大型鋁合金基座鑄造工藝研究

范李鵬 余國康 王寶兵 張 娜 張旭亮

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大型鋁合金基座鑄造工藝研究

范李鵬 余國康 王寶兵 張 娜 張旭亮

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

以大型鋁合金基座為研究對(duì)象，通過分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并設(shè)計(jì)合理的鑄造工藝，成功澆注出輪廓尺寸為1600mm×1750mm×450mm的大型鋁合金基座鑄件，其化學(xué)成分、力學(xué)性能、尺寸精度、內(nèi)部質(zhì)量均能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)。

鋁合金；基座；鑄造工藝

1 引言

隨著航天、航空、汽車等行業(yè)和領(lǐng)域?qū)p量化的需求越來越高[1～3]，鋁以其高比強(qiáng)度受到了較多的青睞，越來越多的結(jié)構(gòu)件選用有色合金[4，5]。鋁合金早已應(yīng)用在先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)上，例如美國的殲擊機(jī)。制造火箭、人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)的材料要求具有高的比強(qiáng)度，以減小其質(zhì)量，所以鋁合金在這些航天器上是重要的結(jié)構(gòu)材料，如燃料箱、助燃劑貯箱以及許多其他結(jié)構(gòu)部件[6]。美國阿波羅運(yùn)載火箭共使用了450t鋁合金，土星5號(hào)運(yùn)載火箭使用了102t鋁合金[7，8]。

鋁硅合金主要元素為Si，其含量為4%～22%，Al-Si合金具有優(yōu)良的鑄造性能，經(jīng)過變質(zhì)和熱處理后，具有良好的力學(xué)性能、物理性能、耐腐蝕性能和中等的切削加工性能，是鑄造鋁合金品種中用途最廣的合金系[9，10]。

本文以大型鋁合金基座（輪廓尺寸為1600mm×1750mm×450mm）為研究對(duì)象，通過對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析以及對(duì)鑄造工藝的研究，成功澆注出滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)的鑄件。具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值，可以為同行業(yè)該類鑄件的工藝設(shè)計(jì)提供參考。

2 結(jié)構(gòu)分析及技術(shù)要求

基座鑄件為框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該產(chǎn)品外圍框架整體壁厚為10mm，多減輕孔和加強(qiáng)筋。鑄件整體為3層結(jié)構(gòu)，正面多減輕孔，底面多安裝凸臺(tái)。在鑄件正面，有大量減輕孔，筋條壁厚為10mm，筋條交接處直徑＞40mm，為熱節(jié)區(qū)，容易產(chǎn)生縮松缺陷。鑄件底面有較多安裝面，對(duì)鑄件內(nèi)部質(zhì)量要求較高，加工后不得出現(xiàn)明顯縮孔縮松缺陷。圖1中陰影區(qū)域均為機(jī)加工面，其細(xì)節(jié)圖如圖2所示，在加工面上需要加工大量的安裝孔，且孔的邊緣距離最外圍僅為4.75mm，對(duì)鑄件的精度控制提出了很高的要求，容易由于局部尺寸超差而導(dǎo)致報(bào)廢。

圖1 鑄件三維模型

圖2 安裝孔位置放大圖

基座鑄件為ZL101A合金，熱處理為T6態(tài)，力學(xué)性能要求抗拉強(qiáng)度≥275MPa，延伸率≥2%，HBS≥80。內(nèi)部質(zhì)量要求為Ⅱ類鑄件，指定區(qū)域X光檢測，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)按照QJ169A—2011執(zhí)行。鑄件尺寸公差按照GB/T6414—99中CT11級(jí)執(zhí)行。要求鑄件表面完整，沒有明顯缺陷。

3 鑄件工藝設(shè)計(jì)

3.1 鑄件型芯設(shè)計(jì)

針對(duì)基座的使用要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)鑄造型芯，總共需要20種型芯，其形式和位置如圖3所示。綜合考慮，將鑄件安裝凸臺(tái)多的一面作為底面，而另一面的減輕孔以吊泥芯的方式放置，如型芯N15～N20所示。其中，N9和N10型芯部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造為1個(gè)整體泥芯難以操作，需要分為2個(gè)，N11和N12、N13和N14也為相同形式。各型芯之間采用不同的定位形式，以避免混用。各個(gè)型芯直接留1mm間隙，以方便下芯。

圖3 鑄件型芯設(shè)計(jì)圖

3.2 鑄件收縮率和加工余量設(shè)計(jì)

由于鑄件尺寸較大，且為框架結(jié)構(gòu)，整體剛度差，一方面容易產(chǎn)生收縮變形，造成尺寸難以保證，另一方面需要考慮鑄件的成形，將壁厚控制在一定范圍，上下平面機(jī)加工位置整體加工余量為8mm，下平面加工位置整體加工余量為6mm，其余所有加工位置的機(jī)加工余量為6mm。

另外，鑄件安裝凸臺(tái)上需要加工大量的安裝孔，且孔的邊緣距離最外圍僅為4.75mm，對(duì)鑄件精度控制提出了很高的要求，容易形成由于局部尺寸超差而導(dǎo)致的報(bào)廢。在安裝凸臺(tái)輪廓單邊增加2mm余量，以保證鑄件機(jī)加工要求。

鑄件采用樹脂砂拼泥芯的方案，樹脂砂強(qiáng)度高，但是潰散性較粘土砂差，鑄件收縮量也小，設(shè)計(jì)鑄件收縮率為1.1%。

3.3 鑄造澆注工藝設(shè)計(jì)

圖4 鑄件澆注系統(tǒng)三維圖

鑄件為扁平結(jié)構(gòu)，并不適合低壓鑄造，更適合采用重力鑄造的方法澆注。綜合考慮，采用中間分型的形式，橫澆道放置在中間分型面上，以保證鑄件的充型完整，內(nèi)澆道采用立筒加縫隙的形式，總共設(shè)置16個(gè)立筒，以提高合金液的充型能力。經(jīng)計(jì)算，鑄件澆注重量為480kg，設(shè)置4個(gè)直澆道，如圖4所示。

考慮到鑄件內(nèi)部的質(zhì)量，在厚大部位設(shè)置補(bǔ)縮冒口。中間圓環(huán)部分厚度為40mm，在其上方設(shè)置了一圈腰型冒口，共8個(gè)。減輕孔內(nèi)筋條壁厚為10mm，筋條交接處直徑＞40mm，為熱節(jié)區(qū)，容易產(chǎn)生縮松缺陷，在此處也設(shè)置冒口。在鑄件后端框上存在1處安裝凸臺(tái)，壁厚＞30mm，為保證其成形質(zhì)量，在該處設(shè)置2個(gè)貼邊冒口。

3.4 鑄件冷鐵工藝和澆注溫度的確定

冷鐵是加快鑄件局部冷卻速度，改善鑄件凝固條件的有效方法。對(duì)于基座，凸臺(tái)安裝面一般壁厚為20mm左右，為保證凸臺(tái)安裝面的內(nèi)部質(zhì)量，在其底面上設(shè)置激冷冷鐵，如圖5所示。另外，在鑄件內(nèi)部的小凸臺(tái)上也設(shè)置激冷冷鐵。

根據(jù)鑄件輪廓尺寸和整體壁厚，設(shè)計(jì)澆包有4處，綜合考慮鑄件結(jié)構(gòu)以及ZL101A合金的鑄造特點(diǎn)，確定澆注溫度為710～730℃，澆注時(shí)間為100～120s。

4 鑄件熱處理變形控制

由于鋁合金產(chǎn)品在固溶完成后需要淬火處理，在此過程中產(chǎn)品變形難以控制，會(huì)產(chǎn)生比較大的變形量。

本產(chǎn)品為框架結(jié)構(gòu)，四周整體剛度一般，且內(nèi)部筋條薄弱，壁厚為10mm，剛度并不是很好，且筋條上需要打孔，熱處理后容易發(fā)生變形，因此需要設(shè)計(jì)工裝減少其變形量。固溶完成后，根據(jù)測量情況利用校正設(shè)備矯正，以保證筋條上安裝孔的位置。

由于產(chǎn)品為單件生產(chǎn)，考慮成本和實(shí)際效果，采用焊接防變形拉筋和校正工裝結(jié)合的方法，控制框架在熱處理后的變形。

采用焊接拉筋的方法對(duì)鑄態(tài)鋁合金框架處理，以達(dá)到防止熱處理變形的效果，如圖6所示，在框架內(nèi)部焊接相同材質(zhì)的鋁合金拉筋，將孤立的筋條和四周整體框架連接起來，從而提高零件的整體剛度，減少熱處理過程中變形量，另外在產(chǎn)品中心的圓環(huán)上焊接十字拉筋，共2層，提高零件的整體強(qiáng)度，防止其在水淬過程中發(fā)生翹曲的現(xiàn)象。

圖6 鑄件熱處理防變形拉筋示意圖

5 鑄件研制結(jié)果

圖7 實(shí)際產(chǎn)品照片

鑄件澆注完成后，對(duì)其進(jìn)行澆冒口切割、表面打磨等處理，鑄件成形良好，如圖7所示。對(duì)表面目視檢查，未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的鑄造缺陷，對(duì)鑄態(tài)框架劃線，進(jìn)行尺寸的測量，尺寸滿足圖紙要求。這說明，結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的鑄造工藝，澆注效果良好，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5.1 化學(xué)成分

合金的化學(xué)成分測試在德國斯派克MAXx06直讀光譜儀上進(jìn)行，對(duì)主要合金化元素進(jìn)行測量，其結(jié)果如表1所示。其中Si元素含量為7.0wt.%，Mg元素含量為0.37wt.%，Ti元素含量為0.12wt.%。測量合金中的雜質(zhì)元素，其中，F(xiàn)e、Cu、Zr、Pb元素均在規(guī)定要求范圍內(nèi)，符合GB/T1173—1995《鑄造鋁合金》的要求。

表1 ZL101A合金主要元素含量 wt.%

5.2 力學(xué)性能

表2 ZL101A合金單鑄拉棒力學(xué)性能測試結(jié)果

合金的力學(xué)性能以單鑄拉棒表征，試樣直徑為12mm，拉伸速度為4mm/min，試樣室溫拉伸試驗(yàn)檢測按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》執(zhí)行，結(jié)果如表2所示。三根單鑄拉棒力學(xué)性能均符合QJ169A—2011的要求，其平均抗拉強(qiáng)度為293MPa，平均延伸率為3.8%，平均硬度為88.3HB，滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3 內(nèi)部質(zhì)量

產(chǎn)品為Ⅱ類鑄件，需對(duì)指定部位進(jìn)行X光無損檢測，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)按照QJ169A—2011《鋁合金鑄件規(guī)范》執(zhí)行。對(duì)鑄件進(jìn)行X光無損檢測，結(jié)果如表3所示，局部存在2級(jí)縮松，針孔度等級(jí)為1～2級(jí)，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 鑄件X光無損檢測結(jié)果

6 結(jié)束語

a. 對(duì)于整體壁厚為10mm，輪廓尺寸為1600mm×1750mm×450mm的大型鋁合金基座，采用4個(gè)直澆道、16個(gè)立筒的澆注系統(tǒng)可以很好地成形。

b. 對(duì)于框架結(jié)構(gòu)鑄件，采用焊接拉筋的方法能夠減輕鑄件熱處理過程中的變形問題，淬火后變形量較小，滿足圖紙要求。

c. 根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)和鑄造工藝分析，合理設(shè)計(jì)基座鑄造工藝，鑄件質(zhì)量優(yōu)異，其化學(xué)成分、力學(xué)性能、尺寸精度、內(nèi)部質(zhì)量均能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)。

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Research on Casting Process of Large Aluminum Alloy Pedestal

Fan Lipeng Yu Guokang Wang Baobing Zhang Na Zhang Xuliang

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

This paper takes large aluminum alloy pedestal as the research object. By analyzing the structural characteristics of the product and researching the casting process, a reasonable casting process is designed, and a large aluminum alloy pedestal with a contour size of 1600mm×1750mm×450mm is successfully cast, which can meet the product design specifications by chemical composition, mechanical properties, dimensional accuracy and internal quality.

aluminum alloy；pedestal；casting process

范李鵬（1992），碩士，材料學(xué)專業(yè)；研究方向：輕合金鑄造。

2018-07-24