風扇機匣鑄件毛坯鑄造工藝改進研究

陳春梅，黃凱，盧文海

中國航發常州蘭翔機械有限責任公司 江蘇常州 213001

1 序言

某型發動機用風扇機匣，材料為ZL104。該合金為可熱處理強化的鋁-硅-鎂系鑄造合金，具有良好的鑄造工藝性，力學性能優于ZL101、ZL102等合金，主要適合制造使用溫度不超過180℃的中等載荷的飛機與發動機零件。但該合金鑄造過程中形成針孔的傾向較大，熔煉工藝比較復雜[1]。原有風扇機匣鑄件毛坯采用砂型鑄造工藝，存在局部多肉缺陷，毛坯針孔的等級為3～4級（標準要求不超過3級）。另外，葉型為有加工余量，在加工過程中需對葉片及通道進行加工，占用了大量的機械設備資源及人工成本。為提高該零件質量的可靠性，本文開展了風扇機匣葉型及通道采用無余量熔模鑄造工藝的應用研究。主要介紹毛坯采用無余量熔模鑄造工藝的生產過程，分析對比了砂型與熔模鑄造毛坯的冶金質量，并對改進前后的工藝路線進行比較。

2 方案及工藝過程

2.1 模具的設計與制作

風扇機匣如圖1所示，由于風扇機匣鑄件葉片型面輪廓度公差±0.3mm，模具設計時采用高精度的模具塊組合的整體結構（見圖2）來保證葉片型面及通道的輪廓度要求。根據鑄件毛坯局部尺寸厚大的結構特點，在蠟型模具設計時應充分考慮蠟件的縮沉、變形導致的收縮補縮。蠟型模的起模方式：直接獲得蠟型，減少起模時的蠟型變形[2]。

圖1 風扇機匣

圖2 風扇機匣模具

2.2 工藝選擇與確定

（1）蠟料與壓型 所選用蠟料為進口162型中溫蠟，蠟型的壓制工藝參數為：壓蠟環境溫度（21±2）℃，蠟液溫度（65±5）℃，壓力2～3.5MPa，壓制蠟件完畢后，蠟件放在專用的托盤上，防止蠟件變形。

（2）蠟型組合 對壓制完的蠟件進行修整，并經檢驗人員確認合格后方可按照風扇機匣組合工藝圖進行組合，然后再由檢驗人員確認蠟型組合符合風扇機匣組合工藝圖，才可往下一工序流轉。

2.3 熔煉及澆注

根據有關資料介紹，ZL104合金的鋁液澆注溫度控制在700～710℃，根據風扇機匣的形狀、尺寸選擇型殼溫度在（350±50）℃。

由于該合金鑄造過程中形成針孔的傾向較大，金屬除氣及精煉過程應嚴格按照工藝進行，并盡量縮短精煉完成到澆注的時間，防止金屬液 “吸氣”現象。

3 生產結果

3.1 尺寸及表面粗糙度

通過采用熔模鑄造工藝成形的風扇機匣毛坯表面粗糙度值低，可以達到Ra＝2.2μm的水平，且表面無目視可見的砂眼缺陷。

利用三坐標對風扇機匣鑄件支板及通道進行檢測，選取均布的兩個支板，每個支板選取兩個截面，通道面選取均布的三個截面，尺寸計量結果見表1、表2。

表1 葉片支板尺寸計量結果 （mm）

表2 通道尺寸計量結果 （mm）

由計量結果可以看出，采用熔模鑄造工藝生產的風扇機匣毛坯的支板及通道都能滿足設計要求。

3.2 冶金分析

（1）化學成分 對風扇機匣鑄件毛坯的化學成分進行分析，結果符合HB963—2005要求。

（2）力學性能 通過對與毛坯同爐次的試棒進行力學性能檢驗，結果見表3。

從表3可以看出，采用熔模鑄造工藝生產的毛坯的力學性能符合HB963—2005要求，對比生產檢驗和入廠復驗數據，性能比較穩定。另外，與砂型鑄造工藝相比，抗拉強度約高15%，力學性能更優。這可能是因為采用熔模鑄造工藝生產的毛坯針孔及疏松等級較低。有研究發現，針孔及疏松等級會影響鋁合金鑄件的力學性能，針孔及疏松等級越高，力學性能越低[3]。

（3）冶金質量檢查 精鑄毛坯經目視、熒光、X射線檢測，冶金質量均符合標準要求，且實際存在的冶金缺陷達到Ⅰ類件要求。

表3 力學性能

4 分析討論

4.1 解決原有毛坯存在的問題

原來采用砂型鑄造工藝生產的毛坯，葉型支板及流道加工余量均在2mm以上，加工過程中出現氣孔、針孔及多肉等缺陷，且這些缺陷均在加工至將近成品才發現，毛坯報廢率較高。

（1）解決針孔超標問題 風扇機匣毛坯熒光無損檢測照片如圖3所示，從中可以看出，存在較嚴重的針孔缺陷。

圖3 風扇機匣熒光檢驗圖片

分析產生針孔的原因主要有以下幾點：

1）合金冶煉過程中除氣不徹底，導致金屬熔液含氣量較高。

2）砂型型腔澆注過程發氣，從而進入鑄件本體。

3）合金在澆注過程中產生紊流，將氣體卷入鑄件本體。

4）砂鑄毛坯由于加工余量較大，壁厚較厚從而影響凝固速率。

采用熔模鑄造工藝生產毛坯時，可以避免型腔發氣及鑄件壁厚較大的缺陷；另外，在設計澆注系統時要充分考慮金屬液充型過程流向順序，最大限度地避免紊流現象，盡量減少空氣的卷入；再有，金屬液熔煉過程中延長除氣時間，采用多次精煉，提高澆注速度，縮短精煉后到金屬液凝固的時間。通過幾次工藝調整，采用精鑄工藝生產的毛坯表面基本無針孔，全面滿足技術條件要求。

（2）解決局部多肉問題 采用砂型鑄造風扇機匣出現的局部多肉缺陷如圖4所示，部分多肉直接影響產品的設計功能，需對多肉部位進行補充加工，浪費工時，影響生產效率。通過采用熔模鑄造工藝生產的毛坯（見圖5）鑄造尺寸精度由CT9級提高到CT6級，完全能夠滿足設計圖樣的要求，且不需要補充加工，提高了生產效率，同時使零件重量得到有效控制，減少了因多肉造成的超重問題。

圖4 砂型鑄造風扇機匣

圖5 熔模鑄造風扇機匣

采用無余量熔模鑄造工藝生產的毛坯葉型支板及通道不加工，零件表面保留了鑄造形成的致密細晶層，有利于提高零件的疲勞強度。

4.2 零件的機加工藝路線分析

對比砂型與熔模鑄造兩種毛坯加工余量，主要區別是砂型鑄造毛坯需對支板及通道進行加工，目前砂鑄毛坯的加工工藝支板及通道主要是先通過五軸加工中心進行銑削，留單邊0.05mm的余量進行拋光。而由無余量精密鑄造的風扇機匣無需對支板及通道進行加工，葉型支板及流道可直接滿足設計圖樣要求，大幅降低了零件的機械加工成本，提高了生產效率。

4.3 裝機考核

采用熔模鑄造工藝生產的風扇機匣毛坯經過試加工，滿足設計圖樣要求，已通過裝機考核。

5 結束語

1）采用熔模鑄造無余量精密鑄造技術，可以使鑄件的尺寸、表面粗糙度及冶金質量滿足要求。

2）通過對比兩種工藝鑄造的毛坯，采用熔模鑄造無余量精密鑄造技術生產的毛坯可降低單件零件的成本，提高生產效率，可以在類似的風扇機匣生產上進行推廣應用。