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某机型铝合金舱门低压铸造工艺设计

2023-10-28古良马亮吴昊李鑫

金属加工(热加工) 2023年10期
关键词:冷铁充型舱门

古良,马亮,吴昊,李鑫

陕西黄河集团有限公司铸造分公司 陕西西安 710043

1 序言

随着现代工业的发展,不但铸件的结构与型面愈发复杂多变,而且要求更短的生产周期,这些问题的出现,对于传统行业的企业是个严峻的挑战。3D打印快速成形技术以其“速度快、精度高”等特点,使得生产更加快捷、过程更加可控、时间和资源的浪费更少、效益更高,进而提高铸件质量,缩短研制周期,降低生产成本,提高企业市场竞争力。本文通过3D打印技术和低压铸造相结合,采用反重力浇注的方式,同时增加充型压力和结晶压力,以及在厚大部位增加激冷措施等,保证了铸造质量,快速生产出合格舱门铸件。

2 零件分析

舱门零件结构如图1所示。铸件重120kg,材料为ZL114A,外形尺寸为1456mm×736mm×199mm。该铸件尺寸较大,型面多变,尺寸精度要求CT10级,内部质量要求Ⅱ类,验收标准采用HB 5480—1991《高强度铝合金优质铸件》,100%X射线检测,且要求首件于15天内交付。该铸件壁厚为5~60mm,局部壁厚突然增厚,且存在铸件两端等多个部位(见图2),中间隔板壁厚为5mm,两端4个角处壁厚为60mm。

图1 舱门零件结构

图2 舱门铸件

3 工艺分析

由于该铸件为受力结构,属于Ⅱ类铸件,因此不允许存在裂纹、气孔、缩孔、缩松及夹渣等铸造缺陷。常规重力浇注,充型过程易卷气、夹渣[1]。由于该铸件为曲面结构,平面高低落差为460mm,且大范围冒口的使用,会导致部分冒口高度较高,消耗金属量增加,总的浇注铝液重量在460kg左右,造成铸件出品率降低,成本增加。由于该铸件结构壁厚不均匀,因此局部位置仅靠冒口不能完全解决铸件缩松问题,浇注质量无法保证。

4 铸造工艺设计

根据上述分析,浇注系统设计优化为低压浇注系统。浇注系统采用底注充型,使铸件充型更加平稳[2],铝液通过中间过道输送到铸件各个部位,减少因铝液冲击型腔飞溅而引起的氧化夹渣[3]。直浇道直径为80mm,横浇道尺寸为(80mm/90mm)×60m,内浇道小端尺寸为60mm×(20mm/40mm),斜度5°,过道高度为90mm/100mm×60mm。对于热节较大的铸件上部,采用厚度15~25mm的钢质冷铁激冷,使铸件形成从上到下的顺序凝固,最后凝固的为热节最大的横浇道[4]。浇注系统设计及冷铁分布如图3所示。

图3 浇注系统设计及冷铁分布

由于铸件曲面结构及型面变化复杂,因此在采用常规木制模样生产时,铸件尺寸不易保证,尤其对于型腔内表面的尺寸精度影响较大,且单独制作模样工期就需要35天,总工期预计只有60天,因此交货期无法满足客户要求。通过对成本、质量、工期的综合分析,最后确定该铸件采用3D打印砂芯的方式进行生产。使用UG三维设计软件对铸件进行浇注系统及砂芯设计,并在软件中进行优化,主要针对零件、铸件、浇注系统、冷铁计及砂芯进行工艺设计。

由于3D打印砂芯的使用,分芯由6个减少为2个(见图4),极大地提高了组芯的精度,保证了铸件的尺寸精度。

图4 砂芯

5 低压浇注工艺

根据工艺分析,针对铸件壁厚变化大的特点,为使铸件在压力下充型及凝固,提高铸件的致密性[5],减少铸件内部缺陷,浇注过程分为升液、充型、增压1、结壳、增压2及保压,具体参数见表1。

表1 低压铸造浇注工艺参数

6 生产过程

1)应用3D打印机直接打印出三维砂芯,3D砂芯变形量小,组芯时偏差较小,尺寸精度可达到±0.2mm。生产流程主要有导入、打印、检查及包装运输4步,打印完成的砂芯如图5所示。

图5 打印完成的砂芯

2)组芯。3D打印砂芯表面粗糙度分布均匀且表面相对光洁,减少了表面打磨返修的工作量。对打印好的砂芯进行打磨,经人工检测、安装冷铁、修整、喷涂及烘干后进行组芯合型,如图6所示。

图6 组合后的砂型

3)低压浇注及清砂。按照编制的低压工艺参数进行浇注,为防止裂纹及变形,浇注后冷却16h再进行落砂、清砂,最后得到清砂后的铸件及浇注系统,如图7所示。

图7 清砂后的铸件及浇注系统

4)对铸件内部进行X射线检测,并对外观尺寸进行划线检查,结果均合格。

7 产品检测及效益分析

经过检查和测量,该铸件尺寸精度达到CT10级,内部质量符合Ⅱ类铸件要求,100%X射线检测合格,生产周期仅14天。该铸件分别采用传统铸造和信息化铸造技术工艺生产总成本统计见表2。

表2 传统铸造及信息化铸造技术工艺生产总成本统计 (万元)

由表2可看出,此次信息化铸造的成功应用,直接节约成本46%,缩短生产周期76%,同时在铸造工艺设计时浇注系统更为合理,更利于铸件凝固收缩时的补缩,进一步提高了铸件的内部质量。

8 结束语

1)复杂型面及壁厚变化较大的铝合金铸件,采用低压浇注工艺可提高其铸件浇注质量,有效解决充型过程中的卷气、夹杂等铸件缺陷。对于厚大部位可单独设置补缩浇口进行补缩,可有效防止厚大部位产生缩松缺陷。

2)在低压铸造工艺中应用3D打印砂芯,减少了木模制作工序,极大地节约了人工和材料费用,同时大幅提高了生产效率和铸件尺寸精度,尤其对于复杂型面和浇注系统的实现提供了有力保证,使铸件补缩及顺序凝固更加容易实现。

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