CN111014617B - 基于反重力铸造的带有螺旋形结构薄壁蜗壳壳体成形方法 - Google Patents

基于反重力铸造的带有螺旋形结构薄壁蜗壳壳体成形方法 Download PDF

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Abstract

基于反重力铸造的带有螺旋形结构薄壁蜗壳壳体成形方法，采用树脂砂造型、反重力成形制造工艺，提高薄壁充型能力及充型速度，增强凝固阶段补缩力大小。同时，依据产品结构特点，合理选择浇注系统开设位置及尺寸，运用数字化仿真模拟软件，实现铸造方案的快速验证，解决了传统的铸造工艺难以实现无缺陷铸件成形。本发明主要用于小型薄壁复杂结构铝合金壳体铸件的制造，大大缩短了研制周期、降低了成本、有效地提高了蜗壳结构铝合金壳体的制造效率及尺寸精度，解决了传统重力铸造充型能力差、补缩能力差问题，扩展了薄壁结构铸件成型极限，为先进设计结构应用提供技术支撑，同时为产品的批量化生产奠定了坚实的基础。

Description

基于反重力铸造的带有螺旋形结构薄壁蜗壳壳体成形方法
技术领域
本发明涉及基于反重力铸造的带有螺旋形结构薄壁蜗壳壳体成形方法，属于砂型铸造技术领域。
背景技术
螺旋扩散结构是泵压式液体火箭发动机预压泵、氧化剂泵、燃料泵等组件燃气出口常用结构，通过螺旋角度、尺寸控制设计参数。基于减重考量，结构设计成薄壁且壁厚均匀、空间扭曲复杂结构，材料往往选择铝合金、镁合金等轻量合金。作为燃气出口，需要承受高温、高压冲击，对于铸件质量要求较高，一般为I类铸件，表面不允许裂纹、冷隔、沙眼、缩孔、缩松、气孔等铸造缺陷，且基于可靠性考量，且不允许通过补焊进行修复，这就对铸造提出很高的要求。
传统重力铸造工艺消除缺陷的方法包括增加加工余量、添加冒口、冷铁以及降低浇注温度。增加加工余量及添加冒口、冷铁是通过结构优化、温度场优化将铸造缺陷从铸件本体转移至加工面或冒口，其依靠冒口与铸件本体形成的补缩通道和浇注系统熔体压头实现补缩冒口补缩。由于冒口和浇注系统的熔体压头受工装和造型工艺的限制，其补缩压力也受到了限制，特别是铸件凝固过程中的晶间补缩更加困难。这两种方法存在工序繁琐、造型、制芯难度大、尺寸稳定性差、可靠性难以保证等问题。其次，这两种方法还需要铸件存在规则型面，并便于传统机加工方式去除。对于带有螺旋形扩散结构薄壁结构，上述两种措施的可实施性差，易出现疏松、夹杂缺陷。降低浇注温度则是一种铸造工艺优化手段，其通过减少金属液体过热，减少疏松缺陷的产生。但是，随着浇注温度的降低，金属液的充型速度降低，不适用于薄壁结构成形。传统的铸造工艺难以实现无缺陷铸件成形，故该类薄壁复杂蜗壳结构壳体铝合金铸件已然成为液体火箭发动机铸造领域的一大难题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了基于反重力铸造的带有螺旋形结构薄壁蜗壳壳体成形方法，提高薄壁充型能力及充型速度，增强凝固阶段补缩力大小。
本发明的技术解决方案是：
基于反重力铸造的带有螺旋形结构薄壁蜗壳壳体成形方法，包括下列步骤：
（1）依据产品结构建立产品及浇注系统的三维模型，开展仿真工艺优化，确定最终铸造工艺方案；
（2）根据步骤（1）确定的最终制造工艺方案，设计并制造铸造工艺用外模、芯盒、浇注系统和冒口；
（3）配制树脂砂，应用制造的外模和芯盒，制造砂型和砂芯，检查制造好的砂型、砂芯表面质量，打磨精修并保证尺寸满足要求；
（4）将制造的砂芯、砂型放置4小时后，对其表面进行涂料；
（5）将步骤（4）处理后的砂芯、砂型放入烘烤炉进行干燥；
（6）为砂型套上砂箱，将步骤（5）处理后的砂芯装入砂型中，采用塞尺检查砂芯与砂型之间的空隙，确保空隙的均匀性、尺寸满足要求，完成铸型装配；
（7）对浇注所需的合金进行熔炼；
（8）根据铸型高度及铸型浇注重量计算并设定铸型充型压力，采用反重力铸造设备，向合金液表面进行加压，利用压力将合金液通过浇注系统从铸型底部浇注入型腔；
（9）对步骤（8）得到的铸件及其砂箱至少放置4个小时后，放入落砂机中，通过机械振动使铸件与砂型分离；
（10）对步骤（9）得到的铸件，锯切其冒口；
（11）对铸件进行精修；
（12）对精修后的铸件进行吹砂；
（13）对步骤（12）处理后的铸件按设计要求进行热处理；
（14）对步骤（13）处理后的铸件进行检查，包括X光内部检查、尺寸检查及表面质量检查，如果检查通过，则成形结束，如果检查不通过，则产品报废。
所述步骤（1）的实现方法如下：
（1.1）通过剖分曲面，识别铸件热节部位；
（1.2）利用三维建模软件构造产品和浇注系统三维模型，将浇注系统三维模型与产品三维模型进行装配组合；
（1.3）运用仿真模拟软件，对铸造工艺方案进行模拟验证，并结合充型及凝固过程模拟结构，优化铸造工艺方案；
（1.4）生产试验件，验证工艺方案的可行性，并依据实际结果进行优化改进，重复步骤（1.1）—（1.3），调整浇注系统尺寸；
（1.5）获得最终铸造工艺方案。
所述步骤（3）中，配制树脂砂时，树脂和砂的重量比为2:100。
所述步骤（4）中，涂料时要求均匀光滑，不能有目视可见的流痕、凸起；涂料使用前要搅拌均匀，装入喷枪前，要用50目过滤网对涂料进行过滤。
所述步骤（8）中，浇注过程包括升液、充型、增压结晶、保压凝固和卸压冷却阶段。
升液阶段工艺参数的确定原则如下：
升液阶段是将一定压力的干燥空气通入坩埚中，使金属液沿着升液管平稳上升到铸型的浇道处；升液压力P1满足P1= h1ρgμ×10-3
其中，h1为从铸型的浇道处到密封罐内坩埚中液面的距离；ρ为合金液密度；g为重力加速度；μ为阻力系数；
升液时间t1满足t1=h1/v1
式中，t1为从加压开始至合金液充满升液管为止；v1为升液速度。
充型阶段工艺参数的确定原则如下：
充型是指金属液由浇道进入型腔直至充满铸型，充型速度根据铸件壁厚来确定；
充型压力P2满足P2= h2ρgμ×10-3
式中：h2为浇口出口处距离铸型顶部之间的高度，计算方法为（h1+铸型高度）；ρ为合金液密度；g为重力加速度；μ为阻力系数。
充型时间t2满足t2=(h2-h1)/v2
式中：t2为从合金液流入型腔开始至充满型腔为止；h2为浇口出口处距离铸型顶部之间的高度；h1为铸型的浇道处至密封罐内坩埚里金属液面之间的距离；v2为充型速度。
金属液充满型腔后，立即进行增压，使金属液在高于升液、充型的压力下结晶凝固。
所述步骤（11）中，精修的过程如下：
使用气动工具对铸件表面披缝、毛刺、表面铸瘤进行打磨、清理；使用辅助光源，检查铸件表面，对铸件表面目视可见缺陷进行排除。
所述步骤（12）的实现方式如下：
对步骤（11）处理后的铸件表面进行吹砂，除去氧化皮、油污；吹砂时应注意不得将风枪对准铸件的单点进行长时间操作，单点操作时间应≤5s；吹砂结束后，在吹砂室内将铸件内多余的刚玉砂使用低压气进行吹除后方可取出。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
（1）本发明采用树脂砂造型、反重力成形制造工艺，通过反重力充型力控制方法，提高薄壁充型能力及充型速度，增强凝固阶段补缩力大小实现了快速充型、高压凝固，适用于小型薄壁复杂结构铝合金壳体铸件的制造，大大缩短了研制周期、降低了成本、有效地提高了蜗壳结构铝合金壳体的制造效率及尺寸精度，解决了传统重力铸造充型能力差、补缩能力差问题，扩展了薄壁结构铸件成型极限，为先进设计结构应用提供技术支撑。
（2）本发明依据产品结构特点，合理选择浇注系统开设位置及尺寸，运用数字化仿真模拟软件，实现铸造方案的快速验证，解决了传统的铸造工艺难以实现无缺陷铸件成形。
（3）本发明可实施性好，不会出现疏松、夹杂缺陷，降低了造型、制芯难度、提高了尺寸稳定性和可靠性，解决了原有技术难题，为产品的批量化生产奠定了坚实的基础。
附图说明
图1为本发明实施例蜗壳壳体铸件结构示意图；
图2为蜗壳壳体造型方案；
图3为蜗壳壳体铸型装配示意图；
图4 为蜗壳壳体外模图；
图5为蜗壳壳体芯盒示意图；（a）为1#芯盒示意图，（b）为2#芯盒示意图，（c）为2#芯盒第一部分示意图，（d）为2#芯盒第二部分示意图，（e）为2#芯盒第三部分示意图。（f）为3#芯盒示意图。
具体实施方式
本发明提出一种基于反重力铸造的带有螺旋形结构薄壁蜗壳壳体成形方法，包括下列步骤：
（1）依据产品结构建立产品及浇注系统的三维模型，开展仿真工艺优化，确定最终铸造工艺方案；
实现方法如下：
（1.1）通过剖分曲面，识别铸件热节部位；
（1.2）利用三维建模软件构造产品和浇注系统三维模型，将浇注系统三维模型与产品三维模型进行装配组合；
（1.3）运用仿真模拟软件，对铸造工艺方案进行模拟验证，并结合充型及凝固过程模拟结构，优化铸造工艺方案；
（1.4）生产试验件，验证工艺方案的可行性，并依据实际结果进行优化改进，重复步骤（1.1）—（1.3），调整浇注系统尺寸；
（1.5）获得最终铸造工艺方案。
（2）根据步骤（1）确定的最终制造工艺方案，设计并制造铸造工艺用外模、芯盒、浇注系统和冒口。
（3）配制树脂砂，应用制造的外模和芯盒，制造砂型和砂芯，检查制造好的砂型、砂芯表面质量，打磨精修并保证尺寸满足要求。配制树脂砂时，树脂和砂的重量比为2:100。
（4）将制造的砂芯、砂型放置4小时后，对其表面进行涂料。涂料时要求均匀光滑，不能有目视可见的流痕、凸起；涂料使用前要搅拌均匀，装入喷枪前，要用50/100目过滤网对涂料进行过滤。
（5）将步骤（4）处理后的砂芯、砂型放入烘烤炉进行干燥。
（6）为砂型套上砂箱，将步骤（5）处理后的砂芯装入砂型中，采用塞尺检查砂芯与砂型之间的空隙（铸件涡道壁厚），确保空隙的均匀性、尺寸满足要求，完成铸型装配。
（7）对浇注所需的合金进行熔炼；其中包括合金的精炼、变质处理。
（8）根据铸型高度及铸型浇注重量计算并设定铸型充型压力，采用反重力铸造设备，向合金液表面进行加压，利用压力将合金液通过浇注系统从铸型底部浇注入型腔。
浇注过程包括升液、充型、增压结晶、保压凝固和卸压冷却阶段。
升液阶段工艺参数的确定原则如下：
升液阶段是将一定压力的干燥空气通入坩埚中，使金属液沿着升液管平稳上升到铸型的浇道处；升液压力P1（KPa）满足P1= h1ρgμ×10-3
其中，h1为从铸型的浇道处到密封罐内坩埚中液面的距离(m)；ρ为合金液密度（kg/m3），铝合金一般取ρ=2.7×103kg/m3；g为重力加速度（N/kg），一般取g=9.8N/kg；μ为阻力系数，通常取μ=1.0；对于相同的充型高度，型腔越复杂，需要的压力越大，该参数取值越大。
升液时间t1满足t1=h1/v1
式中，t1为从加压开始至合金液充满升液管为止（s）；v1为升液速度（mm/s）。
充型阶段工艺参数的确定原则如下：
充型是指金属液由浇道进入型腔直至充满铸型，充型速度根据铸件壁厚来确定。
充型压力P2满足P2= h2ρgμ×10-3
式中：P2为充型压力（KPa）；h2为浇口出口处距离铸型顶部之间的高度（m），计算方法为（h1+铸型高度）；ρ为合金液密度（kg/m3），铝合金一般取ρ=2.7×103kg/m3；g为重力加速度（N/kg）；μ为阻力系数，通常取μ=1.0。
充型时间t2满足t2=(h2-h1)/v2
式中：t2为从合金液流入型腔开始至充满型腔为止（s）；
h2为浇口出口处距离铸型顶部之间的高度（m）；
h1为铸型的浇道处至密封罐内坩埚里金属液面之间的距离（m）；
v2为充型速度（m/s）。
增压、凝固阶段浇注工艺参数的确定原则：
金属液充满型腔后，立即进行增压，使金属液在高于升液、充型的压力下结晶凝固。
卸压冷却阶段浇注工艺参数确定原则
铸件凝固完毕，卸除坩埚中的压力，使升液管和浇道中尚未凝固的金属液回落到坩埚中，并冷却到一定时间，开型，落砂。
（9）对步骤（8）得到的铸件及其砂箱至少放置4个小时后，放入落砂机中，通过机械振动使铸件与砂型分离。
（10）对步骤（9）得到的铸件，锯切其冒口。
（11）对铸件进行精修。
使用风铣刀等气动工具对铸件表面披缝、毛刺、表面铸瘤进行打磨、清理；使用手电筒或台灯等辅助光源，检查铸件表面，对铸件表面目视可见缺陷进行排除。
（12）对精修后的铸件进行吹砂，吹砂压力为0.5~0.55MPa。
对步骤（11）处理后的铸件表面进行吹砂，除去氧化皮、油污；吹砂时应注意不得将风枪对准铸件的单点进行长时间操作，单点操作时间应≤5s；吹砂结束后，在吹砂室内将铸件内多余的刚玉砂使用低压气进行吹除后方可取出。
（13）对步骤（12）处理后的铸件按设计要求进行热处理。
热处理方式如下：
固熔处理：温度：535℃±5℃；保温时间：3～6小时；冷却介质：水（温度60～100℃）。温度：175℃±5℃；保温时间：5～10小时；冷却方式：空冷。
（14）对步骤（13）处理后的铸件进行检查，包括X光内部检查、尺寸检查及表面质量检查，如果检查通过，则成形结束，如果检查不通过，则产品报废。
实施例：
以液氧煤油高压补燃发动机煤油预压泵涡壳壳体为例，其结构如图1所示，主要由入口法兰1、出口法兰2及涡道3组成，涡道由螺旋线形涡室31和扩压管32组成，其最小壁厚仅3mm，属于典型的薄壁复杂涡壳结构，该零件材质为ZL104，化学成分如表1所示。
表1 要求化学成分（wt.%）
Figure 872326DEST_PATH_IMAGE002
(1)铸造工艺设计。
依据设计蓝图，利用三维建模软件Pro/engineer或UG构造产品三维模型，开展铸造工艺设计，其流程包括：1.通过剖分曲面，识别铸件热节部位，分为中部凸台41、42，底部法兰43、44，如图1所示。底部法兰作为金属液体流通通道，借助反重力铸造成型优势，可作为“冒口”进行补缩，其设计还应参考铸件重量进行优化。中部凸台位置则依靠冷铁9（图2所示）进行补缩，材质选择紫铜，冷铁尺寸：热节=1:1。
2.利用三维建模软件Pro/engineer或UG构造产品及浇注系统三维模型，将浇注系统三维模型与产品三维模型进行装配组合。
3.运用Procast仿真模拟软件，对铸造工艺方案进行模拟验证，并结合充型及凝固过程模拟结构，优化铸造工艺方案。
4.生产试验件，验证工艺方案的可行性，并依据实际结果进行优化改进，重复1-3步骤，调整浇注系统尺寸。
5.确定工艺方案。外模5用于成型涡道外型中心截面以上结构简单上半部分区域，螺旋线形涡室31及扩压管32的内腔部分可用1#砂芯6进行成形。2#砂芯7用于成型涡道外型面中心截面以下结构复杂的下半部分区域。3#砂芯8则用于固定及成形部分内浇道。如图2所示。
6.采用三开箱造型工艺，铸造施工图如图3所示，分为上箱10、中箱11及下箱12。其中上箱10放置外模5、1#砂芯6、2#砂芯7，中部凸台41、42冷铁9。中箱11中放置包含用于补缩充型的内浇道13，用于1#砂芯7定位部分，以及用于内浇道定位的3#砂芯8。下箱12放置横浇道14、直浇道15。
(2)根据铸造工艺图制作外模和芯盒，其中芯盒用于成型砂芯，均采用树脂材料制成。树脂材料为添加专用固化剂（TDI与三羟基丙烷的加成物）的聚氨酯树脂（化学分子式C3H8N2O）。外模5结构为对开式，如图4所示
芯盒结构主要为整体式和对开式，如图5所示。1#芯盒为对开式结构，用来形成螺旋形蜗壳内腔、入口法兰内型面、定位芯头等。2#芯盒为对开式，主要形成入口法兰外形、涡道中心截面以下外形、定位芯头等。3#芯盒为整体式结构，形成入口法兰内浇口、定位冷铁、定位芯头等。
(3) 配制树脂砂
酚醛树脂、聚异氰酸酯以及目数为50/100的内蒙古大林砂以1：1：100的重量比例进行进行混合，通过固化反应形成具有一定强度的树脂砂，终强度要求值为1.0~2.3MPa，设备为5T/H型连续式自动混砂机。
(4）制作铸型、芯。
使用步骤（3）配置的树脂砂，按照工艺施工图进行三开箱分模手工造型。造型顺序：第一步，上箱造型。放置图4中外模上半型，套上箱10，填砂、紧实；第二步，中箱造型。上箱旋转180°后底面朝上，以上箱外模上半型定位点为基准，组合放置图4中外模下半型，2个内浇口模具13、套上中箱，填砂、紧实；第三步，下箱造型。以中箱内浇口模具定位点为基准，放置横浇道模具、直浇道模具、套下箱，填砂、紧实。树脂砂硬化后起模形成铸造型腔简称铸型。
依据砂芯图，进行树脂砂手工制芯。1#砂芯：1#芯盒内放置1#冷铁，填砂充实、括平芯头。2#砂芯： 2#芯盒填砂充实括平。3#砂芯： 3#芯盒，填砂充实括平。
(5) 铸型、芯表面喷刷涂料
铸型表面涂刷常州945醇基涂料。
涂刷前，应确保涂料充分搅拌，并用50目过滤网过滤。用涂-4型粘度杯测量并控制醇基涂料的流速，要求值为16～18s；第一遍采用软质毛刷刷涂，点燃、干燥后修光；第二遍采用SATA型喷枪喷涂，喷枪移动速度保持在约40mm/s；检查涂层表面质量，涂层表面要求均匀光洁、无漏涂和凸起点、无起皮现象。
(6) 对树脂砂型砂芯中的水分进行烘烤。
放入专用烘烤炉中。烘烤温度110℃，保温40~50min。烘烤炉需经过九点测温，控温精度达到±10℃。
(7) 铸型装配
将中箱11扣在下箱12上，分别将1#砂芯6、2#砂芯7、3#砂芯8平稳放入中箱11，使用塞规对涡道壁厚尺寸进行测量，壁厚均匀后，扣上箱10。
(8) 合金熔炼
a. 熔炼顺序：配料。按照工艺方案给出的铸件浇注重量，按照ZL104合金化学成分，配置原材料，如下表2所示。
表2 ZL104配料所需原材料表
Figure 789467DEST_PATH_IMAGE004
b. 使用坩埚电炉进行合金液熔炼。熔清后，进行合金液精炼，选用设备旋转吹气精炼除气机，当合金液达到710~720℃时，添加合金重量0.3%的精炼剂，对合金液精炼。精炼过程参数为：
设置减压后氩气气源压力为0.5MPa；
除气、精炼时间：10min；
预处理时石墨转子转速：200rpm；
为添加熔剂而造漩涡过程，除气、精炼过程中石墨转子转速：600rpm；
合金静置时间：10min。
c. 将合金液升温至710~730℃，将烘烤后的镁块用钟罩压入合金液至坩埚
底部100~150mm处，缓慢沿顺时针旋转30～35s，待镁块完全熔化后取出钟罩。
d. 合金液温度提升至740～750℃，将用铝箔包好的铝锶合金棒烘烤干燥后，用钟罩压入合金液进行变质。要求：钟罩压入到合金液至坩埚底部100-150mm处，将钟罩沿液面作圆周运动，使铝锶合金块均匀熔解于合金液中，搅拌2～3min。铝锶合金加入量：按折合纯锶含量进行计算，纯锶当量为占合金液重量的0.05%。
G铝锶=(G合金液×0.05%)/n。n为铝锶合金中锶含量。
e. 将变质后的合金参照b进行二次精炼，但此次精炼不添加精炼剂。
f. 静置30min后调整合金液温度，待合金液升温至675±5℃方可用于步骤7装配好的铸型浇注。
旋转吹气精炼除气机型号为Mark10，精炼剂为Coveral GR2560。
(9) 铸型浇注
根据铸型高度及铸型浇注重量计算并设定铸型充型压力，采用反重力铸造设备，向合金液表面进行加压，利用压力将合金液从铸型底部充入型腔。
为保证合金液平稳充型，在避免冷隔和浇不足缺陷的条件下采用较低的充型速度和较低的浇注温度。工艺过程包括升液、充型、增压结晶、保压凝固、卸压冷却阶段。其中浇注工艺参数的合理与否直接关系到能否生产出内部质量合格的铸件，各阶段浇注工艺参数的确定原则如下：
A 升液阶段浇注工艺参数确定式中
升液——将一定压力的干燥空气通入坩埚中，使金属液沿着升液管平稳上升到铸型的浇道处。
涉及公式为： P1= h1ρgμ×10-3——公式1
式中 P1——升液压力（KPa）
h1——从铸型的浇道处到密封罐内坩埚中液面的距离(m)；
ρ——合金液密度（kg/m3），铝合金一般取ρ=2.7×103kg/m3；
g——重力加速度（N/kg），一般取g=9.8N/kg；
μ——阻力系数，通常取μ=1.0。对于相同的充型高度，型腔越复杂，需要的压力越大，该参数取值越大。
t1：t1=h1/v1（s）——公式2
式中：t1——升液时间，从加压开始至合金液充满升液管为止（s）；
h1——从铸型的浇道处到密封罐内坩埚中液面的距离(m)；
v1——升液速度（mm/s）。
B 充型阶段浇注工艺参数的确定
充型——金属液由浇道进入型腔直至充满铸型。充型速度一般根据铸件壁厚来确定。
涉及公式为：P2= h2ρgμ×10-3——公式3
式中：P2——充型压力（KPa）；
h2——浇口出口处距离铸型顶部之间的高度（m），计算方法为（h1+铸型高度）；
ρ——合金液密度（kg/m3），一般取ρ=2.7×103kg/m3；
g——重力加速度（N/kg），一般取g=9.8N/kg；
μ——阻力系数，通常取μ=1.0。
t2=(h2-h1)/v2(s) ——公式4
式中：t2——充型时间，从合金液流入型腔开始至充满型腔为止（s）；
h2——浇口出口处距离铸型顶部之间的高度（m）；
h1——铸型的浇道处至密封罐内坩埚里金属液面之间的距离（m）；
v2——充型速度（m/s）。
C 增压、凝固阶段浇注工艺参数的确定
增压、凝固——金属液充满型腔后，立即进行增压，使金属液在高于升液、充型的压力下结晶凝固。
D 卸压、冷却阶段浇注工艺参数确定
卸压、冷却——铸件凝固完毕，卸除坩埚中的压力，使升液管和浇道中尚未凝固的金属液回落到坩埚中，并冷却到一定时间，开型，落砂。
经过以上原则确定，该产品的参数：升液速度：40mm/s，充型速度：40mm/s，结壳时间：3s，结壳增压压力：5kpa/s，结壳增压速度：3 kpa/s，结晶时间：500s，结晶增压压力：10kpa，结晶增压速度：3kpa/s。
（10）落砂。
对步骤（9）得到铸件及其砂箱至少放置4个小时后，放入落砂机中，通过机械振动使铸件与型砂分离。
（11）锯切浇冒系统
对步骤（10）处理后的铸件，锯切其冒口。
（12）铸件精修
使用风铣刀等气动工具对铸件表面披缝、毛刺、表面铸瘤等进行打磨、清理。使用手电筒或台灯等辅助光源，检查铸件表面，对铸件表面砂孔、凸起、起皮等表面目视可见缺陷进行排除。
（13）铸件吹砂。
对步骤（12）处理的铸件表面进行吹砂，除去氧化皮、油污等。吹砂使用压入式干喷砂机，吹砂压力0.5~0.55MPa。
（14）热处理
对步骤（13）后的铸件按设计要求进行热处理。
热处理方式：
固熔处理：温度：535℃±5℃；保温时间：3～6小时；冷却介质：水（温度60～100℃）。温度：175℃±5℃；保温时间：5～10小时；冷却方式：空冷。
（15）质量检查
对步骤（14）处理后的铸件进行检查，包括X光内部检查、尺寸检查及表面质量检查。如果检查通过，则成形结束，如果检查不通过，则产品报废。
经验证，本实施例生产的铸件表面质量、内部质量满足I类B级，X光透视检查、荧光检查一次合格率达90%以上。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.基于反重力铸造的带有螺旋形结构薄壁蜗壳壳体成形方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）依据产品结构建立产品及浇注系统的三维模型，开展仿真工艺优化，确定最终铸造工艺方案；
（2）根据步骤（1）确定的最终制造工艺方案，设计并制造铸造工艺用外模、芯盒、浇注系统和冒口；
（3）配制树脂砂，应用制造的外模和芯盒，制造砂型和砂芯，检查制造好的砂型、砂芯表面质量，打磨精修并保证尺寸满足要求；
（4）将制造的砂芯、砂型放置4小时后，对其表面进行涂料；
（5）将步骤（4）处理后的砂芯、砂型放入烘烤炉进行干燥；
（6）为砂型套上砂箱，将步骤（5）处理后的砂芯装入砂型中，采用塞尺检查砂芯与砂型之间的空隙，确保空隙的均匀性、尺寸满足要求，完成铸型装配；
（7）对浇注所需的合金进行熔炼；
a. 按照工艺方案给出的铸件浇注重量，配置原材料，所需原材料包括牌号为360Z.6-AlSi10Mg的铝锭、牌号为ZAlSiD-0或ZAlSiD-1的铝硅合金锭、牌号为Al99.70b或Al99.60b的纯铝锭以及牌号为Mg9995或Mg9990的镁锭；
b. 使用坩埚电炉进行合金液熔炼，熔清后，进行合金液精炼，选用设备为旋转吹气精炼除气机，当合金液达到710~720℃时，添加合金重量0.3%的精炼剂，对合金液精炼；精炼过程参数为：
设置减压后氩气气源压力为0.5MPa；
除气、精炼时间：10min；
预处理时石墨转子转速：200rpm；
为添加熔剂而造漩涡过程，除气、精炼过程中石墨转子转速：600rpm；
合金静置时间：10min；
c. 将合金液升温至710~730℃，将烘烤后的镁块用钟罩压入合金液至坩埚底部100~150mm处，缓慢沿顺时针旋转30～35s，待镁块完全熔化后取出钟罩；
d. 合金液温度提升至740～750℃，将用铝箔包好的铝锶合金棒烘烤干燥后，用钟罩压入合金液进行变质；钟罩压入到合金液至坩埚底部100-150mm处，将钟罩沿液面作圆周运动，使铝锶合金块均匀熔解于合金液中，搅拌2～3min；铝锶合金加入量：按折合纯锶含量进行计算，纯锶当量为占合金液重量的0.05%；
e. 将变质后的合金参照步骤b进行二次精炼，但此次精炼不添加精炼剂；
f. 静置30min后调整合金液温度，待合金液升温至675±5℃，进行浇注；
（8）根据铸型高度及铸型浇注重量计算并设定铸型充型压力，采用反重力铸造设备，向合金液表面进行加压，利用压力将合金液通过浇注系统从铸型底部浇注入型腔；
（9）对步骤（8）得到的铸件及其砂箱放置至少4个小时后，放入落砂机中，通过机械振动使铸件与砂型分离；
（10）对步骤（9）得到的铸件，锯切其冒口；
（11）对铸件进行精修；
（12）对精修后的铸件进行吹砂；
（13）对步骤（12）处理后的铸件按设计要求进行热处理；
（14）对步骤（13）处理后的铸件进行检查，包括X光内部检查、尺寸检查及表面质量检查，如果检查通过，则成形结束，如果检查不通过，则产品报废。
2.根据权利要求1所述的基于反重力铸造的带有螺旋形结构薄壁蜗壳壳体成形方法，其特征在于，所述步骤（1）的实现方法如下：
（1.1）通过剖分曲面，识别铸件热节部位；
（1.2）利用三维建模软件构造产品和浇注系统三维模型，将浇注系统三维模型与产品三维模型进行装配组合；
（1.3）运用仿真模拟软件，对铸造工艺方案进行模拟验证，并结合充型及凝固过程模拟结构，优化铸造工艺方案；
（1.4）生产试验件，验证工艺方案的可行性，并依据实际结果进行优化改进，重复步骤（1.1）—（1.3），调整浇注系统尺寸；
（1.5）获得最终铸造工艺方案。
3.根据权利要求2所述的基于反重力铸造的带有螺旋形结构薄壁蜗壳壳体成形方法，其特征在于，所述步骤（3）中，配制树脂砂时，树脂和砂的重量比为2:100。
4.根据权利要求2所述的基于反重力铸造的带有螺旋形结构薄壁蜗壳壳体成形方法，其特征在于，所述步骤（4）中，涂料时均匀光滑，不能有目视可见的流痕、凸起；涂料使用前搅拌均匀，装入喷枪前，用50目过滤网对涂料进行过滤。
5.根据权利要求2所述的基于反重力铸造的带有螺旋形结构薄壁蜗壳壳体成形方法，其特征在于，所述步骤（8）中，浇注过程包括升液、充型、增压结晶、保压凝固和卸压冷却阶段。
6.根据权利要求5所述的基于反重力铸造的带有螺旋形结构薄壁蜗壳壳体成形方法，其特征在于，升液阶段工艺参数的确定原则如下：
升液阶段是将一定压力的干燥空气通入坩埚中，使金属液沿着升液管平稳上升到铸型的浇道处；升液压力P1满足P1= h1ρgμ×10-3
其中，h1为从铸型的浇道处到密封罐内坩埚中液面的距离；ρ为合金液密度；g为重力加速度；μ为阻力系数；
升液时间t1满足t1=h1/v1
式中，t1为从加压开始至合金液充满升液管为止；v1为升液速度。
7.根据权利要求5所述的基于反重力铸造的带有螺旋形结构薄壁蜗壳壳体成形方法，其特征在于，充型阶段工艺参数的确定原则如下：
充型是指金属液由浇道进入型腔直至充满铸型，充型速度根据铸件壁厚来确定；
充型压力P2满足P2= h2ρgμ×10-3
式中：h2为浇口出口处距离铸型顶部之间的高度，计算方法为h2=h1+铸型高度；ρ为合金液密度；g为重力加速度；μ为阻力系数；
充型时间t2满足t2=(h2-h1)/v2
式中：t2为从合金液流入型腔开始至充满型腔为止；h2为浇口出口处距离铸型顶部之间的高度；h1为铸型的浇道处至密封罐内坩埚里金属液面之间的距离；v2为充型速度。
8.根据权利要求5所述的基于反重力铸造的带有螺旋形结构薄壁蜗壳壳体成形方法，其特征在于，金属液充满型腔后，立即进行增压，使金属液在高于升液、充型的压力下结晶凝固。
9.根据权利要求1所述的基于反重力铸造的带有螺旋形结构薄壁蜗壳壳体成形方法，其特征在于，所述步骤（11）中，精修的过程如下：
使用气动工具对铸件表面披缝、毛刺、表面铸瘤进行打磨、清理；使用辅助光源，检查铸件表面，对铸件表面目视可见缺陷进行排除。
10.根据权利要求1所述的基于反重力铸造的带有螺旋形结构薄壁蜗壳壳体成形方法，其特征在于，所述步骤（12）的实现方式如下：
对步骤（11）处理后的铸件表面进行吹砂，除去氧化皮、油污；吹砂时应注意不得将风枪对准铸件的单点进行长时间操作，单点操作时间应≤5s；吹砂结束后，在吹砂室内将铸件内多余的刚玉砂使用低压气进行吹除后取出。
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