CN110899665B - 一种适用于多层复杂结构铸件的低压铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于多层复杂结构铸件的低压铸造方法，以实现复杂低压铸造件的平稳充型。其包括：升液阶段：将压力为P升的压缩气体通入密封的坩埚内，使坩埚中的合金液通过升液管平稳上升至铸型的浇口处；充型阶段：将通入至坩埚内的气体压力增大至P充，使合金液从铸型的浇口充入型腔，直至型腔被完全充满；结晶增压阶段：铝液充满型腔后，将通入至坩埚内的气体压力按照预设的升压速率增大至保压压力P保；结晶保压阶段：在一段时间段内保持通入坩埚内的气体压力为保压压力P保，使型腔内的金属液完全凝固；卸压阶段：解除坩埚内的气体压力；在所述充型阶段中，存在至少一个使通入至坩埚内的气体压力保持不变的滞压阶段。
Description
技术领域
本发明涉及有色金属铸造领域，具体是一种适用于多层复杂结构铸件的低压铸造方法。
背景技术
铝合金低压铸造工艺过程主要分为升液充型和凝固补缩两个阶段，而铸造行业工程师的关注重点主要是凝固补缩。因为低压铸造是介于重力铸造和压力铸造之间的一种铸造工艺，它兼具重力铸造中底注式平稳充型和压力铸造中铸件补缩更好的优点。也就是说，低压铸造诞生之初就被贴上了充型平稳的标签，这一结论对于绝大部分的铸件是成立的。但是，以汽车发动机缸盖为例，随着涡轮增压、缸内直喷、排气集成等新技术的发展，产品结构日趋复杂化、多层化，使得充型过程铸件各个部位充型背压不一致，充型不平稳，有的部位充型快，有的部位充型慢，最终导致铸件毛坯充型不完整，形成废品。
目前，国内外生产排气集成发动机缸盖主要以重力铸造为主，原因之一是重力铸造有开放式的冒口，排气条件优良，铸造成型难度低。低压铸造虽有排气塞、分型面排气、顶杆排气等辅助排气措施，但相对于重力铸造，排气效果较差。 因此，如何解决类似排气集成缸盖这样的多层、复杂低压铸造件的平稳充型问题，成为亟待解决的技术难点。
中国发明专利CN201811528334.0 铸锭件电磁泵低压铸造工艺及零件电磁泵低压铸造工艺，是通过施加低频脉冲式压力的方式实现更好的补缩和细化组织，但这是在型腔充型完毕之后。
中国发明专利CN200810011491.4 低压铸造充型方法及其所使用的低压铸造充型设备，是通过在卸压时保留一定的压力值，使镁合金液悬浮在升液管某一高度值，直至下一轮充型开始，目的是为了防止镁合金液氧化。
上述发明的关注点都不在低压铸造模具型腔本身充型过程，认为一般铸件平稳充型模具型腔，即采用图1所示的传统的匀速压力曲线设置方法。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种适用于多层复杂结构铸件的低压铸造方法，以实现复杂低压铸造件的平稳充型，得到外形轮廓完好的铸件。
本发明的技术方案为：
本发明提供了一种适用于多层复杂结构铸件的低压铸造方法，包括：
升液阶段：将压力为P升的压缩气体通入密封的坩埚内，使坩埚中的合金液通过升液管平稳上升至铸型的浇口处；
充型阶段：将通入至坩埚内的气体压力增大至P充，使合金液从铸型的浇口充入型腔，直至型腔被完全充满；
结晶增压阶段：铝液充满型腔后，将通入至坩埚内的气体压力按照预设的升压速率增大至保压压力P保；
结晶保压阶段：在一段时间段内保持通入坩埚内的气体压力为保压压力P保，使型腔内的金属液完全凝固；
卸压阶段：解除坩埚内的气体压力，使未凝固的合金液依靠自重回流至坩埚中；
其中，在所述充型阶段中，存在至少一个使通入至坩埚内的气体压力保持不变的滞压阶段。
优选地，所述充型阶段中，各个滞压阶段对应的滞留压力P滞通过公式：P滞=P充*ξ确定，P充为充型结束时的压力，ξ为取值小于1的滞留系数，ξ=（H-h滞）/H，h滞为型腔内部对应的特定水平液面与型腔顶部端面之间的距离，H为进入升液阶段之前，坩埚内的合金液液面到型腔顶部的总高度；
特定水平液面是通过预先实验获得的，具体为：预先实验时，在型腔内的目标水平液面的不同位置处分别布置至少两个传感器，各传感器均连接至同一示波器；若示波器接收到至少两个传感器的信号反馈时间不一致且最先接收到的传感器信号反馈时间和最后接收到的传感器信号反馈时间之间的差值超过预定差值，则将该水平液面记录为一个特定水平液面。
优选地，结晶增压阶段的升压速率大于整个充型阶段过程的升压速率。
优选地，升液阶段中：通过P升=(h升/H)* P充计算升液压力P升，式中，h升为坩埚内的合金液液面到升液管顶部之间的距离；充型阶段中：通过P充=（H*ρ*λ）/1033.6（kg*cm-2）计算充型结束时的压力P充，式中，H为进入升液阶段之前，坩埚内的合金液液面到型腔顶部的总高度；ρ为合金液在浇注温度下的密度；λ为充型阻力系数，其取值为1.2～1.5；
结晶保压和结晶增压阶段中：通过P保=P充*η计算保压压力P保，式中，η为增压系数，其取值为1.5～2.0。
优选地，所述充型阶段中，使通入坩埚内的气体压力保持不变的各个滞压阶段的保持时长是通过预先实验获得的，具体为：
在通过确定出各个滞压阶段分别对应的特定水平液面后，确定在各个水平液面条件下、最先接收到的传感器信号反馈时间和最后接收到的传感器信号反馈时间之间的差值；
按照信号反馈时间差，分配与各个水平液面对应的滞压阶段的保持时长；
其中，信号反馈时间差越大，所对应的滞压阶段的保持时长越大。
本发明的有益效果为：
1、创新工艺方法：新增滞留压力这一概念，创新工艺方法，为解决行业重难点技术问题提供新思路。
2、便捷、高效：只需根据具体铸件情况设计压力曲线，整个操作方式简单便捷而又高效，易于推广。
3、提质、增效：解决了现有传统技术手段设计压力曲线时，针对多层、复杂结构低压铸件，难以获得完整外形轮廓的痛点，从而提升产品质量，降低生产成本，提升企业效益。
附图说明
图1为传统的低压铸造工艺的压力与时间的曲线变化图；
图2为本申请的低压铸造工艺的压力与时间的曲线变化图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明提供了一种适用于多层复杂结构铸件的低压铸造方法，多层复杂结构铸件包括本实施例中的缸盖，缸体等结构。其中，进行低温铸造时，所采用的装置为传统的低压铸造装置，主要由坩埚型保温炉、升液管、铸型，铸型的浇道的一端作为浇口，另一端和升液管连通，该方法具体包括：
升液阶段：将压力为P升的压缩气体通入密封的坩埚内，使坩埚中的合金液通过升液管平稳上升至铸型的浇口处；
充型阶段：将通入至坩埚内的气体压力增大至P充，使合金液从铸型的浇口充入型腔，直至型腔被完全充满；
结晶增压阶段：铝液充满型腔后，将通入至坩埚内的气体压力按照预设的升压速率增大至保压压力P保；
结晶保压阶段：在一段时间段内保持通入坩埚内的气体压力为保压压力P保，使型腔内的金属液完全凝固；
卸压阶段：解除坩埚内的气体压力，使未凝固的合金液依靠自重回流至坩埚中；
其中，在所述充型阶段中，存在至少一个使通入至坩埚内的气体压力保持不变的滞压阶段，滞压阶段的设计目的是当铸件在充型过程存在高低不同的液面差时，通过在滞留压力下稳定短暂时间，使型腔内的液面高度达到一致（水平）后再进一步充型最后阶段，从而达到获得完整铸件外形轮廓的目的。
优选地，所述充型阶段中，各个滞压阶段对应的滞留压力P滞通过公式：P滞=P充*ξ确定，P充为充型结束时的压力，ξ为取值小于1的滞留系数，ξ=（H-h滞）/H，h滞为型腔内部对应的特定水平液面与型腔顶部端面之间的距离，H为进入升液阶段之前，坩埚内的合金液液面到型腔顶部的总高度，单位为cm；特定水平液面是通过预先实验获得的，具体为：预先实验时，在型腔内的目标水平液面处分别布置至少两个传感器，各传感器均连接至同一示波器；若示波器接收到至少两个传感器的信号反馈时间不一致且最先接收到的传感器信号反馈时间和最后接收到的传感器信号反馈时间之间的差值超过预定差值，则将该目标水平液面记录为一个特定水平液面。
其中，目标水平液面为实验之前，设计人员根据经验选取的液面。预定差值根据具体测试结果确定，若进行测试的多个目标水平液面对应的信号反馈时间均不一致，则从测试结果中选取信号反馈时间差最大的其中几个目标水平液面作为本次所确定的特定水平液面。此时，该预定差值即为所选取的信号反馈时间差最大的其中几个目标水平液面中的最小信号反馈时间差。
优选地，结晶增压阶段的升压速率大于充型阶段的升压速率。
优选地，升液阶段中：通过P升=(h升/H)* P充计算升液压力P升，式中，h升为坩埚内的合金液液面到升液管顶部之间的距离；充型阶段中：通过P充=（H*ρ*λ）/1033.6（kg*cm-2）计算充型结束时的压力P充，式中，H为进入升液阶段之前，坩埚内的合金液液面到型腔顶部的总高度，单位为cm；ρ为合金液在浇注温度下的密度，单位为g*cm-3；λ为充型阻力系数，其取值为1.2～1.5；结晶保压和结晶增压阶段中：通过P保=P充*η计算保压压力P保，式中，η为增压系数，其取值为1.5～2.0。
优选地，所述充型阶段中，使通入坩埚内的气体压力保持不变的各个滞压阶段的保持时长是通过预先实验获得的，具体为：通过确定出各个滞压阶段分别对应的特定水平液面后，确定在各个水平液面条件下、最先接收到的传感器信号反馈时间和最后接收到的传感器信号反馈时间之间的差值；按照信号反馈时间差，分配与各个水平液面对应的滞压阶段的保持时长；其中，信号反馈时间差越大，所对应的滞压阶段的保持时长越大。本实施例中，相对于现有技术来说，充型阶段的整个充型时长比传统的充型时长多。在传统充型过程中，为了防止充型完成之前型腔顶部的铝合金液发生结晶凝固的现象，设计了冗余时长，通过对充型速度的调整，使得充型阶段的时间尽可能短，在充型完成之后，即便保持高充型压力P充一段时长，型腔内的合金液仍然不会出现结晶凝固现象；本申请中，正是利用所设计的该冗余时长来进行滞压阶段的保持时长设计，各个滞压阶段的保持时长总和小于或等于该冗余时长，可以根据在预先实验时，按照在不同水平液面的传感器的信号反馈时间差从大到小来分配各个滞压阶段的时长；具体来说，在预先实验时，若某一水平液面条件下，示波器最先接收到传感器的信号反馈时间和最后接收到传感器的信号反馈时间之间的差值最大，则表明该水平液面出现不平稳现象最严重，将该水平液面对应的滞压阶段的保持时长设置得最长，使得该水平液面具有更多恢复平稳的时间；反之，若某一水平液面条件下的信号反馈时间差最短，则将其对应的滞压阶段的保持时长分配的最短。并且在实际铸造时，根据实际具体铸件情况，在不产生冷隔的前提下，各个滞压阶段的保持时长取值越大，实现平稳充型的效果越好。
本实施例以某一涡轮增压型排气集成铝合金缸盖为例，由于排气集成到缸盖内，造成铸造时模具排气侧存在5层砂芯的阻碍，同时水套砂芯夹裹着气道砂芯形成薄壁结构，符合本发明中所述多层复杂结构件的特征。
本发明所述的一种适用于多层复杂结构件低压铸造工艺设计方法，以生产某一涡轮增压型排气集成铝合金缸盖为例，对于铝合金缸盖来说，由于排气集成到缸盖内，造成铸造时模具排气侧存在5层砂芯的阻碍，同时水套砂芯夹裹着气道砂芯形成薄壁结构，符合本发明中所述多层复杂结构件的特征。 其中，铝合金缸盖的材料为AC4B合金，重量为15KG，浇注温度为705℃，模具材质为H13钢，模具初始温度为380℃，冷却方式为4路水冷和9路空冷组合。
其中，在计算之前，预先计算出本实施例中所使用到的充型压力、升液压力、滞压压力和保压压力。其中，通过P充=（H*ρ*λ）/1033.6（kg*cm-2）计算充型压力P充，式中，H为进入升液阶段之前，坩埚内的合金液液面到型腔顶部的总高度，H=98cm；铝合金液在705℃浇注温度下的密度ρ约2.4 g*cm-3；充型阻力系数λ取1.3；计算得到充型结束时的压力P充=0.296（kg*cm-2），换算为常用单位即为296mbar；通过P升=(h升/H)* P充计算升液压力P升，式中h升=60cm，计算得到P升=0.181（kg*cm-2），换算为常用单位即为181mbar；通过P保=P充*η计算保压压力P保，式中增压系数η取1.5，计算得到P保=0.444（kg*cm-2），换算为常用单位即为444mbar；确定滞留压力P滞位置，通过结构分析，该铝合金缸盖内部结构最为复杂区域为铸件顶部往下9.8cm距离处（此处，对于铝合金缸盖来说，其内部结构最为复杂区域所在的水平面即为充型时型腔内最容易出现不平稳的水平液面），故h滞=9.8cm，滞留系数ξ=（H-9.8）/H=0.9，计算得到P滞=266mbar；在滞留压力P滞下，短时稳定时间t取3s，如前所述得到新的充型压力曲线，如图2，本发明方法所设计的低压铸造示意图所示。利用本发明实施例的低压铸造压力曲线进行低压铸造，即可得到外形轮廓充型完整的合格铸件。
在确定出上述的各压力值后，采用低压铸造方法制造该铝合金缸盖的步骤如下：
步骤S101，升液阶段：在T1时间段内按照升液速度为181/T1mbar/s平稳的将气体压力为181mbar的压缩空气或惰性气体通入坩埚中，使坩埚中的铝合金液沿升液管平稳上升至铸型的浇口处。
步骤S102，充型阶段：增加通入至坩埚中的气体压力为266mbar，在充型压力为266mbar、充型速度为85/T2-T1mbar/s的条件下，使铝合金液在(T2-T1)s时段内从铸型的浇口充入型腔内；在通入至坩埚中的气体压力达到266mbar时，保持该压力不变并持续(T3-T2)s（如3s），此(T3-T2)s时段内，铝合金液停止向型腔内充入，使进入型腔内的铝合金液的液面具有恢复平稳的时间；经过3s时间后，增加通入至坩埚中的气体压力为286mbar，在充型压力为286mbar、充型速度为20/T4-T3mbar/s的条件下，使铝合金液在（T4-T3）s时段内继续向型腔内充入，并且，在T4时刻到达时，铝合金液将型腔完全充满。
步骤S103，结晶增压阶段：铝合金液充满型腔后，快速增大结晶压力，在（T5-T4）s时段内快速增加通入坩埚中的气体压力至444mbar。
步骤S104，结晶保压阶段：在通入坩埚中的气体压力达到444mbar后，保持该压力不变，并维持（T6-T5）s时间，此过程中，型腔内的铝合金液完成结晶凝固。
步骤S105，卸压阶段：在（T7-T6）s内解除坩埚内的气体压力，使升液管和浇口中未凝固的铝合金液回流至坩埚中。
进一步地，为了更直观地说明传统的低压铸造工艺针对多层复杂结构在充型过程中存在的问题，本发明实施例中，在模具的进气侧和排气侧分别设计加工并安装了位置传感器，其中，在同一水平高度安装有至少两个位置传感器，并且位置传感器外接示波器。当充型过程有铝液到达该位置传感器所在的水平面位置时，铝液、位置传感器和示波器之间便形成电路通路，示波器同时显示形成通路的该时刻；与此同时，通过设备联动，同步实现加压0时刻即为示波器0时刻。
本实施例中，在实验过程中通过在模具的排气侧设置一个传感器B以及在模具的进气侧设置两个传感器C、D来进行实验，三个传感器B、C和D设置在同一水平高度上。
针对传统充型方法，经过实验后，实验结果显示：同一水平高度位置传感器B、C、D接收到信号的时刻依次为16s、15.6s、15.6s，这说明传统低压充型工艺在充型多层复杂结构时的确受到明显的阻力，即充型过程存在液面差，是不平稳的。
在利用本发明提出的充型工艺方法进行优化之后再次进行实验对比，同一水平高度位置传感器B、C、D接收到信号的时刻依次为18.6s、18.6s、18.6s，最终达到了平稳充型的目的，也即，通过在充型过程中的充型压力达到P滞这一压力点时，进行短时的滞留，使型腔中存在液面差的液面具有液面恢复平稳的时间，液面恢复至平稳。
本发明上述方法，操作起来简单、便捷、高效，重点是解决了采用传统压力工艺曲线充型多层、复杂结构铸件很难得到外形轮廓完好铸件的技术难点，有利于提升铸件质量。当然，该方法不仅适用于铝合金低压铸造，同样适用于其他轻质有色金属合金的低压铸造。
上述实施例只对其中一些本发明的一个或多个实施例进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。
Claims (4)
1.一种适用于多层复杂结构铸件的低压铸造方法，其特征在于，包括：
升液阶段：将压力为P升的压缩气体通入密封的坩埚内，使坩埚中的合金液通过升液管平稳上升至铸型的浇口处；
充型阶段：将通入至坩埚内的气体压力增大至P充，使合金液从铸型的浇口充入型腔，直至型腔被完全充满；
结晶增压阶段：铝液充满型腔后，将通入至坩埚内的气体压力按照预设的升压速率增大至保压压力P保；
结晶保压阶段：在一段时间段内保持通入坩埚内的气体压力为保压压力P保，使型腔内的金属液完全凝固；
卸压阶段：解除坩埚内的气体压力，使未凝固的合金液依靠自重回流至坩埚中；
其中，在所述充型阶段中，存在至少一个使通入至坩埚内的气体压力保持不变的滞压阶段；所述充型阶段中，各个滞压阶段对应的滞留压力P滞通过公式：P滞=P充*ξ确定，P充为充型结束时的压力，ξ为取值小于1的滞留系数，ξ=（H-h滞）/H，h滞为型腔内部对应的特定水平液面与型腔顶部端面之间的距离，H为进入升液阶段之前，坩埚内的合金液液面到型腔顶部的总高度；
特定水平液面是通过预先实验获得的，具体为：预先实验时，在型腔内的目标水平液面的不同位置处分别布置至少两个传感器，各传感器均连接至同一示波器；若示波器接收到至少两个传感器的信号反馈时间不一致且最先接收到的传感器信号反馈时间和最后接收到的传感器信号反馈时间之间的差值超过预定差值，则将该目标水平液面记录为一个特定水平液面。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，结晶增压阶段的升压速率大于整个充型阶段过程中的升压速率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
升液阶段中：通过P升=(h升/H)* P充计算升液压力P升，式中，h升为坩埚内的合金液液面到升液管顶部之间的距离；充型阶段中：通过P充=（H*ρ*λ）/1033.6（kg*cm-2）计算充型结束时的压力P充，式中，H为进入升液阶段之前，坩埚内的合金液液面到型腔顶部的总高度；ρ为合金液在浇注温度下的密度；λ为充型阻力系数，其取值为1.2～1.5；
结晶保压阶段和结晶增压阶段中：通过P保=P充*η计算保压压力P保，式中，η为增压系数，其取值为1.5～2.0。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述充型阶段中，使通入坩埚内的气体压力保持不变的各个滞压阶段的保持时长是通过预先实验获得的，具体为：
在通过预先实验确定出各个滞压阶段分别对应的特定水平液面后，确定在各个特定水平液面条件下、最先接收到的传感器信号反馈时间和最后接收到的传感器信号反馈时间之间的差值；
按照信号反馈时间差，分配与各个水平液面对应的滞压阶段的保持时长；
其中，信号反馈时间差越大，所对应的滞压阶段的保持时长越大。
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