鋁合金件金屬型鑄造工藝及設(shè)備

1．概述 

   鋁合金件金屬型鑄造方法由于其生產(chǎn)率高、勞動(dòng)環(huán)境清潔、鑄件表面光潔和內(nèi)部組織致密等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。尤其是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件，日、美、英、德和意等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家很多采用金屬型重力澆注方法生產(chǎn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁缸體、鋁缸蓋和鋁活塞。近幾年，我國(guó)許多廠家也引進(jìn)先進(jìn)金屬型設(shè)備或自制設(shè)備生產(chǎn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、進(jìn)氣管和活塞等鋁鑄件。金屬型鑄鋁技術(shù)也廣泛應(yīng)用于航空、航天、高壓電器、電力機(jī)械以及儀器儀表等行業(yè)。鋁合金件金屬型鑄造與其他一些鑄造方法（壓鑄、低壓鑄造和砂型鑄造等）相比主要具有如下幾方面的優(yōu)勢(shì)： 

1）幾何尺寸和金相組織等綜合質(zhì)量好。 
2）較低壓及高壓鑄造工藝靈活，可生產(chǎn)較復(fù)雜鑄件。 
3）更有利于大批量生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化和簡(jiǎn)化維修；在同等生產(chǎn)規(guī)模下，與高、低壓鑄造相比，鑄造設(shè)備和金屬型等工裝的一次性投資更低。 

2．鋁合金件金屬型鑄造工藝技術(shù) 

  （1）鋁合金件金屬型鑄造工藝設(shè)計(jì) 金屬型鑄造工藝設(shè)計(jì)關(guān)鍵是鑄件澆注位置的確定、澆冒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和模具工作溫度的控制和調(diào)節(jié)。 

   l）鑄件澆注位置。它直接關(guān)系到金屬型型芯和分型面的數(shù)量、金屬液導(dǎo)入位置、排氣的通暢程度以及金屬型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度等，從而決定金屬型加工和操作的難易程度以及鑄件冷卻溫度分布，進(jìn)而影響鑄件的生產(chǎn)效率，尺寸精度等內(nèi)、外質(zhì)量。因此，鑄件澆注位置是鑄造工藝設(shè)計(jì)首先考慮的重要環(huán)節(jié)。 

   2）澆冒系統(tǒng)。鑄件澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)決定鑄件內(nèi)、外質(zhì)量。澆冒系統(tǒng)應(yīng)具有撇渣、排氣和補(bǔ)縮功能，同時(shí)應(yīng)保證鑄件合理的凝固、冷卻溫度場(chǎng)。正確、合理的澆冒系統(tǒng)除憑經(jīng)驗(yàn)估算外，附算機(jī)數(shù)值模擬可直觀地預(yù)測(cè)鑄件凝固過(guò)程溫度場(chǎng)，顯示鑄件可能產(chǎn)生縮松（孔）的危險(xiǎn)部位，從而指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)，并通過(guò)調(diào)整澆冒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和尺寸、金屬型結(jié)構(gòu)、控制冷卻速度或調(diào)整涂料層厚度等手段調(diào)節(jié)溫度場(chǎng)、消除鑄造缺陷，如采用底注式澆注的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁缸蓋的毛坯，盡管采取在上部設(shè)置幾乎超過(guò)鑄件重量的大冒口和底部強(qiáng)制通水冷卻的工藝措施也難以調(diào)整合理的順序凝固的溫度場(chǎng)，難以消除底部?jī)?nèi)澆口周圍過(guò)熱而造成的縮松缺陷。某廠引進(jìn)法國(guó)Sifa公司鋁合金金屬型鑄造機(jī)正是采用這種澆冒系統(tǒng)，生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定。百分之百的缸蓋需浸滲，對(duì)于縮松嚴(yán)重的缸蓋即使浸滲也滿足不了耐壓要求；而從冒口直接注入鋁液，鋁液經(jīng)過(guò)陶瓷過(guò)濾器凈化后進(jìn)人型腔，保證了鑄件合理的冷卻梯度，即自下而上的順序凝固方式，消除了縮松缺陷，缸蓋成品率顯著提高。英國(guó)Foseco公司曾對(duì)兩種澆注方法做過(guò)詳細(xì)的研究和對(duì)比試驗(yàn)工件，并稱后者為DYPUR法。該法使型簡(jiǎn)化、緊湊，節(jié)省鋁液，鑄件成品率高。采用該法即使由于鋁液有較高落差造成的少量夾雜缺陷，對(duì)鑄件的力學(xué)性能和氣密性影響也不大。當(dāng)然，澆冒系統(tǒng)的開設(shè)位置、結(jié)構(gòu)和尺寸大小除考慮鑄件凝固溫度場(chǎng)外，還需兼顧型復(fù)雜程度，金屬液充型是否平穩(wěn)，是否具有撇渣和排氣等功能。

3）金屬型工作溫度。同樣，金屬型工作溫度和各部分的溫差對(duì)鑄件的冷卻溫度場(chǎng)有著重要的作用。對(duì)金屬型局部過(guò)熱區(qū)域強(qiáng)制水冷和風(fēng)冷是為了保證該區(qū)域保持正常的工作溫度，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)消除過(guò)熱，保證正常的冷卻溫度場(chǎng)。金屬型工作溫度控制比較先進(jìn)和有效手段是控制冷卻水出口溫度，出口溫度靠冷卻循環(huán)水循環(huán)速度調(diào)節(jié)。如意大利Fata公司和法國(guó)Sifa公司設(shè)計(jì)制造的金屬型都有先進(jìn)的水、風(fēng)冷卻裝置。此外，對(duì)于局部厚大熱節(jié)部位還可鑲嵌熱導(dǎo)率高或蓄熱量大的金屬嵌塊或調(diào)節(jié)涂料層厚度和涂料種類以保證鑄件形成合理的冷卻溫度梯度，消除局部縮松（孔）缺陷。 

  （2）鋁合金金屬型設(shè)計(jì)及材料 

   1）金屬型設(shè)計(jì)及制造。好的金屬型設(shè)計(jì)和制造技術(shù)是滿足工藝設(shè)計(jì)、適應(yīng)大批量、高質(zhì)量鑄件生產(chǎn)的關(guān)鍵。金屬型設(shè)計(jì)主要包括金屬型結(jié)構(gòu)、排氣系統(tǒng)、鎖緊機(jī)構(gòu)，冷卻系統(tǒng)、連接機(jī)構(gòu)以及鑄件頂出機(jī)構(gòu)。合理的鑄造工藝和金屬型設(shè)計(jì)只有通過(guò)先進(jìn)的金屬型加工制造技術(shù)來(lái)體現(xiàn)。 

   2）金屬型材料。適宜制造金屬型的材料應(yīng)具有足夠的高溫強(qiáng)度、一定的熱穩(wěn)定性和熱疲勞強(qiáng)度以及足夠的強(qiáng)韌性。國(guó)內(nèi)一般用鑄鐵、鑄鋼和銅合金作為鋁合金金屬型模具材料，平均壽命10000～50000次左右；發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)（AISI）分類的H-13，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)4CrMoVSi鋼。這種鋼具有較高的熱強(qiáng)度和硬度，還具有較高的耐磨性和韌性，用它作模具，其鑄件尺寸穩(wěn)定、模具壽命長(zhǎng)，一般大于100000次。當(dāng)然，模具的壽命除與材質(zhì)有關(guān)外，還與模具結(jié)構(gòu)、鑄造合金的材料、操作和管理等因素有關(guān)。 

3．鋁合金金屬型鑄造設(shè)備及自動(dòng)化 
  （1）金屬型鑄造設(shè)備 金屬型鑄造機(jī)按用途可分為專用金屬型鑄造機(jī)和通用金屬型鑄造機(jī)；按動(dòng)力可分為手動(dòng)、氣動(dòng)、電動(dòng)和液壓金屬型鑄造機(jī)。國(guó)外一些鑄造設(shè)備廠按產(chǎn)品和用戶的要求研制出許多專用金屬型鑄造機(jī)，如鋁缸蓋、鋁缸體、鋁活塞、鋁進(jìn)氣歧管等金屬型鑄造機(jī)。制造鋁合金金屬型鑄造機(jī)著名的有意大利的Fata公司，法國(guó)的Sifa公司等。中國(guó)近幾年有二十多個(gè)廠家陸續(xù)從國(guó)外引進(jìn)鋁合金金屬型鑄造機(jī)和工藝技術(shù)，為國(guó)內(nèi)外配套生產(chǎn)汽車鋁合金鑄件。上海汽車有色鑄造總廠引進(jìn)Fata公司金屬型鑄造機(jī)生產(chǎn)桑塔納轎車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁缸蓋，一汽輕型發(fā)動(dòng)機(jī)廠引進(jìn)Sifa公司設(shè)備生產(chǎn)CA488型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋。 

  （2）金屬型鑄造自動(dòng)化生產(chǎn)線 金屬型鑄造自動(dòng)化生產(chǎn)線包括：金屬液熔化及傳送設(shè)備、澆注機(jī)、金屬型鑄造機(jī)、下芯和取件機(jī)械手、金屬型涂料涂敷機(jī)、鑄件傳輸及澆冒口切除機(jī)、熱處理設(shè)備和爐前快速檢測(cè)儀器等。自動(dòng)化生產(chǎn)線適用于專業(yè)化生產(chǎn)，可高效清潔地生產(chǎn)大批量?jī)?yōu)質(zhì)鑄件。