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

2015-07-27 05:23:41姜鴻濱張明亮威海萬(wàn)豐鎂業(yè)科技發(fā)展限公司山東威海264209

山東工業(yè)技術(shù) 2015年13期

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

姜鴻濱,張明亮
（威海萬(wàn)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(gè)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(lèi)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(guò)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(lái)鑄造毛坯為該集團(tuán)采購(gòu)其他企業(yè)經(jīng)過(guò)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(wèn)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(cè)設(shè)備落后，毛坯只能經(jīng)過(guò)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(wú)法控制。該集團(tuán)在考察我公司后，對(duì)我公司先進(jìn)的鋁合金低壓鑄造工藝和產(chǎn)品檢測(cè)質(zhì)量控制體系非常滿(mǎn)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(gè)密閉的爐子上，型腔的下面用一個(gè)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(huì)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(gè)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(duì)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(jiǎn)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(guò)程中氧化膜和熔渣等夾雜物易卷入鑄件，有時(shí)也會(huì)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(guò)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(huì)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(duì)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(jiàn)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(duì)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(shì)，決定對(duì)底座產(chǎn)品采用壓力鑄造成形方法來(lái)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(duì)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(pán)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(lái)改善鋁液的流動(dòng)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(gè)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(jiǎn)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(wàn)元，毛坯試制生產(chǎn)費(fèi)用2萬(wàn)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(gè)鑄件均攤費(fèi)用為1000元。

3.5 底座毛坯更改鑄造方法帶來(lái)的優(yōu)劣勢(shì)比較

3.5.1壓力鑄造優(yōu)勢(shì)

（1）雖然前期模具制作費(fèi)用較高，但毛坯鑄造周期過(guò)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(wàn)件以上毛坯，從而使每件毛坯生產(chǎn)成本降低，現(xiàn)場(chǎng)制作毛坯內(nèi)部組織致密無(wú)缺陷可達(dá)到1級(jí)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(wú)缺陷可達(dá)到1級(jí)精度以上，鑄件在鑄造過(guò)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(guò)程中對(duì)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(guò)程才發(fā)現(xiàn)縮松、砂眼而帶來(lái)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(shì)

（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(duì)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(dòng)，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(wú)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(guò)程和經(jīng)濟(jì)效益驗(yàn)證

4.1 試制過(guò)程

基于以上分析，與航天科技集團(tuán)研究在2014年5月份開(kāi)始進(jìn)行模具設(shè)計(jì)制作階段，7月份開(kāi)始進(jìn)行產(chǎn)品試制階段，經(jīng)過(guò)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(guò)最后精加工滿(mǎn)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(jiàn)表2）。