Yb電磁閥的手動接通,使局部加壓油缸推進或后退從而完成手動局部加壓動作。圖2是局部加壓補縮系統(tǒng)控制裝置的工作邏輯圖。模塊B1、B7、B11和B15為邏輯與門,模塊B3、B13、B20為邏輯或門,模塊B2、B10、B12、B16和B18為邏輯非門,模塊B4、B9和B14為接通延時,模塊B5、B19、B21為斷開延時,模塊B6、B8、B17為帶保持的接通延時,s為時間單位。局部加壓時I1、I2同時接通,模塊B1、B2、B3、B5、B6、B7使Q1接通,Q1接通使加壓推進電磁閥工作,進行自動加壓補縮。其中模塊B6在I1、I2同時接通后延時1~10s接通模塊B5,實現了延時加壓功能,模塊B5延時2~50s之后斷開,使Q1斷開。實現了局部加壓后保壓2~50s功能。模塊B8、B9、B10實現模塊B6復位動作。當Q1接通時,模塊B11、B12使得Q2不接通。當Q1斷開時,模塊B11、B12、B13、B15、B16、B17、B18使得Q2接通,Q2接通使加壓油缸后退,完成了自動加壓補縮過程。模塊B16、B17使Q2接通4s后斷開,加壓油缸退回后電磁閥動作停止。Q1使模塊B17復位。點動推進信號I3接通,模塊B1、B2、B3、B4使Q1接通,Q1接通使加壓油缸推進,同時使模塊B4觸發(fā)脈沖信號,模塊B4、B11、B13、B15、B18、B19使Q2不接通。點動后退信號I4接通,模塊B11、B13、B14使Q2接通,Q2接通使加壓油缸后退。3局部壓力繃帶技術的試驗3.1局部加壓補縮對汽車發(fā)動機皮帶輪的影響汽車空調壓縮機是關鍵的耐壓件,壓縮機通常要通過1.38MPa鹵素氣體檢漏試驗,對汽缸體、汽缸前后蓋的氣密性要求非常高。為了提高尺寸穩(wěn)定性,減少汽缸體與活塞之間的配合間隙,保證壓縮機平穩(wěn)運行,汽缸體往往選用熱膨脹系數小、耐磨性能和高溫性能非常優(yōu)良的過共晶鋁硅合金材料來制造。過共晶鋁硅合金凝固過程中伴隨著初生硅的形成,會釋放出大量結晶潛熱,從而容易在厚大部位形成縮松和縮孔。圖3為一種壓縮機汽缸體,材料為美國牌號B390鋁合金(化學成分見表1),過共晶鋁硅合金一般采用磷變質。試驗中熔體采用磷鹽復合變質,用擠壓鑄造工藝成型。由于五孔連接處比較厚大,擠壓鑄造過程中5孔內壁經常出現冒汗現象。解剖后觀察低倍組織,如圖4所示,可見明顯的縮松和縮孔。這些鑄造缺陷的存在將導致壓縮機內泄露而失效,是不允許的。在中孔部位采用垂直局部加壓補縮,并選用合適的局部加壓工藝參數后,基本消除了縮孔和縮松現象(見圖5)。圖6為相同部位的顯微金相組織,可見,顯微組織細小均勻。一般地說,由于局部加壓補縮加快該區(qū)域組織凝固速度,且有一定的塑性變形作用,因此有利于形成細小均勻顯微組織。圖7為一種汽車發(fā)動機皮帶輪,材料為美國牌號A390鋁合金(化學成分見表1),同類產品國內外普遍采用擠壓鑄造工藝生產。與B390相比,A390鋁合金對雜質元素的控制要嚴格得多。這種合金除了與B390鋁合金一樣具有縮孔、縮松傾向外,還因為鋅含量很低造成熱烈傾向增大。采用擠壓鑄造工藝成型時,中孔部位由于壁厚厚大,極易出現縮孔、縮松和熱裂現象。對皮帶輪中孔部位實施局部加壓補縮后,消除了鑄件的縮孔縮松和熱裂現象。鑄件在凝固過程中局部加壓補縮鑄造部位處于應力狀態(tài),除了有利于鑄件的補縮外,還有防止鑄造裂紋產生的作用。實驗中采用150MPa的局部壓力,延時4s后加壓,保壓8s后開模的局部加壓補縮工藝,有效地提高了皮帶輪的鑄件成品率和生產效率。圖8為擠壓鑄造中局部加壓模具結構示意圖。由圖可見,在現有擠壓鑄造模具上只需稍加改進,附加一套局部加壓裝置即可實施局部加壓。3.2局部加壓工藝圖9為一種壓縮機汽缸后蓋。材料為日本牌號ADC12鋁合金的化學成分(質量分數)為: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。采用壓鑄工藝生產,在鹵素氣體檢漏試驗時常常泄漏而失效,主要發(fā)生在側面三孔中間的這一孔處,成品率只有75%左右,廢品率很高。在該部位實施局部加壓補縮工藝后,基本上消除了泄漏現象的發(fā)生,成品率大幅度提高,穩(wěn)定在95%以上。圖10為壓鑄中局部加壓模具結構示意圖,與擠壓鑄造一樣,只需在現有壓鑄模具上稍加改進,附加一套局部加壓裝置即可實施局部加壓。由于局部加壓控制系統(tǒng)可以同步或者單獨分別控制加壓油缸,因此可以多部位同時同步進行局部加壓,共用一套控制系統(tǒng);也可以由多套并聯的控制系統(tǒng)分別控制加壓油缸,實施各自單獨進行的局部加壓補縮工藝。4局部加壓鑄造1)可消除鑄件內部的縮孔和縮松等缺陷,同時也能使產品產生局部的塑性變形,有明顯的加快凝固速度、細化晶粒和組織均勻化作用。2)鑄件在凝固過程中局部加壓補縮鑄造部位處于應力狀態(tài),有利于防止鑄造裂紋的產生。3)局部加壓補