樹脂砂反重力鑄造航空件生產(chǎn)線的設(shè)計和應(yīng)用

■劉世開，肖王振，張建平

隨著航空制造業(yè)的發(fā)展，要求鑄件通過提高鑄件的尺寸精度來減輕鑄件的重量，近年來，砂型結(jié)構(gòu)件已經(jīng)開始要求達(dá)到HB6103規(guī)定的9級，而國際航空產(chǎn)品的要求比此更高，鑄件表面粗糙度值要求達(dá)到12.5μm，而普通的粘土砂工藝是無法達(dá)到的。同時，重力澆注時熔融金屬與空氣接觸時間長，澆注過程的穩(wěn)定性受人為影響較大，凝固結(jié)晶過程又是在常壓下進行，不可避免地會增加吸氣和氧化，使鑄件中產(chǎn)生氣孔、夾渣的可能性增加。

為了提高鋁合金鑄件的尺寸、表面精度及冶金質(zhì)量，滿足國產(chǎn)新型航空產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)需要，進入21世紀(jì)以來，鋁合金粘土砂重力鑄造工藝已經(jīng)不能適應(yīng)航空鑄件的質(zhì)量要求，迫切需要采用樹脂砂反重力鑄造工藝代替粘土砂重力鑄造工藝。我公司即在此情況下建設(shè)了樹脂砂反重力鑄造生產(chǎn)線。

一、樹脂砂反重力鑄造生產(chǎn)線

1. 工藝流程

樹脂砂鑄造生產(chǎn)線包括造型和澆注兩大部分。樹脂砂造型工藝由于其能源消耗少、勞動強度低、生產(chǎn)效率高、環(huán)境污染輕、鑄件尺寸精度高、表面質(zhì)量好等在鑄造生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。典型工藝流程如圖1所示。

生產(chǎn)線造型、制芯采用酚脲脘樹脂工藝，其固化是液體酚醛樹脂中的羥基和液體聚異氰酸酯中的異氰根交鏈作用形成固態(tài)的聚氨酯。在型砂的可使用時間內(nèi)，黏度幾乎不發(fā)生明顯的變化，型砂的可使用時間可根據(jù)季節(jié)環(huán)境變化進行調(diào)整。型砂在可使用時間以外，在很短的時間內(nèi)固化完成，迅速建立初強度，隨著時間延長，在24h后強度達(dá)到最大。

在完成樹脂砂造型后，鑄造生產(chǎn)線通過配備的鋁合金熔煉爐快速熔化鋁合金，在差壓/調(diào)壓鑄造設(shè)備中精煉處理合金。隨后根據(jù)工藝的要求，選擇反重力澆注或重力澆注方式，后續(xù)對鑄型進行冷卻、清理、打磨及理化檢測和熱處理等，實現(xiàn)了一個完整的鑄造生產(chǎn)循環(huán)，具體澆注工藝流程如圖2所示。

圖1 典型工藝流程

圖2 澆注工藝流程

2. 生產(chǎn)線布置

按照設(shè)備尺寸和生產(chǎn)需求，對樹脂砂鑄造生產(chǎn)線的面積進行劃分，可分為造型區(qū)、制芯區(qū)、熔煉區(qū)、鑄型冷卻區(qū)、工裝存放區(qū)、落砂區(qū)、砂庫、輔助材料存放區(qū)、金屬材料庫、鑄件清理區(qū)及安全通道，總計需要1312.81m2。

生產(chǎn)線建設(shè)目標(biāo)為滿足航空產(chǎn)品多品種小批量的生產(chǎn)方式。廠房的布局及設(shè)備的排列比較靈活。最大砂箱外框尺寸：3000mm×1200mm×450mm，最小砂箱外框尺寸4 0 0mm× 400mm×120mm，鑄造型板尺寸3000mm×1300mm ×100mm，造型用新砂的含泥量≤0.3%，造型用新砂的水分含量≤0.2%。生產(chǎn)區(qū)溫度在15～29℃，濕度能夠保證在20%～60%。

二、樹脂砂生產(chǎn)線設(shè)計

樹脂砂生產(chǎn)線主要由差壓鑄造機、調(diào)壓鑄造機、快速熔煉爐、關(guān)節(jié)臂測量機、振動落砂機、鏈?zhǔn)教嵘龣C、中速固定式連續(xù)混砂機、慣性震實臺、翻轉(zhuǎn)起模機、合箱液壓機械手、造型機、手動轉(zhuǎn)運小車和輥道、除塵系統(tǒng)及雙梁橋式起重機組成。

1. 差壓鑄造機

差壓鑄造機是樹脂砂生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，由上下罐、工作臺和鎖緊環(huán)等組成，鎖緊環(huán)將上下罐和工作臺封閉為僅由升液管連接的上下罐兩個腔，對上下罐內(nèi)施加同步的氣體壓力，通過增壓法或減壓法，使下罐的壓力大于上罐的壓力，使坩堝內(nèi)的金屬液在壓力差的作用下經(jīng)升液管充填鑄型，并在壓力下凝固。升液壓差速率為0～5k Pa/s，充型壓差速率為0～5kPa/s，充型壓差誤差在±1%，工作罐最高工作壓力為0.6 MPa，保壓增壓（壓差）為0～0.16MPa，保壓延時0～30min連續(xù)可調(diào)；差壓鑄造及低壓鑄造時保壓壓力波動≤0.001MPa，保溫爐爐膛溫度最高900℃，在600～900℃范圍內(nèi)控溫精度±5℃，能夠測量爐內(nèi)合金液溫度。差壓鑄造機的工作原理見圖3。

差壓鑄造機的優(yōu)點在于金屬液從每秒十至幾百毫米鋁液柱充型速率可調(diào)， 在一定壓力下充型，鋁液流動性增加，有利于獲得輪廓清晰的鑄件。在壓力作用下凝固，有利于補縮。工藝出品率高，可減少或省去冒口。力學(xué)性能有非常大的提高，抗拉強度可提高10% ～ 50%，伸長率可提高20%～50%，可獲得無針孔或少針孔的鑄件。

2. 調(diào)壓鑄造機

調(diào)壓鑄造機同樣是樹脂砂生產(chǎn)線的重要設(shè)備。該設(shè)備由上下罐、工作臺和鎖緊環(huán)等組成，鎖緊環(huán)將上下罐和工作臺封閉為僅由升液管連接的上下罐兩個腔，對上下罐同步抽真空達(dá)到工藝要求值，再通過下罐破真空增壓法，使下罐的壓力大于上罐的壓力，坩堝內(nèi)的金屬液在壓力差的作用下經(jīng)升液管充滿鑄型，并在穩(wěn)定的壓差下，快速向上下罐充壓到工藝要求值凝固。升液壓差速率在0～5k Pa/s，充型壓差速率在0～5k Pa/s，充型壓差誤差在±1%，工作罐最高工作壓力0.6MPa，保壓增壓（壓差）在0～0.16 MPa，保壓延時0～30mi n連續(xù)可調(diào)，保壓壓力波動≤0.001MPa。調(diào)壓鑄造機的工作原理見圖4。

調(diào)壓鑄造機除了具有差壓鑄造的優(yōu)點之外，還有利于簿壁件的成形，氣體稀薄氧氣含量少，鎂合金的阻燃效果好，有很好的真空除氣效果。

3. 快速熔煉爐

快速熔煉爐采用中頻感應(yīng)加熱原理，可以在短時間內(nèi)，將固態(tài)鋁熔化成液態(tài)鋁。該設(shè)備由爐體、線圈、傾爐機構(gòu)、補償電容器組、磁軛、坩堝模、爐蓋、 漏爐報警裝置及液壓泵站組成，同時配置中頻電源。中頻電源具有很強的負(fù)載適應(yīng)性和功率調(diào)整范圍，控制線路采用單板全集成化，功率可在1 0%～10 0%調(diào)節(jié)，在控制電路中設(shè)有各種操作保護電路，具體的保護功能有：缺相（快熔斷）、過電流、過電壓、水壓低、水溫高、控制電源欠電壓，所有的保護具有聲光報警功能。快速熔煉爐的額定容量為500kg液態(tài)鋁，工作溫度780～900℃，傾爐最大角度可以達(dá)到95°，熔化率為0.45t/h，額定頻率為1000Hz，功率因數(shù)≥90%。

4. 關(guān)節(jié)臂測量機

用于檢測完成鑄造后的鋁合金零件。該設(shè)備具有7個關(guān)節(jié)，可以在5 個自由度方向進行測量。配置一體化平衡桿系統(tǒng)、美國國家標(biāo)準(zhǔn)局認(rèn)證的長度標(biāo)準(zhǔn)尺、不銹鋼球測頭、紅寶石測頭。在該設(shè)備的計算機內(nèi)應(yīng)用了PC-DMIS CAD測量軟件、Scan Works三維激光掃描軟件、逆向工程軟件、計算機輔助測量軟件。

5. 振動落砂機

振動落砂機最大負(fù)荷5t，工作臺面尺寸為3500mm ×2000mm，振動電動機激振力2×100k N。整個設(shè)備可改變振動電動機兩端偏心塊夾角，調(diào)節(jié)激振力。振動電動機采用變頻控制，過載保護，短路缺相保護。柵格平面三面設(shè)有防止砂塊振動外溢的邊框。在振動電動機接線盒里裝有特制絕緣端子，具有耐振動、防松動等適用于振動電動機工作要求的特性。

6. 鏈?zhǔn)教嵘龣C

鏈?zhǔn)教嵘龣C的輸送量需要與落砂機匹配。牽引機構(gòu)為環(huán)形鏈條，用20 MnV材質(zhì)，滿足熱砂在溫度為250 ℃的輸送要求。采用組裝式鏈輪，輪體、輪緣用高強度螺栓聯(lián)接，上下鏈輪與鏈條接觸部分的耐磨環(huán)由40Cr材料加工而成，磨損后可方便更換。卸料口上端有槽形調(diào)節(jié)板，減少砂子的回落，與進料口均設(shè)有柵格，防止磨損。料斗采用5mm厚的Q235-A鋼板。上下帶座軸承與斗提裝置殼體之間有間隙和通道，可防止砂子進入軸承。斗提裝置下部設(shè)有檢修門，便于維修。

圖3 差壓鑄造機的工作原理

圖4 調(diào)壓鑄造機的工作原理

7. 中速固定式連續(xù)混砂機

中速固定式連續(xù)混砂機共兩臺。其中一臺生產(chǎn)率為10t/h，另一臺生產(chǎn)率為5t/h。

歐陽橘紅得知雷志雄要帶著兒女回濟南時，雷志雄的工作關(guān)系和戶口遷移都辦好了，車票也買好了。歐陽橘紅一路大跑，氣喘吁吁地闖進她以前的家，雷鋼和雷紅在清點行李。雷鋼和雷紅背對她。她一連兩聲，小鋼，小紅，他們都沒回頭，仿佛她不是他們的媽媽，一個陌生人。

混砂機整個設(shè)備操作方便可靠，采用耐蝕性好的進口齒輪泵進行液料輸送，液料泵的定量精度誤差在±2.5%。采用聚四氟乙烯膜氣控液料閥，無跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，液料均由壓縮空氣霧化噴嘴細(xì)化成霧狀噴入攪籠的砂料中?；焐氨垲^部的按鈕站可以上下升降，便于工人操作?；焐皺C的液料泵和控制閥的安裝位置便于檢修和維護。混砂攪籠頭部設(shè)有反向螺旋葉片，能夠保證砂和液料加入時間的匹配。樹脂桶、固化劑桶采用不銹鋼焊接而成，設(shè)置兩道不銹鋼過濾網(wǎng)，樹脂、固化劑桶內(nèi)設(shè)有高低液位顯示裝置，當(dāng)液位過高或過低時，自動聲光報警。桶外設(shè)置溢流保護套桶，在溢流保護套桶內(nèi)通過水浴對樹脂、固化劑進行加熱，具有恒溫自動控制功能，溫度控制和顯示設(shè)置在主面板上。PLC和變頻器控制整個設(shè)備的運行和轉(zhuǎn)速，能實現(xiàn)砂和液料的加入同步，控制加砂、加液、混制、除味裝置，具有完善可靠的聯(lián)鎖保護、安全限位和故障報警功能。樹脂、固化劑加入量可無級連續(xù)可調(diào)，全自動進行工作。

8. 慣性震實臺

有效負(fù)荷為3t，工作臺尺寸為3000mm×1200mm。振動電動機激振力為2×32kN。

慣性震實臺的工作順序見圖5。

9. 翻轉(zhuǎn)起模機

型板（托板）尺寸為3000mm×1300mm×100mm，開口尺寸為1240mm，最大載荷3t，最大起模高度500mm。采用四導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)，工作穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)剛度好，起模精度高。全部由液壓操作，鑄型隨型板由手動輥道送入機器?？ň邐A持托板，起模部分的軌道可以提升，在脫型時帶有振動，砂型隨托板輸出和型板輸出都可以編程自動完成。配置起模自動檢測裝置，自動識別模樣是否順利起出，否則自動重復(fù)工作，最終完成起模。

10. 合箱液壓機械手

最大砂箱外框為3000mm ×1200mm×450mm，最小砂箱外框為400mm×400mm×120mm，可翻轉(zhuǎn)物體重量3000kg。翻箱合箱機械手集翻箱、合箱動作于一體，由橫梁軌架、可移動夾持臂組成，夾持臂距離可調(diào)，可對大小不一的砂型進行夾持合型。夾緊、松開的位置對中，砂型不對稱出現(xiàn)的重量不平穩(wěn)可自動調(diào)整，可進行180°范圍內(nèi)雙向旋轉(zhuǎn)，準(zhǔn)確完成翻型動作。

11. 造型機

生產(chǎn)線需要造型機2 臺。造型機砂箱內(nèi)尺寸為500mm× 400mm×200mm，起模行程為200mm，有效負(fù)荷500k g。采用四桿起模，起模平穩(wěn)?？諝夥峙溟y控制起模速度，轉(zhuǎn)架控制砂箱的移動。

12. 除塵系統(tǒng)

生產(chǎn)線工作場所鑄造粉塵濃度符合GBZ 2.1—2007國家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，排放濃度和速率均達(dá)到GB16297—1996國家大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。除塵系統(tǒng)由旁插扁袋脈沖除塵器、除塵除臭用活性炭過濾裝置組成。

圖5 慣性震實臺的工作順序

圖6 骨架結(jié)構(gòu)件鑄造表面質(zhì)量對比

三、效果

1. 提高了生產(chǎn)效率

2. 表面質(zhì)量和尺寸精度提高

采用樹脂砂生產(chǎn)線鑄造的鋁合金零件，表面質(zhì)量明顯得到改善。以3號骨架結(jié)構(gòu)件（零件號：F-000-03）為例，圖6顯示了該零件在粘土砂生產(chǎn)線和樹脂砂生產(chǎn)線鑄造后的表面質(zhì)量對比情況。鑄件尺寸普遍達(dá)到了CT9級，個別簡單鑄件甚至更高，鑄件尺寸精度得到大幅提高。

3. 內(nèi)在質(zhì)量

樹脂砂生產(chǎn)線鑄造的零件組織致密，內(nèi)部質(zhì)量明顯優(yōu)于粘土砂重力澆注。無論是鑄態(tài)還是熱處理態(tài)，在熒光檢查工序中從未出現(xiàn)過不合格現(xiàn)象。X射線檢查，零件的氣孔、縮松現(xiàn)象明顯少于粘土砂生產(chǎn)線鑄造的零件。

四、結(jié)語

（1）樹脂砂反重力澆注工藝能夠完全替代粘土砂重力澆注工藝，生產(chǎn)的鑄件表面質(zhì)量和尺寸公差完全高于粘土砂鑄件，生產(chǎn)效率提高了數(shù)倍，鑄件質(zhì)量提高了兩個等級。

（2）整個生產(chǎn)線布局緊湊，生產(chǎn)條件得到了改善。

（3）主要設(shè)備采用變頻調(diào)整技術(shù)、PLC控制技術(shù)，不僅提高了生產(chǎn)效率和鑄件質(zhì)量，而且使樹脂砂生產(chǎn)線的自動化水平得到提高。