熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù) 在大型復(fù)雜薄壁艙體鑄件上的應(yīng)用

2017-03-19 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

隨著裝備輕量化的加速發(fā)展,近十年來,為追求零部件的結(jié)構(gòu)緊湊化,把原來由幾個機加鋁合金零件組裝而成的部件,改用一個整體鋁鑄件來代替的情況日益增多[1-2],大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件的應(yīng)用已成為一種趨勢。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜(曲線型面、變壁厚、多筋多凸臺等)、加工難度大和高承壓能力的耐壓構(gòu)件,從減少鑄件切削加工量、縮短制造周期、降低成本等出發(fā),國外通常采用壓力鑄造、擠壓鑄造和熔模鑄造等技術(shù)成形,而采用熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù)實現(xiàn)鑄件的薄壁化澆注,可使鑄件晶粒細化,致密度提升,組織及性能均得到明顯改善[3-4]。

熔模石膏型真空增壓鑄造技術(shù)是專門針對航空航天裝備中常見的一類復(fù)雜、薄壁整體結(jié)合和高氣密性鑄件而開發(fā)的一種新技術(shù)。該技術(shù)集成了熔模石膏型工藝中尺寸精度高、表面粗糙度低、薄壁化程度低和真空增壓鑄造技術(shù)中合金充填性能好、縮孔縮松程度低、鑄件性能優(yōu)良的優(yōu)點,克服了傳統(tǒng)鑄造技術(shù)中尺寸穩(wěn)定性不好、精度低、難以實現(xiàn)薄壁整體結(jié)合的缺點。目前熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù)已成功應(yīng)用于航空航天鋁合金薄壁鑄件的工程化生產(chǎn),不僅獲得十分優(yōu)異的鑄件冶金品質(zhì),而且實現(xiàn)傳統(tǒng)鑄造技術(shù)難以企及的鑄件合格率,熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù)已經(jīng)成為大型復(fù)雜薄壁鑄件鑄造的重要手段。

2 熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù)原理及其特性

2.1 熔模石膏型的技術(shù)優(yōu)點

熔模石膏型是將傳統(tǒng)的熔模鑄造法和普通石膏造型法結(jié)合起來的一種造型方法,兼有兩者的優(yōu)點,但也有其獨特的地方,其特點為:生產(chǎn)周期短,鑄件的精度高,表面質(zhì)量好,且成本低,石膏鑄型殘余強度低,潰散性良好,利于鑄件清理,生產(chǎn)的鑄件具有尺寸精度高,表面粗糙度小和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點。

(1)尺寸精度高,表面粗糙度小

熔模石膏型真空加壓鑄造采用了尺寸精度、表面光滑的可溶性模,而獲得了無分型面的整體型殼,且避免了一般鑄造方法中的起模、下芯、合型等工序所帶來的尺寸誤差,鑄件的棱角清晰,尺寸精度可達CT4~CT6級,表面粗糙度可達Ra0.8~1.25μm。因此熔模石膏型真空加壓鑄造所生產(chǎn)的鑄件,已接近于零件的最終形狀,故可顯著減少鑄件的加工工作量,并節(jié)省金屬材料的消耗。

(2)適用于鑄造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的精密鑄件

熔模石膏型真空加壓鑄造可鑄造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密,且難于用其它方法生產(chǎn)加工的鑄件,石膏漿料流動性和復(fù)制性良好,石膏導(dǎo)熱性差,有利于金屬液充填,其生產(chǎn)不受拔模的限制,可鑄造壁厚僅為0.5mm,鑄孔最小孔徑為1mm以下的小鑄件和薄壁件,還可鑄造重量大于1000kg,外形尺寸可達2000mm以上的大型鑄件。可將原來由許多零部件組合的部件進行整體鑄造,鑄件成品率高,可達90%以上。

2.2 真空加壓鑄造技術(shù)原理

真空加壓鑄造是在真空吸鑄、低壓鑄造及差壓鑄造的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種反重力鑄造方法,是將真空澆注和加壓凝固融為一體復(fù)合而成的一種鑄造技術(shù)[5-6]。其機理有兩個方面:一是通過真空澆注的工藝條件,避免澆注和充型過程中的卷氣、窩氣,消除鑄件內(nèi)部的侵入性氣孔和大幅減少鋁液表面氧化膜的產(chǎn)生,同時提供鋁液充型時平穩(wěn)流動和避免氧化膜夾雜降低鑄件力學(xué)性能;二是通過對凝固中的鑄件施加外力(立體加壓的氣壓力),使凝固中的鑄件產(chǎn)生液相金屬的擠濾作用和已凝固的枝晶產(chǎn)生顯微變形,從而提高冒口的有效補縮能力,保證鑄件的致密性和強韌性;同時抑制鑄件凝固時氣泡的形成和增加氫氣體在固態(tài)合金中的溶解度,保證鑄件針孔度級別的優(yōu)良,從而保障鑄件的氣密性和耐壓性。

真空加壓鑄造設(shè)備示意圖如圖1,其工藝過程如下。

熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù) 在大型復(fù)雜薄壁艙體鑄件上的應(yīng)用ansys圖片1

圖1 真空加壓鑄造設(shè)備原理示意圖

(1)鑄型和裝有金屬液的澆包安置在工作艙內(nèi),并快速關(guān)閉艙門,實現(xiàn)工作艙的密封。

(2)啟動設(shè)備,對工作艙抽真空,并在真空氣氛下完成鑄件的澆注、充型。

(3)對工作艙充壓,并保壓一段時間,使鑄件在外加壓力條件下凝固成形。

熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù)原理可歸納為一句話:真空澆注和加壓凝固。真空加壓鑄造工作艙的鑄型及金屬液環(huán)境壓力示意圖如圖2 所示(圖中壓力數(shù)值的零點以大氣壓力為準)。

熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù) 在大型復(fù)雜薄壁艙體鑄件上的應(yīng)用ansys圖片2

圖2 鑄型及金屬液環(huán)境壓力示意圖

2.3 真空加壓鑄造工藝特性及技術(shù)優(yōu)點

(1)對金屬液流動性的影響

真空澆注與大氣壓下澆注相比,金屬液流表面張力降低、鑄型型腔氣阻小,金屬液流動性大幅提高,由圖3可知,提高1倍左右,十分有利于薄壁復(fù)雜鑄件的澆注充型,保障鑄件的順利成形。

熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù) 在大型復(fù)雜薄壁艙體鑄件上的應(yīng)用ansys圖片3

圖3 流動性比較(材料:ZL114A,試樣,同軸3R半圓蝸旋;型溫,200±10℃;澆注溫度,730±10 ℃)

(2)對力學(xué)性能的影響

彌散在鑄件內(nèi)部的氧化膜夾雜微粒數(shù)量多少的差異,如圖4所示。大氣下澆注時,鑄件強度值波動大,而真空澆注時,強度值均在大氣下澆注時的上限;當(dāng)應(yīng)力值一定時,鑄件的疲勞壽命相差5~ 10倍。由此證明了真空澆注對改善鑄件強韌性和疲勞壽命的顯著效果。

熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù) 在大型復(fù)雜薄壁艙體鑄件上的應(yīng)用ansys圖片4

圖4 鑄件疲勞強度對比(材料,ZL114A;疲勞試驗,沖擊試驗)

(3)對鑄件縮松的影響

加壓凝固時, 由于外力對枝晶間間隔液相金屬的擠濾作用和使初凝枝晶發(fā)生顯微變形, 大幅提高了冒口的工藝補縮能力, 結(jié)果使鑄件內(nèi)部縮松得到改善(見圖5);另外,還由于真空增壓鑄造法的加壓方式是“立體加壓”,不同于其他壓力鑄造“管道加壓”方式,勿需整體補縮通道,克服鑄件的縮松傾向效果明顯。

熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù) 在大型復(fù)雜薄壁艙體鑄件上的應(yīng)用ansys培訓(xùn)課程圖片5

圖 5 加壓鑄造對棒狀鑄件縮松的影響(ZL114A,澆注溫度720~730℃)

(4)對鋁鑄件針孔的影響

在鋁鑄件的生產(chǎn)中,由于合金液中溶解的氫原子在鑄件凝固過程中析出氫氣,最終在鑄件內(nèi)部形成針孔。針孔嚴重時鑄件常因氣密性和力學(xué)性能低下而報廢。

首先討論加壓凝固對合金液析出氫氣形成氫氣泡的影響。

氫氣泡形成的條件:

熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù) 在大型復(fù)雜薄壁艙體鑄件上的應(yīng)用ansys培訓(xùn)課程圖片6

當(dāng)增大“P外力”使PH≤P外時,就不能形成氫氣泡。

另外,從圖6 所示不同外壓下氣體在合金中的溶解度變化關(guān)系中可以看出,增加外壓可增加氣體在固相合金中的溶解度。

熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù) 在大型復(fù)雜薄壁艙體鑄件上的應(yīng)用ansys培訓(xùn)課程圖片7

圖6 不同外壓下氣體在合金液中的溶解度示意圖

綜上所述,熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù)通過采用先進的技術(shù)原理,綜合并強化了各種反重力鑄造技術(shù)的優(yōu)勢,為鑄件的薄壁化、復(fù)雜化和高品質(zhì)化提供了更為有力的保障。

3 大型復(fù)雜薄壁艙體鑄件熔模石膏型真空加壓鑄造成形

3. 1 大型復(fù)雜薄壁艙體鑄件成形關(guān)鍵技術(shù)

針對大型、復(fù)雜、薄壁、整體鋁合金鑄件鑄造成形中共有的合金液充型困難、分散熱節(jié)縮孔和縮松嚴重、分散熱節(jié)和厚大部位針孔密集、變形及尺寸精度4大技術(shù)難點,就熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù)應(yīng)用適宜性和相關(guān)技術(shù)進行討論。

(1)合金液充型問題

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)要求和影響合金液充型的3大要素:型腔氣阻、合金液流表面氧化膜、鑄型溫度和導(dǎo)熱率的全面分析可知,采用真空澆注技術(shù),再融入可熱模澆注、熱導(dǎo)率低的石膏型工藝及分散內(nèi)澆道方案,即可使狹長、復(fù)雜型腔合金液充型困難的問題得到極大的改善。

(2)分散熱節(jié)的補縮問題

鑄件表面積大,平均壁厚小,且又有眾多的分散熱節(jié),難以建立完整的順序凝固溫度場,分散熱節(jié)補縮困難,極易形成縮孔、縮松等缺陷。對此,利用真空加壓鑄造法的立體加壓,使鑄件凝固過程中各個部位均整體受壓,并設(shè)置相應(yīng)的分散冒口等,便可有效地解決好對分散熱節(jié)的補縮。

(3)針孔問題

復(fù)雜鋁合金鑄件除幾何形狀復(fù)雜外,其復(fù)雜的含意還包括了鑄件的一些特殊功能要求( 如氣密性、耐壓性等) 。對一些有高氣密性要求的鋁合金鑄件,常因鑄件內(nèi)部針孔嚴重、氣密性性能低下,造成大量或成批報廢。對此問題,在保證鋁合金熔煉質(zhì)量充分除氣的情況下,在鑄件整個凝固過程中對其立體加壓,就可以充分保障鑄件針孔度級別的優(yōu)良。

(4)變形及尺寸精度問題

因超大型的尺寸,使合型、下芯十分困難,而且更難以保證位置、形狀尺寸的精度。對此,可采用預(yù)制整體石膏型芯—帶石膏型芯的超大型熔模—外形石膏型的鑄型制備工藝。

3.2 大型復(fù)雜薄壁艙體鑄件成形工藝設(shè)計

3.2.1鑄件蠟樣成形

快速成形工藝主要用于大尺寸薄壁及復(fù)雜精密構(gòu)件關(guān)鍵模具的快速成形,適用于成形難度大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件及新產(chǎn)品的開發(fā),在提高大型精密復(fù)雜模具制造質(zhì)量、短時間內(nèi)實現(xiàn)模具快速制造和修復(fù)、新產(chǎn)品新工藝試制等方面具有突出優(yōu)勢[7]。采用快速成型工藝制備出形狀完整、輪廓飽滿、表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)良的大型復(fù)雜薄壁鑄件蠟樣如圖7所示。

熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù) 在大型復(fù)雜薄壁艙體鑄件上的應(yīng)用ansys培訓(xùn)課程圖片8

圖7 大型復(fù)雜薄壁鑄件蠟樣

3.2.2 澆冒系統(tǒng)的設(shè)計

對鑄件澆冒系統(tǒng)進行了初步設(shè)計,并通過MAGMASOFT軟件對鑄件鑄造充型、凝固過程中的溫度、速度、應(yīng)力場及缺陷分布狀態(tài)進行了模擬(鑄件充型和凝固過程見圖8),進而對澆注系統(tǒng)進行優(yōu)化改進,獲得了“多層過濾+多澆口短流程+凝固導(dǎo)向冷鐵+分散熱節(jié)補縮冒口”的鑄件澆冒系統(tǒng),如圖9所示。

熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù) 在大型復(fù)雜薄壁艙體鑄件上的應(yīng)用ansys workbanch圖片9

(a)充型速度場 (b)凝固溫度場

圖8鑄件充型凝固過程模擬圖

熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù) 在大型復(fù)雜薄壁艙體鑄件上的應(yīng)用ansys workbanch圖片10

圖9 鑄件澆冒系統(tǒng)

3.2.3 鑄型制備工藝

由于鑄件三種艙體輪廓尺寸均較大,加上石膏傳熱慢的特點,焙燒階段爐膛熱量向鑄型內(nèi)部傳遞困難,內(nèi)外溫度的不同步導(dǎo)致型腔內(nèi)外容易出現(xiàn)收縮率差異。鑄件所選用的鑄型材料為一種高強、收縮率穩(wěn)定溫度區(qū)間長、抗裂能力強的新型材料。

鑄件鑄型在灌漿結(jié)束后自然干燥24h,隨后入爐進行干燥、脫蠟、焙燒,焙燒工藝曲線見圖10。各溫度梯度之間升溫時間均為1h,降溫為隨爐降溫。

熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù) 在大型復(fù)雜薄壁艙體鑄件上的應(yīng)用ansys workbanch圖片11

圖10 鑄件鑄型焙燒工藝曲線

3.2.4 真空加壓鑄造

為進一步保證鑄件薄壁結(jié)構(gòu)的順利成形和厚大部位分散熱節(jié)的充分補縮,同時,減少多澆道澆注系統(tǒng)的二次氧化和型腔反壓,鑄件澆注采用真空澆注、加壓凝固工藝,試驗確定的真空加壓鑄造主要工藝參數(shù)見表1。

表1 鑄件真空加壓鑄造主要工藝參數(shù)

鑄型溫度(℃)	澆注真空度(MPa)	澆注溫度(℃)	加壓壓力(MPa)	保壓時間(min)
350±10	-0.04~-0.08	760±10	0.8~1.2	4~5

鑄件的真空加壓鑄造過程中澆注速度、工作壓力(真空度)、鋁液溫度隨時間變化的工藝曲線,如圖11所示。

熔模石膏型真空加壓鑄造技術(shù) 在大型復(fù)雜薄壁艙體鑄件上的應(yīng)用ansys圖片12

圖11 鑄件真空加壓鑄造工藝曲線

3.2.5 熱處理工藝

為解決鑄件大型薄壁殼體結(jié)構(gòu)剛性差,常規(guī)熱處理工藝鑄件變形嚴重、校正困難的問題,采用“室溫裝爐—緩慢階梯升溫—上限長時保溫—下限短時保溫—熱水水淬”的工藝進行鑄件防變形固溶熱處理,將鑄件固溶處理變形量控制在±2mm以內(nèi),從而大大減小了鑄件的校正變形量,保證了校正的安全順利開展。試驗確定的鑄件熱處理規(guī)范見圖12。