CN111822677A - 一种基于复合铸型的轻金属铸造方法 - Google Patents

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刘颖卓
秦守益
张旭亮
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Abstract

本发明提供一种基于复合铸型的轻金属铸造方法，包括如下步骤：S1、根据产品零件图，分析产品结构特征，确定凝固方式；S2、根据步骤S1中确定的凝固方式，进行铸件的铸造工艺设计；S3、使用数值模拟软件，对步骤S2中的铸造工艺进行验证和优化，确定铸造工艺；S4、使用复合铸型的方式实现步骤S3中的铸造工艺要求；S5、浇注，得到铸件。对于高品质要求的铸件，以调节铸件顺序凝固的思想对铸件进行工艺设计，然后进行铸件数值模拟，对工艺进行验证和优化，工艺确定后，以复合铸型的方式实现铸件工艺要求，然后进行浇注，得到内部质量良好的铸件。

Description

一种基于复合铸型的轻金属铸造方法
技术领域
本发明涉及铸造技术领域，特别涉及一种基于复合铸型的轻金属铸造方法。
背景技术
铝、镁合金铸件广泛应用于航天领域导弹壳体、卫星支架等结构件制造。航天领域常用的ZL114A、ZL205A、ZM5、GW63K等铝、镁合金凝固区间较宽，糊状凝固倾向性大，此类铸件一般都需经过100％无损探伤检测，不允许超标的疏松、缩裂、夹渣等内部缺陷。航天高品质铸件要求成形精度高、内部质量好、成形效率高、工艺稳定性好，对铸造工艺及铸件成形过程的质量控制能力要求非常高。
铸件缺陷是在合金凝固过程中形成的，铸造工艺设计的本质是通过恰当的方式对合金液凝固过程进行调控，这个过程是一个同时包含动量、质量和热量传输的三传耦合的物理过程，影响因素众多，调控的方法包括优化铸件的浇注系统设计、选取合适的铸型材料、浇注工艺等，实现对凝固顺序的精准调控，进而达到消除铸件缺陷的目的。以舱体铸件为例，在舱体铸件成形过程中，通过浇注工艺的优化，保证远离铸件浇注系统的地方先凝固，将缺陷控制在最后凝固的立筒中。
铸型直接与合金液相接触，其蓄热、传热能力影响凝固顺序的调控效果，其成形特性影响浇注系统的设计方案，其透气性、发气量、强度等工艺性能影响浇注工艺的选择，最终直接影响铸件的质量，其周期及成本也直接影响铸件的生产周期及成本；铸型的尺寸精度、形状精度直接影响着铸件精度，造型、制芯过程是铸型制备过程中复杂而又重要的工序，铸件缺陷的30％～60％都是由造型和制芯所造成。综上所述，铸型是调整铸件凝固顺序、控制铸件缺陷的关键，正确地使用铸型是轻合金铸件缺陷控制的关键。
在传统的制造工艺中，虽然通过控制冷铁壁厚可定性的调节其激冷效果，但是难以达到定量控制凝固顺序的目的，无法实现铸件的凝固顺序的精准调控，同时受限于手工造型对工人操作技能的依赖，造成复杂铸件容易因疏松、缩裂等内部缺陷报废，影响铸件一次合格率及稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于复合铸型的轻金属铸造方法，以解决传统的制造工艺难以达到定量控制凝固顺序的目的、无法实现铸件的凝固顺序的精准调控、同时受限于手工造型对工人操作技能的依赖的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种基于复合铸型的轻金属铸造方法，包括如下步骤：
S1、根据产品零件图，分析产品结构特征，确定凝固方式；
S2、根据步骤S1中确定的凝固方式，进行铸件的铸造工艺设计；
S3、使用数值模拟软件，对步骤S2中的铸造工艺进行验证和优化，确定铸造工艺；
S4、使用复合铸型的方式实现步骤S3中的铸造工艺要求；
S5、浇注，得到铸件。
进一步的，所述步骤S1中，凝固方式分为顺序凝固和同时凝固两种；
顺序凝固：对于高度超过400mm的产品，在重力浇注条件下，选用自下而上的顺序凝固方式，在低差压浇注条件下，选用自上而下的顺序凝固方式；
同时凝固：对于壁厚≤6mm的薄壁件，选用同时凝固方式。
进一步的，所述步骤S2中：
对于顺序凝固方式，凝固温度梯度控制在50K/m～200K/m；对于同时凝固方式，凝固温度梯度控制在0K/m～10K/m。
进一步的，所述步骤S4中包括：
S4-1、使用型砂加工设备，将不同激冷效果的型材进行加工；
S4-2、根据步骤S3中确定的铸造工艺的要求将型材组合在一起，形成复合铸型。
进一步的，所述步骤S4-1中，不同激冷效果的型材为石英砂、锆英砂、宝珠砂、铬铁砂、钢丸混砂、石墨、冷铁和铜中的一种或多种。
进一步的，对于20mm壁厚的铝、镁轻合金铸件，石英砂冷却速度为3～5K/S，宝珠砂冷却速度为5～8K/S，锆英砂冷却速度为8～10K/S，铬铁砂砂冷却速度为10～12K/S，钢丸混砂冷却速度为15～18K/S，石墨冷却速度为23～25K/S，冷铁冷却速度为48～50K/S、铜冷却速度为110～120K/S。
本发明提供的基于复合铸型的轻金属铸造方法取得的有益效果是：
对于高品质要求的铸件，以调节铸件顺序凝固的思想对铸件进行工艺设计，然后进行铸件数值模拟，对工艺进行验证和优化，工艺确定后，以复合铸型的方式实现铸件工艺要求，然后进行浇注，得到内部质量良好的铸件。
附图说明
下面结合附图对发明作进一步说明：
图1为本发明实施例提供的舱体零件图；
图2为本发明实施例提供的舱体铸造工艺图；
图3为本发明实施例提供的舱体复合铸型工艺图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于复合铸型的轻金属铸造方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明提供一种基于复合铸型的轻金属铸造方法，包括如下步骤：
S1、根据产品零件图，分析产品结构特征，确定凝固方式；
S2、根据步骤S1中确定的凝固方式，进行铸件的铸造工艺设计；
S3、使用数值模拟软件，对步骤S2中的铸造工艺进行验证和优化，确定铸造工艺；
S4、使用复合铸型的方式实现步骤S3中的铸造工艺要求；
S5、浇注，得到铸件。
进一步的，所述步骤S1中：
对于高度超过400mm的产品，在重力浇注条件下，选用自下而上的凝固顺序，在低差压浇注条件下，选用自上而下的凝固顺序；
对于壁厚≤6mm的薄壁件，选用同时凝固方式。
进一步的，所述步骤S2中：
对于顺序凝固方式，凝固温度梯度控制在50K/m～200K/m；对于同时凝固方式，凝固温度梯度控制在0K/m～10K/m。
进一步的，所述步骤S4中包括：
S4-1、使用型砂加工设备，将不同激冷效果的型材进行加工；
S4-2、根据步骤S3中确定的铸造工艺的要求将型材组合在一起，形成复合铸型。
进一步的，所述步骤S4-1中，不同激冷效果的型材为石英砂、锆英砂、宝珠砂、铬铁砂、钢丸混砂、石墨、冷铁和铜中的一种或多种。
进一步的，对于20mm壁厚的铝、镁轻合金铸件，石英砂冷却速度为3～5K/S，宝珠砂冷却速度为5～8K/S，锆英砂冷却速度为8～10K/S，铬铁砂砂冷却速度为10～12K/S，钢丸混砂冷却速度为15～18K/S，石墨冷却速度为23～25K/S，冷铁冷却速度为48～50K/S、铜冷却速度为110～120K/S。
实施例一：
本实施例是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：
铸造成形一种100％射线检查，属于Ⅰ类铸件的镁合金舱体，如下图1所示。
上述舱体直径450mm，高度630mm，壁厚8mm，上下端框有厚度为30mm的法兰边，需要100％射线检查，属于Ⅰ类铸件，并且需要全加工。综合考虑，选择低压铸造，以自下而上的顺序凝固方式成形。
对铸件进行工艺设计：铸件底面余量15mm，其他余量为单边5mm，采用底注式浇注系统，由于是低压铸造成形，补缩自下而上，铸件底面设置15mm余量以加大补缩通道，如图2所示。铸件凝固温度梯度控制在90K/m，泥芯和外模的铸型组成如图3所示，其中泥芯由6部分组成(1号泥芯～6号泥芯)，1号泥芯由冷铁L2，石墨L2和石英砂组成，2号泥芯由钢丸混砂组成，3号泥芯由铬铁砂组成，4号泥芯由锆英砂组成，5号泥芯由宝珠砂组成，6号泥芯由石英砂组成。外模由7部分组成(1号外模～7号外模)，1号外模由冷铁L1和石英砂组成，2号外模由石墨L1和石英砂组成，3号外模由钢丸混砂组成，4号外模由铬铁砂组成，5号外模由锆英砂组成，6号外模由宝珠砂组成，7号外模和8号外模均由石英砂组成。
利用数值模拟软件对上述铸造工艺进行模拟，根据模拟结果进行工艺优化，完成后确定铸造工艺。
利用型砂加工技术，将石英砂、锆英砂、宝珠砂、铬铁砂、钢丸混砂、石墨、冷铁等造型材料坯料进行加工，然后根据铸造工艺设计的要求将不同造型材料组合在一起，形成复合铸型。
然后进行浇注，得到内部质量良好的铸件。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于复合铸型的轻金属铸造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据产品零件图，分析产品结构特征，确定凝固方式；
S2、根据步骤S1中确定的凝固方式，进行铸件的铸造工艺设计；
S3、使用数值模拟软件，对步骤S2中的铸造工艺进行验证和优化，确定铸造工艺；
S4、使用复合铸型的方式实现步骤S3中的铸造工艺要求；
S5、浇注，得到铸件。
2.如权利要求1所述的基于复合铸型的轻金属铸造方法，其特征在于，所述步骤S1中，凝固方式分为顺序凝固和同时凝固两种；
顺序凝固：对于高度超过400mm的产品，在重力浇注条件下，选用自下而上的顺序凝固方式，在低差压浇注条件下，选用自上而下的顺序凝固方式；
同时凝固：对于壁厚≤6mm的薄壁件，选用同时凝固方式。
3.如权利要求2所述的基于复合铸型的轻金属铸造方法，其特征在于，所述步骤S2中：
对于顺序凝固方式，凝固温度梯度控制在50K/m～200K/m；对于同时凝固方式，凝固温度梯度控制在0K/m～10K/m。
4.如权利要求2所述的基于复合铸型的轻金属铸造方法，其特征在于，所述步骤S4中包括：
S4-1、使用型砂加工设备，将不同激冷效果的型材进行加工；
S4-2、根据步骤S3中确定的铸造工艺的要求将型材组合在一起，形成复合铸型。
5.如权利要求4所述的基于复合铸型的轻金属铸造方法，其特征在于，所述步骤S4-1中，不同激冷效果的型材为石英砂、锆英砂、宝珠砂、铬铁砂、钢丸混砂、石墨、冷铁和铜中的一种或多种。
6.如权利要求5所述的基于复合铸型的轻金属铸造方法，其特征在于，对于20mm壁厚的铝、镁轻合金铸件，石英砂冷却速度为3～5K/S，宝珠砂冷却速度为5～8K/S，锆英砂冷却速度为8～10K/S，铬铁砂砂冷却速度为10～12K/S，钢丸混砂冷却速度为15～18K/S，石墨冷却速度为23～25K/S，冷铁冷却速度为48～50K/S、铜冷却速度为110～120K/S。
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