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1、铝合金飞轮壳低压铸造控制技术芦功辉 宁波强盛机械模具有限公司摘要：本文介绍了当前典型的低压铸造工艺控制过程，及其补缩系统不同时段的补缩特点，介绍了低压铸造浇道以满足补缩为要点，兼顾排气、充型的设计特点。结合铝合金飞轮壳铸件，分析了该产品热节厚大、分布分散的结构特征，介绍了飞轮壳铸造低压铸造工艺的设计方案，负压排气设计原理，及其工艺过程参数充型压力、充型速度、温度场三方面的控制技术。通过以上方法取得开发的成功，保证了生产条件的稳定。关键词：飞轮壳低压铸造工艺设计控制技术 低压铸造主要用来生产质量要求高的铝、镁合金铸件。本文结合某飞轮壳工艺设计的试述该类工艺的设计及其控制技术。 1低压铸造与飞轮铸
2、造工艺的选择： 低压铸造是介于重力铸造(如砂型铸造、金属型铸造)和高压铸造之问的一种铸造方法。 低压铸造是液态合金在压力作用下，自下而上地充填型腔，并在压力下结晶、凝固、成形。由于所加的压力较低(2270kPa)，所以称之为低压铸造。 飞轮壳、取力器壳等铸件是发动机重要的承载零件或载荷输出部件。一般平均壁厚8mm以上，重量在1580Kg，热节厚大，结构属于厚壁中重型零件，附加浇注系统以后浇注重量一般在30Kg以上。该类零件内在质量要求较高，不允许有缩孔、缩松、夹渣等类铸造缺陷存在。低压铸造劳动强度低，铝液充型平稳，工艺出品率高，热节在压力条件下补缩，浇注温度低，同种材料机械性能比重力铸造高出1
3、5一20，铸件质量稳定可靠。本文飞轮壳零件净重20.5Kg，顶面壁厚8mm，侧面壁厚10mm，最大热节圆直径42mm，热节散布。其铸造工艺采用低压铸造，工艺设计重点在补缩方案、排气方法，生产工艺过程参数的选择与控制。 2 低压铸造工艺特点及其阶段的作用： 2.1 低压铸造工艺补缩特点： 低压铸造工艺的补缩控制有别于重力铸造：重力铸造金属液的补缩是冒口内铝液保证必须的静压，在重力作用下，从上向下，从高温区向低温区进行。低压铸造金属液充型是纯粹的底注式，有外加压力存在时，其补缩是从下向上，从高温区向低温区进行；没有外加压力作用时，补缩与重力铸造方式相同(参见下图所示)。浇注过程中，上下倒置的温度梯
4、度分布，下模恶劣的散热条件。使得低压铸造顶冒口、侧冒口设计比重力铸造零件要大出20以上，甚至更多。铸件重点的补缩区域，工艺系统补缩能力最强的区域应设置在下模。充型初期自下而上的补缩 充型后期自上而下 2.2低压铸造浇注系统的设计特点： 低压铸造金属液自下而上充型，浇注过程充型平稳，紊流程度小，氧化少，不卷入气体型腔排气方向与金属液充型方向一致，型腔排气条件好。浇注系统弊渣功能要求稍低，洁净的铝液甚至可以取消弊渣环节的设置。浇道设计以满足补缩为要点，兼顾排气、充型。如本文举例零件直浇口，横浇道尺寸结构，即按补缩通道要求进行设计。浇注速度主要由气控系统充型压力与进气流量控制，浇道结构影响较小，但要
5、注意浇道与铸件搭接的“实际内浇口”截面尺寸能够满足充型速度的需要。模具温度场下模偏高，热节主要依靠下模浇道补缩，补缩效率高。浇道距离短，工艺出口率较高。大型铸件浇道设计在充分考虑补缩要求的基础上，要注意高温金属液通过时带来的较大的温度梯度对生产效率的影响。粗大的浇道可能需要较长的保压凝固时间。 2.3典型的低压铸造控制过程及其各阶段的目的： 目前典型的低压铸造控制过程，见下图所示(典型的低压浇注工艺曲线图)。升液一充型一结壳凝固一增压凝固一保压凝固一卸压凝固六个阶段，结壳凝固视需要而定，薄壁铸件通常取消该阶段或压缩的很短。 升液压力的目的是完成金属液到浇道口的抬升。大流量的进气量，AB段斜率较
6、大，升液速度较快，可以有效的提高生产效率。 升液压力有称之为悬浮压力，区别在于恒定的升液压力不能弥补生产过程炉内液面降低带来的压力损失，每模次充型初期升液管内液面高度动态变化；悬浮压力=升液压力+压力损失P，因此可以保证铸件充型压力参数稳定在一定的水平不变，每模次充型初期升液管内液面高度不变。 充型压力目的是完成金属液充满型腔内的过程。通气量一定，在满足充型的前提下，较低的压力可以获得较低的充型速度，可以保证型腔气体充分排出，提高模具间隙对金属液的封堵能力和砂芯承受能力，降低铸件的气孔，粘砂等缺陷的废品率。 结壳主要针对有砂芯铸件，充型结束作一个短时间的保压(根据壁厚确定约0.4秒左右)，铸件
7、表层形成薄壳，提高砂芯抗机械粘砂能力和模具间隙对金属液的封堵能力。 保压压力主要目前提高浇注系统的补缩能力。一般保压压力越高，补缩效果也越好。 2.4飞轮壳热节分布及其铸造工艺设计： 2.4.1飞轮壳的结构特点及热节分布： 飞轮壳结构及热节分布如右图(飞轮壳热节分布示意图)所示，热节分布分三个重点区域：铸件侧面的吊装螺孔区，法兰面环形的法兰区，起动机孔周边的厚壁区，铸件顶面散布的螺孔搭子以及周边均布的加强筋。 2.4.2铸件和补缩及浇注系统的设计： 依据前述2.12内容，飞轮壳法兰面向下，从热节位置引入浇道比较合理。浇注工艺设计(参见飞轮壳浇注系统示意图)。 浇道从热节圆开始，横浇道到直浇口呈
8、依次扩大的结构。 该工艺的优点是：散布在铸件顶面的螺孔搭子处在浇注系统流场未端，表现为心部的缩松，工艺上可采用减薄模腔局部涂料厚度、风冷或砂芯局部涂刷金属粉末配制的激冷型涂料等方法加以控制。铸件侧面均布的加强筋与环形法兰相连，通过环形法兰可得到非常有效的补缩。针；铸件侧面的厚大热节直接开通与直浇口相连的补缩横浇道，对其进行充分的补缩。设置三叉浇道对环形浇道补缩，环形浇道对环形的厚大法兰进行补缩，通过均布四周的加强筋对铸件顶面、侧壁进行充分的补缩。偏厚的起动机孔侧壁可以设置顶面冒口对其补缩。 这样补缩系统对铸件热节的覆盖，就比较充分，比较全面，能够有效的避免铸件缩孔、缩松缺陷的产生。 2.4-3
9、排气系统的设计： 气体的排出主要考虑两个方面，型腔气体及型腔充型死角气体的排出，砂芯气体的排出。 如“飞轮壳浇注系统示意图”所示，型腔顶部的加强筋处于充型的死角，非常容易形成气阻性质的冷隔，工艺设计时应注意该位置的排气设计。飞轮壳浇注系统示意图 该工艺中外露芯头大部分处于下模，上模中部另有一个圆孔可以设计成砂芯排气通道。工艺中必须强化这些位置的排气条件。中部圆孔设计出中孔的活动的排气管排气，即可以有效的封堵芯头间隙，又可以非常畅通的排气。砂芯向下排气效果非常差，按照右图所示负压排气原理图，设计相应的吸气装置，强化下模排气孔的排气条件，可以获得理想的排气结果。负压排气应注意防止负压压力过大。其理
10、论计算式为： 3 低压铸造过程中的不稳定因素及其控制： 3.1 低压铸造过程的不稳定因素： 铸件质量的稳定程度取决于过程参数的稳定程度，不稳定的过程控制，必然带来铸件质量的波动。当前的低压铸造控制技术存在三个方面的不足：温度控制、充型速度及充型压力。 温度控制：由于模具传热速度的限制，吸热、散热条件的周期变化，导致模具温度场的控制存在较大的难度。生产开始与生产结束往往存在较大的差别，浇注初期下模温度较低，上下模体温差不大，从浇口到需要补缩的热节，温度梯度与生产结束时相比要小的多。其结果是补缩条件的变化，合理的铸件凝固时间，合理的充型速度确定困难，不同时段生产铸件的结晶组织、机械性能产生较大区别
11、。 其原因是下模体散热面积比上模体要小的多，下模体获得加热升温的机会也比上模体多的多，上模体只存在铸件的散热吸热；保温炉丝、高温炉体、高温铝液的反复冲刷，保压凝固期间与高温铝液的直接接触等因素，都会使下模温度逐步接近铝液的温度。随着工作时间的增加，上下模体的温度梯度越来越大。充型速度：每浇注一个模次，炉膛空腔体积增加V(如下图“浇注过程示意图”所示)。由“PVT=常数”知，当浇注温度T，压力P为固定参数，随着体积V的增加，必然要增加更多的进气量，进气速度恒定，进气时间必将随之增加。进气时间的增加表现为充型速度的降低，或实际充型状态的滞后，实际的浇注曲线表现为cD段斜率减小，充型结束时问D点在逐
12、步的后移。如果结壳凝固控制信号在充型过程中到来，金属液充型中途出现停顿，产品的质量将受到非常严重的影响。充型压力：每浇注一个模次，炉内液面下降h，充型压力降低P(如图“浇注过程示意图”所示)。整个工作过程，铸件的充型压力参数处于动态下降。3.2低压铸造温度控制、充型速度及充型压力三参数的选择及其控制：温度控制 温度场的稳定控制是铸件质量稳定的首要条件之一。必须从设备、工艺设计及工艺参数的选择三方面加以控制。模具吸热与散热条件的平稳保证温度的稳定是其它工艺参数稳定的首要条件。工艺设计时首先要依据产品结构特点选择合适的设备，薄壁、大断面，无芯腔铸件，补缩需求点少，补缩需求量小，希望有较高的充型速度
13、，可以选择低压、大流量，大口径升液管设备。厚壁、小断面，有芯腔铸件，补缩需求点多，补缩需求量大，可以选择“高压”大流量，大口径升液管，多点引注设备。其次依据工艺条件尽量避单点引注，以避免集中补缩，集中引注流量，导致浇口区的过热现象。其次是选择合适的模具温度，设计好相关的加热与降温的控制装置，通过热电偶多点数据采集，输入相应的控制参数，适时准确的控制好卸压凝固时间，通风冷却时间，模体加热时间，确保生产过程控制的连续稳定、无间断，关键控制点温度变化处于上一个合理的水平。如本文举例零件飞轮升液管管口位置的希望温度为45050，下模控制点为35040：。工艺参数的选择时应注意低温、小温度梯度，需要较快
14、的充型速度，较短的保压凝固时间，较高的保压凝固压力来满足充型及补缩的需要。 充型速度 可根据设备状况，铸件状态，模具生产状态，适当调大进气流量或进气压力进行控制。由“PVT=常数”可得出，速度调整量的表达为：tntn+1=Pn*Vn/(Pn=1+P)(Vn+1+V)一般薄壁、大断面、无芯腔铸件希望的充型速度高于厚壁、小断面、有芯腔铸件。理想的充型速度取决于液面上升速度的需要，金属型实践推荐的液面上升速度V为10mm一40mm秒。铸件断面S不规则变化，以及型腔温度场动态变化，带来充型速度Q(Q=V*S)的不规则需求，只有加强低压设备控制单元数据运算及处理能力才能满足。 温度场稳定，充型速度合适，压力参数即可确定一个合理的增长模式。通过设定炉膛直径、铸件重量，利用PLC可编程控制器，按工作周期对压力参数补偿一个固定值P，可以保证压力参数的稳定。 4 结束语： 面对汽车市场的激烈竞争，国外大型零部件厂商对中国汽车市场的冲击。我们只有生产出信誉可靠，质量上乘的产品才能立于不败之地。只对工艺方法的深刻理解，各种工艺参数进行了全面、合理、正确的控制才能保证生产过程的稳定，产品质量的可靠。低压铸件中工艺、温度、速度、压力参数的准确控制是实现其质量稳定可靠的必要保证。来源：中国同赢铸造网