底座產(chǎn)品低壓鑄造成形技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

姜鴻濱,張明亮（威海萬豐鎂業(yè)科技發(fā)展限公司,山東 威海 264209）

底座產(chǎn)品低壓鑄造成形技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

姜鴻濱,張明亮
（威海萬豐鎂業(yè)科技發(fā)展限公司,山東 威海 264209）

摘 要：底座產(chǎn)品是航天科技集團(tuán)航空航天裝置生產(chǎn)的一個重要部件，外觀和內(nèi)部質(zhì)量要求非常高，材質(zhì)為鋁合金ZL101A。介紹低壓鑄造工藝方法，比較分析航空用薄壁底座類耐壓鋁合金鑄件熔模鑄造和金屬型低壓鑄造鑄件機(jī)械性能和質(zhì)量差別，并通過生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)得出結(jié)論。

關(guān)鍵詞：鋁合金；金屬型低壓鑄造；技術(shù)效益

該產(chǎn)品原來鑄造毛坯為該集團(tuán)采購其他企業(yè)經(jīng)過熔模鑄造方法生產(chǎn)的，由于鑄件內(nèi)部缺陷不易探查，經(jīng)常在精加工階段暴露出鑄造缺陷問題，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度和制造成本。同時(shí)毛坯外觀和內(nèi)部質(zhì)量都比較差，檢測設(shè)備落后，毛坯只能經(jīng)過機(jī)械加工后才能發(fā)現(xiàn)廢品，給該集團(tuán)造成浪費(fèi)和生產(chǎn)進(jìn)度無法控制。該集團(tuán)在考察我公司后，對我公司先進(jìn)的鋁合金低壓鑄造工藝和產(chǎn)品檢測質(zhì)量控制體系非常滿意，決定聯(lián)合我公司采用金屬型低壓鑄造工藝方法，提供優(yōu)質(zhì)可靠的底座毛坯。

1　低壓鑄造工藝方法介紹

金屬型低壓鑄造[1]是將金屬鑄型放在一個密閉的爐子上，型腔的下面用一個升液管和爐膛里的金屬液相通。如果在爐膛中金屬液面上加入帶壓力的空氣，金屬液會從升液管流入型腔。待金屬液凝固以后，將爐膛中的壓縮空氣釋放，未凝固的金屬就從升液管中流回到爐中。有效控制流入爐膛空氣的壓力、速度，就可以控制金屬流入型腔中的速度和壓力，并能讓金屬在壓力下結(jié)晶凝固。這種工藝的特點(diǎn)是：

（1）鑄件在壓力下結(jié)晶，組織致密，機(jī)械性能好；

（2）采用金屬型，鑄件表面和形狀尺寸精度高；

（3）用一個升液管將鑄型直接和爐膛連通，在壓力的作用下，直接澆注鑄型，不用冒口，澆口也很小，成型后鑄件出品率高，內(nèi)部質(zhì)量非常好。

2　低壓鑄造工藝方法與砂型鑄造、熔模鑄造對比

（1）普通砂型鑄造是指在常壓下，液體金屬靠重力作用充填在預(yù)先制作好的砂型內(nèi)獲得鑄件的一種鑄造方法，這也是一種古老的鑄造方法。由于金屬液在砂型中冷卻速度較慢，鑄件的內(nèi)部組織不致密，易存在缺陷，該法工序簡單，設(shè)備投資少，生產(chǎn)成本較低，適用于中小規(guī)模生產(chǎn)。但此方法生產(chǎn)的鋁合金鑄件內(nèi)部質(zhì)量較差，縮孔縮松嚴(yán)重，澆注過程中氧化膜和熔渣等夾雜物易卷入鑄件，有時(shí)也會卷入氣體而形成氣孔缺陷，同時(shí)鑄件外觀表面精度低，鑄件尺寸精度差。

（2）熔模鑄造是指在常壓下，液體金屬靠重力作用充填在特殊制作好的鑄型內(nèi)獲得鑄件的一種鑄造方法。其鑄型的制作方法比砂型鑄造鑄型的制造方法復(fù)雜，但可生產(chǎn)外形結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的產(chǎn)品。鑄造過程與砂型鑄造相似，金屬液在鑄型中冷卻速度較慢，鑄件的內(nèi)部組織致密性不佳，易存在缺陷，內(nèi)部質(zhì)量較差，也易產(chǎn)生縮孔縮松，有時(shí)也會卷入氣體而形成氣孔缺陷。該法鑄型制作工序比較麻煩，生產(chǎn)成本相對較高，適用于小規(guī)模生產(chǎn)，鑄件外觀表面精度比砂鑄高，鑄件尺寸精度一般。

（3）以上三種鑄造方法所得材料性能的比較[3]：以鑄造鋁合金ZL101為例，（見表1）

表1

3　底座產(chǎn)品低壓鑄造技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 模具制作工藝性分析

我公司針對底座產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行鑄造成型工藝分析，根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)質(zhì)量要求和結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合公司在壓力鑄造成形方面的優(yōu)勢，決定對底座產(chǎn)品采用壓力鑄造成形方法來獲得優(yōu)質(zhì)符合要求的鑄件毛坯。

3.2 模具構(gòu)造特點(diǎn)

底座產(chǎn)品模具的設(shè)計(jì)方案根據(jù)產(chǎn)品三維數(shù)模，確定分型面位置、加工余量和收縮率，用UG作出模具三維圖，并對模具方案圖進(jìn)行模流分析，以確定最佳模具設(shè)計(jì)方案。模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是上下分型加左右抽芯的結(jié)構(gòu)形式，成型后毛坯留在上模芯上，非常方便用上打料缸推出落在接料盤上。澆注系統(tǒng)根據(jù)底座壁厚差異大的特征采用增加輔助流道的方式來改善鋁液的流動性，控制好鋁液充型壓力、速度、溫度等鑄造工藝參數(shù)[2],確保獲得內(nèi)部質(zhì)量和外形優(yōu)質(zhì)的毛坯。模具材料選用優(yōu)質(zhì)的耐熱合金結(jié)構(gòu)鋼保證模具本身高溫變形小，確保鑄件毛坯尺寸精度。模具零件的加工在數(shù)控加工中心上完成，確保每個零件的尺寸精度。

3.3 模具更改的難易程度

底座毛坯模具的設(shè)計(jì)時(shí)把模具維修和因設(shè)計(jì)圖紙更改、更換的因素進(jìn)行詳細(xì)分析，模具結(jié)構(gòu)采用上下模分型、左右抽芯的形式，方便每部分零件的維修和更換，如果產(chǎn)品的外部尺寸增大或內(nèi)部尺寸減小，只需要加工型腔，修改簡單，修改周期一般為15天。如果產(chǎn)品的外部尺寸減小或內(nèi)部尺寸增加，即需要補(bǔ)焊模具或制作鑲塊，修改難度較大，修改周期一般為20～25天。如果產(chǎn)品的尺寸和結(jié)構(gòu)變化很大，需徹底或部分更換內(nèi)部模芯，上下模架和卸料機(jī)構(gòu)具有互換性可繼續(xù)使用，修改難度比較大，修改周期一般為35天。

3.4 產(chǎn)品模具前期投入與產(chǎn)出的關(guān)系

模具設(shè)計(jì)制作費(fèi)用為8萬元，毛坯試制生產(chǎn)費(fèi)用2萬元，經(jīng)濟(jì)效益平衡產(chǎn)量應(yīng)大于100套，由此計(jì)算每個鑄件均攤費(fèi)用為1000元。

3.5 底座毛坯更改鑄造方法帶來的優(yōu)劣勢比較

3.5.1壓力鑄造優(yōu)勢

（1）雖然前期模具制作費(fèi)用較高，但毛坯鑄造周期過程變短，可適合批量生產(chǎn)，班產(chǎn)鑄造毛坯100件以上，每套模具可量產(chǎn)幾千件甚至萬件以上毛坯，從而使每件毛坯生產(chǎn)成本降低，現(xiàn)場制作毛坯內(nèi)部組織致密無缺陷可達(dá)到1級精度以上，從而使成本與熔模鑄造相當(dāng)；

（2）鑄件機(jī)械性能很高，抗拉強(qiáng)度可達(dá)260MPa以上，硬度達(dá)到HB90以上；

（3）鑄件尺寸精度可達(dá)到CT7以上，表面光潔度很高,減少機(jī)械加工費(fèi)用；

（4）鑄件在成形時(shí)依靠壓力控制充型速度，使鑄件內(nèi)部組織致密無缺陷可達(dá)到1級精度以上，鑄件在鑄造過程也可能出現(xiàn)砂眼、針孔，這與鑄造工藝參數(shù)控制有關(guān)，在生產(chǎn)過程中對每件毛坯進(jìn)行X光全面檢查，毛坯合格率達(dá)到90%以上，避免在精加工過程才發(fā)現(xiàn)縮松、砂眼而帶來的費(fèi)用增加和影響生產(chǎn)進(jìn)度；

（5）適合機(jī)械化批量生產(chǎn)。

3.5.2 壓力鑄造劣勢

（1）由于壓力鑄造采用金屬模具，因此前期模具制作需投入一定費(fèi)用，而且模具的費(fèi)用因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度變化較大，對于生產(chǎn)批量小的產(chǎn)品，其成本壓力較大；

（2）產(chǎn)品不易進(jìn)行較大改動，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式發(fā)生較大變化時(shí)，需重新修改金屬模具結(jié)構(gòu)，加工和鑄造試制需要一定周期；當(dāng)結(jié)構(gòu)變化較大時(shí)，存在原鑄造模具無法使用和更改的風(fēng)險(xiǎn)，需重新設(shè)計(jì)加工新模具，成本和周期都較高，不利于產(chǎn)品試制。

4　底座產(chǎn)品試制過程和經(jīng)濟(jì)效益驗(yàn)證

4.1 試制過程

基于以上分析，與航天科技集團(tuán)研究在2014年5月份開始進(jìn)行模具設(shè)計(jì)制作階段，7月份開始進(jìn)行產(chǎn)品試制階段，經(jīng)過3次的試制，毛坯成份、機(jī)械性能、X光完全符合產(chǎn)品要求，現(xiàn)已有150件產(chǎn)品經(jīng)過最后精加工滿足安裝使用要求，化學(xué)成份、機(jī)械性能、X光檢驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）表化學(xué)成分（見表2）。

表2

（2）表化學(xué)成分（見表3）。

表3

（3）圖試驗(yàn)結(jié)果：X光等級為0級（見圖1）。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益驗(yàn)證

經(jīng)過以上壓力鑄造過程后，底座產(chǎn)品價(jià)格與熔模鑄造方法進(jìn)行對比如表4。

表4

5　結(jié)論

采用低壓鑄造工藝獲得的底座產(chǎn)品，機(jī)械性能、內(nèi)部質(zhì)量、鑄件成品率都提高了，降低生產(chǎn)成本，滿足用戶加工過程和使用要求，適合生產(chǎn)底座類產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：

[1]張士林,任頌贊主編.簡明鋁合金手冊[S].上?？萍技夹g(shù)文獻(xiàn)出版社,2000(12).

[2]董秀琦主編.低壓及壓差鑄造理論與實(shí)踐[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2003(01).

[3]中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造專業(yè)學(xué)會編.鑄造手冊第6卷特種鑄造[S].機(jī)械工業(yè)出版社,2004(04).

作者簡介：姜鴻濱（1963-），男，山東海陽人，本科，工程師 ，研究方向：鑄造工藝與設(shè)備。