高效金屬型鑄造工藝及設(shè)備

1．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、勞動環(huán)境清潔、鑄件表面光潔和內(nèi)部組織致密等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。尤其是汽車發(fā)動機(jī)部件，日、美、英、德和意等工業(yè)發(fā)達(dá)國家很多采用金屬型重力澆注方法生產(chǎn)汽車發(fā)動機(jī)鋁缸體、鋁缸蓋和鋁活塞。近幾年，我國許多廠家也引進(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：
    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)，實現(xiàn)高度自動化和簡化維修；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 金屬型鑄造工藝設(shè)計關(guān)鍵是鑄件澆注位置的確定、澆冒系統(tǒng)的設(shè)計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，同時應(yīng)保證鑄件合理的凝固、冷卻溫度場。正確、合理的澆冒系統(tǒng)除憑經(jīng)驗估算外，附算機(jī)數(shù)值模擬可直觀地預(yù)測鑄件凝固過程溫度場，顯示鑄件可能產(chǎn)生縮松（孔）的危險部位，從而指導(dǎo)工藝設(shè)計，并通過調(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、消除鑄造缺陷，如采用底注式澆注的汽車發(fā)動機(jī)鋁缸蓋的毛坯，盡管采取在上部設(shè)置幾乎超過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，難以消除底部內(nèi)澆口周圍過熱而造成的縮松缺陷。某廠引進(jìn)法國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)過陶瓷過濾器凈化后進(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Foseco公司曾對兩種澆注方法做過詳細(xì)的研究和對比試驗工件，并稱后者為DYPUR法。該法使型簡化、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鑄件的冷卻溫度場有著重要的作用。對金屬型局部過熱區(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，同時消除過熱，保證正常的冷卻溫度場。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Sifa公司設(shè)計制造的金屬型都有先進(jìn)的水、風(fēng)冷卻裝置。此外，對于局部厚大熱節(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)計及材料
    1）金屬型設(shè)計及制造。好的金屬型設(shè)計和制造技術(shù)是滿足工藝設(shè)計、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)計只有通過先進(jìn)的金屬型加工制造技術(shù)來體現(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)國家普遍采用美國鋼鐵學(xué)會（AISI）分類的H-13，相當(dāng)于國內(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，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)；按動力可分為手動、氣動、電動和液壓金屬型鑄造機(jī)。國外一些鑄造設(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，法國的Sifa公司等。中國近幾年有二十多個廠家陸續(xù)從國外引進(jìn)鋁合金金屬型鑄造機(jī)和工藝技術(shù)，為國內(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)動機(jī)鋁缸蓋，一汽輕型發(fā)動機(jī)廠引進(jìn)Sifa公司設(shè)備生產(chǎn)CA488型汽車發(fā)動機(jī)缸蓋。
    （2）金屬型鑄造自動化生產(chǎn)線 金屬型鑄造自動化生產(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)備和爐前快速檢測儀器等。自動化生產(chǎn)線適用于專業(yè)化生產(chǎn)，可高效清潔地生產(chǎn)大批量優(yōu)質(zhì)鑄件。