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挤压铸造成形主要工艺参数与的生产工艺

2020-10-04 22:14:45

(一)、挤压铸造成形主要工艺参数
1合金液的温度参数
合金液温度参数主要包括合金熔炼温度、出炉温度和浇注温度。
合金液的充型温度对成形制件的品质及模具寿命有着重要的影响。挤压铸造过程中,合金液浇注温度的选择与合金成分、挤压铸造成形方式及铸件的结构特点等因素有关。对于传统的挤压铸造成形工艺,其浇注温度通常选择在合金液液相线温度以上50℃~100℃范围,根据相关的生产和实验经验,一般A1-Si合金挤压铸造的浇注温度范围为680℃~720℃。而对于大型复杂的间接挤压铸造铝合金零件而言,其壁厚区间和轮廓尺寸较大,外形结构较为复杂,为了使合金液在充型时流动性好,合金液充型过程容易,合金液的浇注温度应取高些。但浇注温度不宜过高,过高的浇注温度对铸件品质和模具寿命也会产生不利的影响,同时,还需要考虑浇注系统在输送合金液过程中的温降,综合上述分析,铸造模具浇注温度取700℃一750℃。
(2)挤压压力
挤压铸造工艺的一个显著特征是在较高压力作用下结晶凝固,因此,挤压力的大小及保压时间的长短对铸件的品质有着非常重要的影响。挤压压力的选择通常需要综合考虑合金特性、加压方式、制件结构特点及性能要求等因素。
挤压压力不足、加压速度过慢或者开始加压的时间间隔过长等都会导致加压冲头在加压过程中不能克服合金液外围硬壳层的塑性变形而使合金液内部形成的比压较小,从而可能会导致铸件出现缩松、缩孔等内部组织缺陷及轮廓不清晰等几何缺陷;而挤压压力过高,合金液中过高的等静压力会传递到模具上,如果模具锁模力不足或者模具刚度不够,模具会因此产生较大的变形甚至导致合金液的喷溅,严重时甚至会导致模具产生不可的损坏,直接影响铸件成形质量,增加模具维修保养成本和缩短模具使用寿命,因此,在满足铸件成形品质的前提下,挤压力应取较小值。
本文所提出的挤压铸造成形工艺是采用垂直中心底部间接充型的方式进行浇注,由于其铸件体积较大,所需浇注时间较长,合金液然后到达位置离浇道口的距离较远,因此,在浇注完成后模加压前,在合金液外围会形成一层较厚的硬壳层,为了克服硬壳层的塑性变形而在液态合金中建立较大的比压,其挤压压力值需要考虑取较大值。综合上述分析,选取压力值范围为80MPa~100MPa。
(3)保压时间
保压时间的确定,先要考虑的条件是能合金液能在压力作用下凝固,在这个前提之下,保压时间要尽可能的短,以缩短生产周期和利于铸件余热处理。在实际生产中,保压时间的大小可按照铸件的较大厚度估算,取每毫米0.5S~1S,而对于壁厚较大的零件,可适当延长保压时间。由前文分析可知,铸件较大壁厚约为80mm,因此,取保压时间为70s~90s。
(4)浇注速度
确定浇注速度需要综合考虑挤压铸造工艺特点和挤压铸造设备所能提供的速度范围。前文提出的挤压铸造成形工艺的浇注方式具有间接挤压铸造浇注方式的特点,因此,在确定合金液的浇注速度时,可以按间接挤压铸造成形方式来分析。对于具有间接充型特点的挤压铸造成形方式,由于其浇道较长且横截面较小,合金液在充型过程中的热量散失会较大,因此,如果充型速度过低,会使部分合金液在充型过程中因温度降低而凝固,从而会导致铸件产生欠铸、轮廓不清晰、冷隔、缩孔缩松等缺陷;但如果充型速度过高,又会使合金液流动不稳定,气体不能及时排出,导致充型过程中出现卷气现象,形成气孔、小孔等缺陷,严重影响铸件内部质量,同时,如果模具合模间隙较大,还可能会导致合金液喷射及产生严重飞边等问题,造成合金液体积不足而影响铸件尺寸精度甚至使铸件报废。因此,对于间接挤压铸造,一般浇注速度取5mm/s~15mm/s。
对于大型零件挤压铸造,由于铸件体积较大,壁厚不均,壁厚区间大,为合金液能完整充型,尽量减小在充型过程中的温降,在选取浇注速速时可适当提高浇注速度,其浇注速度范围可选择15mm/s~30mm/s,并可通过流动场的数值模拟来优化充型速度的取值结果。
(5)模具工作温度
模具温度直接影响到铸件质量和模具的使用寿命。模具工作温度过低,会使合金液冷却速度过快而导致在铸件表层形成冷隔等缺陷,同时,模具与合金液间的大温差可使模具产生较大的热应力,严重影响模具使用寿命;而模具温度过高,合金液容易产生粘模现象,加速模具内表面的机械磨损,同时还容易产生粘焊现象。
对于铝合金挤压铸造而言,一般模具的预热温度范围为150℃~200℃,模具工作温度范围需要达到200℃~300℃。挤压铸造成形工艺由于其充型速度较慢,特别是对于大体积充型的挤压铸造,为避免过高的温降影响合金液在充型过程中的流动性,模具温度可适当提高。
上述大型复杂铸件挤压铸造成形工艺的主要参数是根据一般挤压铸造成形工艺参数的选取原则和生产经验确定的,为了铸件的质量,对于不同的挤压铸件和挤压铸造工艺,还需要通过生产实践来进一步验证和优化。
(二)、覆膜砂铸造模具的生产工艺
挤压铸造成形具有“低速充型,高压结晶”的显著特点,其合金液在压力作用下的凝固过程可使铸件获得致密无缺陷的内部组织、良好的表面质量和的力学性能。覆膜砂铸造模具其成形过程集中了铸、锻等技术的优点,是实现“近净成形”的重要技术手段。挤压铸造技术的生产涉及到铝、锌、镁、铜及复合材料等领域,其中,铝合金制件因具有密度低、组织均匀致密和力学性能等特点,在交通、家电等民用工业及航天航空等领域了广泛地应用。铝合金挤压铸造技术作为实现零件轻量化和高性能化发展的重要手段,应用也越来越广泛。
在工业生产中,模具作为一种重要的生产工艺设备,其设计和制造水平不仅影响着工艺技术的正确实施,还对相关生产工业产品的品质以及企业的经济效益有着重要的影响。挤压覆膜砂铸造模具作为挤压铸造成形系统中的基础工艺装备和工艺装备,为铸件品质,就需要合理地确定模具结构参数、正确进行模具结构的设计和制造。
对于大型复杂零件的挤压铸造成形过程,除需要考虑合理的模具结构外,还需要根据零件的特点,地确定成形工艺方案。相比于中、小型零件和结构简单的大型零件,大型复杂零件在挤压铸造成形时,零件具有体积较大、外形结构复杂、壁厚不均、成形困难等特点,其成形工艺要求高,成形难度大,如果单独采用直接挤压铸造或者间接挤压铸造方法,均很难达到其成形要求。同时,大型复杂零件在挤压铸造时还面临着局部成形困难、缺陷严重、表面质量差以及制件的成形精度和成形一致性难以等问题。
因此,为解决大型复杂零件在挤压铸造成形过程中面临的上述问题,本课题以某特种车辆大型复杂支架作为研究对象,提出了大型复杂零件挤压铸造成形工艺的一种可行方法,设计符合大型复杂零件挤压铸造成形要求的模具结构,解决大型复杂零件挤压铸造成形中的关键问题,并通过成形实验研究,实现大型复杂零件挤压铸造成形。对该课题的研究将有利于挤压铸造成形技术在大型复杂零件成形上的应用,为大型复杂零件挤压铸造成形研究建立技术基础,并提供可行和技术途径。覆膜砂铸造模具挤压铸造成形技术 从挤压铸造成形技术被提出发展至今,出现过“液态金属锻造”、“液态模锻”、“压力结晶铸造”等多种名称,“压铸学会”将该工艺定名为“Squeeze-Casting”(挤压铸造),并列入了“特种铸造”的范畴。
1.挤压铸造成形机理
挤压铸造典型的工艺过程可分为模具准备、浇注(充型)、加压(保压)和开模取件四个步骤。挤压铸造成形过程主要包括了合金液高压下结晶凝固、塑性变形下的强制补缩与密实这两个过程,其成形机理。
在合金液浇注完成后,其外围会由于热量损失严重而形成一层硬壳层,待凝固合金液被该硬壳层包裹在一个封闭的空间内,被硬壳层包裹的合金液在结晶凝固时,会产生严重的体收缩,从而形成缩孔、疏松等缺陷,若此类缺陷在整个结晶凝固过程中得不到合金液的补偿,成形制件就会产生严重的铸造缺陷。挤压铸造技术就是利用合金的塑性变形特性,在凸模施加机械压力的作用下,迫使外围硬壳层沿施力方向定向减缩,从而使合金液凝固时所发生的体收缩通壳层产生的塑性变形来补偿,同时,硬壳层在压力作用下的塑性变形还可使未凝固的液态合金内部获得等静压力,压力可将凝固前端的合金液压入因凝固所形成的间隙中,实现凝固过程中的强制补缩,并使铸件获得在压力下结晶凝固的各种属性。
2.挤压铸造成形方法分类及特点
挤压铸造成形方法按工艺特点分类,常用的主要有直接挤压铸造法((DirectSqueezeCasting)和间接挤压铸造法(IndirectSqueezeCasting)。
直接挤压铸造法,其主要特征是,在凸模合型加压前,合金液被浇注到模具型腔内,加压时凸模直接在合金液上加压,模具没有专门的浇道,该方法适用于成形结构简单的中、小型空心或通孔类铸件,成形铸件的综合力学性能较好。
但采用该法生产时,为了铸件的尺寸精度,浇入到模具型腔内的合金液计算和定量控制,同时还需要尽量使型腔内合金液按挤压方向单向凝固,以挤压压力在合金液中的传递,因此,该法对成形结构复杂的铸件存在困难,成形铸件的形状受到了较大限制。
间接挤压铸造法,主要特征是在加压前,合金液充满预合型的封闭型腔,加压时,加压冲头通过浇道中的合金液将压力传递到型腔合金液中该方法不需要配置的浇注系统,铸件尺寸容易控制,且有利于铸件的成形和在压力下的强制补缩过程,适用于成形结构较为复杂、凝固区间小、精度及表面品质要求高的中型或小型铸件。但是这种间接加压的方式使压力在传递过程中损失较大,铸件综合性能较低。大型复杂零部件挤压铸造发展现状及前景 挤压铸造成形能显著提高铸件表面质量,细化内部组织,提高铸件的尺寸精度和综合力学性能。目前,随着零部件轻量化、强韧化的发展趋势,挤压铸造技术研究越来越受重视,并在众多领域了广泛应用,其产品主要集中在汽车、摩托车和家电等大批量生产的零部件以及航空航天领域等结构复杂、性能要求高的零部件。
近年来,虽然国内采用挤压铸造成形技术在大型零部件如汽车轮毅、负重轮等产品的生产上取得了一些进展,但与的差距还比较大,且挤压铸造设备的发展与日、美等发达还存在较大差距,严重制约着该成形技术在大型复杂零部件上的应用。
随着我国经济的高速发展和资源、环境等问题尖锐化,汽车工业、轨道交通、航空航天等对相关装备的结构复杂化、轻量化和高性能化都提出了高的要求,而铝合金挤压铸件因其具有密度低、组织均匀、综合性能以及经济等特点,成为了实现零件轻量化和高性能化发展的重要手段,其应用越来越广泛。其中,高强韧铝合金的应用备受关注,其制件不仅具有低密度、机械性能优良、性好以及经济的特点,而且还具备良好的机加工性能及焊接性能,近年来,优化合金成分设计、提高纯度、发展新的热处理制度、细化合金的组织结构、调控合金中相的较佳三维分布,成为发展高性能铸造铝合金的重要方向。挤压覆膜砂铸造模具的研究现状 挤压覆膜砂铸造模具的主要功能是合金液凝固成形、对正在结晶的合金直接施加机械压力和进行铸件的热交换等,其结构与压铸模相似,核心零件主要包括凹模、凸模、型芯、压头、压套、镶块等,在模具的设计制造工作中,较主要和较重要的工作就是对这些零件的设计和加工。
从实际生产考虑,挤压覆膜砂铸造模具还需要具备能铸件表面质量和尺寸精度、内部组织结构能达到设计和生产要求的能力,并且能满足制造、维护和修理成本低、实际操作方便、使用寿命长、生产等要求。
国内在挤压覆膜砂铸造模具的研究上,对挤压覆膜砂铸造模具结构进行了系列化的分析和设计;对挤压覆膜砂铸造模具的零部件做了标准化的研究。这两篇文献对挤压覆膜砂铸造模具结构形式和模具零件设计做了归纳和总结,提出了挤压覆膜砂铸造模具设计系列化和标准化的思想,有利于提高模具设计制造的效率。
在大型复杂零件挤压铸造成形模具的设计上,目前研究的方向主要集中在改进模具结构增强整体挤压效果(实现二次或多次挤压)、通过浇道或溢流槽提高充型精度和利用辅助结构增加局部挤压效果等方面。其特点主要体现在通过结合直接挤压铸造工艺和间接挤压铸造工艺的优点来达到提高成形铸件品质的目的。
采用浮动式结构的挤压覆膜砂铸造模具,加压时可增强铸件轴向或径向的整体挤压效果。
浮动式静压挤压覆膜砂铸造模具,加压时其浮动结构可实现模具的轴向增压。
凸模下行加压时,凹模在凸模的推动下向下移动,使凸模产生的压力能均匀地传递到铸件的各个部位,实现凸模和凹模同时对合金液的施压和保压。
利用浮动式组合凹模结构,通过上模下压带动组合凹模下移,并与固定凹模底块间的相对运动所产生的径向压力实现对活塞铸件的加压,提高了挤压铸件的综合性能。该模具的特点是需要通过弹簧装置对浮动结构进行支撑,在外力作用下,通过模具浮动结构的下移来产生挤压压力,在外力移除后,浮动结构可在弹簧装置的作用下复位。覆膜砂铸造模具的作用 该模具中,模具动圈通过动圈垫块刚性支撑,模具动圈可随着动圈垫块的转动而平稳下移,实现对模具封闭型腔中合金液的加压,同时,动圈下行时,动圈与合金液之间产生的摩擦力还可起到细化晶粒的作用。
在通过设计浇道或溢流槽提高充型精度方面,一种带溢流槽的挤压模具结构。模具通过长度可调的推杆和带压缩弹簧的推杆共同控制下模芯的高度位置,从而模腔中的合金液的定量充型和成形。该模具实现了依靠自身结构达到合金液的充型的目的,无需通过人工控制或设计额外的辅助定量充型装置,多余的合金液在合模时会溢出模腔,排入溢流槽。
合适复杂零件直接挤压铸造成形的模具结构。
相对于铸件充型末端位置,在模具相对应位置上设置专门的溢流结构,多余的合金液在压头下移过程中流入溢流腔内。该模具可通过确定溢流槽与铸件充型末端面间的距离,来实现合金液的定量浇注,提高成形精度。
在通过模具结构增加挤压压力方面,间接凸模局部加压的模具结构,实现了对结构较为复杂的支承座零件增加局部的挤压铸造压力,解决了通过整体加压难以局部缺陷的问题,提高了铸件质量。
一种间接挤压覆膜砂铸造模具的附加锁模装置,通过设计锁模拉杆结构来实现模具的连锁和解除模具连锁,从而达到增加模具的锁模力的目的和实现模具的闭模浇注过程。
一种通过辅助加压装置增加局部挤压效果的挤压覆膜砂铸造模具,针对铸件壁厚区间较大的位置,在模具相对应的位置设置有辅助加压装置,在挤压时可实现对铸件壁厚处局部增压。该加压装置可通过控制冲头的截面积、加压距离和加压起始时间,将增压通道内的合金液注入铸件壁厚处,增强局部挤压效果,避免形成疏松、缩孔等缺陷,改变了铸件组织结构,提高了制件综合性能。覆膜砂铸造模具结构成形特性 对于形状结构复杂、机械性能要求高的大型零件,采用挤压铸造成形工艺生产时,其工艺对模具的要求将会高。一种轮毅复合挤压覆膜砂铸造模具结构,该轮毅零件外形结构较复杂,采用复合式挤压铸造方式进行生产,能较好的成形轮毅复杂的外部结构,获得较美观的外形和品良的铸件。
一种具有双重挤压效果的挤压覆膜砂铸造模具结构,模具在合模状态下,凸模下端面与下模上端面间留有间隙的下压量,且挤压冲头与模具具有间隙的配合,模具可实现对铸件的整体或局部实施二次甚至多次挤压,解决了单次挤压覆膜砂铸造模具成形过程中易导致的制件致密度较差的问题,降低了缩松、裂纹等缺陷产生的可能性。
两种不同双重挤压覆膜砂铸造模具结构,并进行了比较分析。方案一模具需要三个单独的液压缸运行工作,模具上模向下运动实现合模,并预留出二次挤压的高度,下液压缸带动压头向下运动,使合金液充入型腔,然后辅助液压缸带动大头凸模向下运动,对未凝固的液态合金进行二次挤压;方案二模具的运行只需两个单独的液压缸就可以完成。在模具合模之前,调整圆柱弹簧和蝶形弹簧的高度,使大头凸模预留出二次加压的高度并进行定位,将合金液定量浇入压室,然后模具在上工作台横梁下移过程中完成合模、浇注过程,上工作台横梁继续下降,由弹簧压板推动大头凸模下降,对未凝固的合金液进行二次挤压。双重挤压铸造实现了直接挤压和间接挤压铸造工艺的结合,在生产高性能零件时有很大的发展空间。
在大型复杂零件挤压铸造成形时,如单独采用直接挤压铸造方法或间接挤压铸造方法都存在着一些不足之处,在利用挤压铸造成形技术生产大型复杂零件时,普遍的做法是采用综合了直接挤压铸造工艺和间接挤压铸造工艺特点的挤压铸造方法,如双重挤压铸造、复合挤压铸造等;另外为解决大型复杂零件局部成形困难、铸件存在局部缺陷等问题,采用局部增压结构能较好的解决;为铸件的成形精度的一致性,达到铸件近净成形的目的,对于大型复杂零件,采用定量浇注系统与模具溢流结构相配合的定量浇注方式,能很好地解决成形零件精度要求和尺寸一致性难以的问题。挤压铸造成形方式的选择 根据前文分析可知,大型复杂零件挤压铸造成形时,如果单独采用直接挤压铸造成形工艺,零件的复杂结构部分成形难度较大,充型合金液体积需要计算和定量控制,且制件的尺寸精度和一致性难以达到要求;如果单独采用间接挤压铸造成形工艺的方法,在相同条件下,加压时型腔内合金液内部形成的等静压力值较低,铸件质量较差,机械性能难以达到使用的要求。在大型零件挤压铸造成形时,普遍做法是结合直接挤压铸造和间接挤压铸造的工艺特点,克服单一的成形方法带来的工艺上的不足,因此,针对大型复杂零件的挤压铸造成形,可以将直接挤压铸造特点和间接挤压铸造特点结合起来,并结合局部增压技术、二次挤压技术、定量浇注技术等形成一种适合大型复杂零件挤压铸造成形的工艺方法。
在综合分析挤压铸造成形工艺方法的基础上,结合大型复杂支架零件的结构特点,提出了一种适合大型复杂零件挤压铸造成形的工艺方法,该工艺方法结合了直接挤压铸造成形加压距离短且能够对铸件内部产生塑性变形组织的优点和间接挤压铸造成形工艺适合成形复杂零件的优点,根据制件成形特点,成形模具采用中心底注式的方式进行充型,其充型过程具有间接挤压铸造工艺的特点,上模下行在合金液上端面垂直加压成形,其加压过程具有直接挤压铸造工艺的特点。挤压铸造成形原理如图2-2所示。其工艺流程为:
(1)固定型芯至下模上,合左右侧模,上下锁模环到达锁模位置,模具完成预合型,形成封闭型腔;合金熔化至预设温度后转移至保温炉。
(2)保温炉加压,定量的合金液通过气压溶液输送系统输送至料筒压室内。
(3)压室冲头上行,将合金液挤入封闭型腔内,完成充型过程。
(4)上模部分在主液压缸的带动下下行,在合金液上端面垂直加压,合金液在挤压压力作用下凝固结晶。
(5)开模取件。
(6)执行工艺要求后,模具合模完成预合型,进行下一循环。
该挤压铸造成形工艺采用中心底注式的方式进行充型,充型前模具完成预合型,具有合模充型的特点,其浇道长度短、截面积大,通过合金液定量输送系统和模具结构的配合,可铸件的成形精度;采用上模下行垂直加压的方法施加挤压压力,具有挤压压力传递距离短、建立压力、压力损失少等优点,有利于合金液凝固时的强制补缩。