1、I摘 要本文运用反重力铸造技术低压铸造来对铝合金铸件带轮的铸造工艺进行方案设计，包括分型面、浇注位置的选择、各项铸造工艺参数的确定以及浇注系统的设计。根据铸件形状较复杂的特点，在进行实验浇注时设计了两个浇注方案即两个内浇道或者一个内浇道，并同时进行调压和重力铸造浇注，以方便比较。根据实际零件建立了铸件的三维模型，并用 View-cast 铸造模拟软件对铝合金铸件带轮的充型过程进行了模拟计算。模拟结果显示，充型过程平稳，没有明显的液相起伏、飞溅。根据数值模拟结果并结合理论分析，铸件中没有缩孔、缩松等缺陷，铸造工艺方案和浇注工艺参数的设计合理。关键词：低压铸造；铸造工艺；实验浇注；充型过程；数值模
2、拟IIAbstractIn this paper, anti-gravity casting technology, low pressure casting technology was used to complete the design of the casting of an aluminum alloy casting wheel, which include choice of Sub-surface and casting position, determining all of the parameters of the casting process, and the de
3、sign of the casting system. For the complex shape of the casting, when conducting experiments was designed to use two runners and one ingate for casting in one time, and at the same time, surge and gravity casting was used to make it easier to compare. For sand shell moulding, the mode of same time
4、freezing was generally used. Build the Three-dimensional model of the casting, then simulate and calculate the filling process of casting. Form the results, it was saw that the process was steady without apparent phase fluctuations or splash. From the result we can see that there was no defect such
5、as shrinkage, so the design was perfect.Keywords：Low pressure die casting; casting process; experimental cast; filling process; numerical simulation.III目录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 低压铸造概述 .11.1.1 低压铸造的工艺过程 .11.1.2 低压铸造的工艺特点 .21.1.3 低压铸造的工艺分类 .41.2 国外低压铸造行业的发展概况 .51.2.1 我国低压铸造行业现状、存在的问题和发展趋势 .61
6、.3 低压铸造的数值模拟 .81.3.1 计算机数值模拟的优点 .81.3.2 低压铸造与计算机数值模拟 .91.4 选题意义及本文的主要研究内容 .101.4.1 课题的意义 .101.4.2 课题的任务和内容 .11第 2 章 低压铸造工艺设计 .122.1 低压铸造铸型工艺参数的选择 .122.1.1 铸件凝固方式的选择 .132.1.2 浇注系统的选择 .142.1.3 浇注系统的选择 .152.1.4 机械加工余量的选择 .162.2 低压铸造浇注工艺参数的选择 .172.2.1 升液速度的确定 .172.2.2 充型压力和充型速度的选择 .172.2.3 充型增压值的选择 .182
7、.2.4 保压增压值的选择 .182.2.5 保压时间的确定 .18IV2.2.6 浇注温度的确定 .18第 3 章 实验材料、内容及过程 .203.1 实验材料 .203.2 实验设备 .223.2.1 反重力铸造设备主体 .223.2.2 反重力铸造多功能气路控制系统 .243.2.3 反重力铸造电控系统 .253.3 实验过程 .263.3.1 砂型制造 .263.3.2 浇注前的准备 .303.4 铸件的金相观察 .37第 4 章充型过程数值模拟 .384.1 View Cast 的实现过程 .384.2 充型过程的计算机模拟 .384.2.1 前处理 .384.3 凝固过程模拟结果及
8、分析 .41结论 .43参考文献 .44致 谢 .451第 1 章 绪论1.1 低压铸造概述1.1.1 低压铸造的工艺过程低压铸造是一种特种铸造工艺，它是巴斯加原理在铸造生产中的应用。就低压铸造的工作压力而言，它是介于压力铸造和重力铸造之间的一种新的浇注工艺。在装有合金液的密封容器(坩埚)中，通入干燥的压缩空气(或者惰性气体)，作用在保持一定浇注温度的合金液面上，造成密封容器内与铸型型腔内的压力差，使合金在较低的充型压力(0.010.05MPa)作用下，沿着升液管内孔自下而上地经升液通道、铸型浇口、平稳地充入铸型中，待合金液充满型腔后，增大气压，使型腔里的合金液在较高的压力作用下结晶凝固，然后
9、卸除密封容器内的压力，让升液管、浇道内尚未凝固的合金液依靠自身的重力回落到坩埚中，再打开铸型取出铸件。至此，即完成了一个低压浇注工艺过程。 低压铸造解决了重力铸造中浇注系统充型和补缩的矛盾。在重力铸造中为了充型平稳，避免气孔、夹渣，常采用底注式，因此铸型内温度场分布不利于冒口补缩。低压铸造则巧妙地利用坩埚内气压，将金属液由下而上充填铸型，在低气压下保持浇道与补缩通道合二为一，始终维持铸型温度梯度与压力梯度的一致性，从而解决了重力铸造中充型平稳性与补缩的矛盾，而且使铸件品质大大提高。同时，由于低压铸造有较高的补缩图 1.1 低压铸造的基本原理图2压力和温度梯度，有效地提高了厚大断面铸件的致密性，
10、所以用低压铸造的方法可以获得比一般重力铸造质量更高的铸件。而且，低压铸造所用的浇注系统比较简单，可使铸件成品率大大提高，通常可在 90以上。1.1.2 低压铸造的工艺特点实践证明，低压铸造有很多优越性，归纳起来有以下几点：1) 铸件在压力作用下结晶和凝固，并能得到充分地补缩，故铸件组织致密，力学性能高。2) 低压铸造的浇注工艺参数均可人为控制。可根据铸件的不同结构和铸型的不同材料来确定。浇注时，合金液在可控的压力作用下充型，能有效地控制充型速度，使合金液充型平稳，这样可减少或避免合金液在充型时的翻腾、冲击、飞溅现象，从而减少了氧化夹渣的形成，避免或减少铸件的缺陷，提高了铸件质量，合格率一般可达
11、 90左右。3) 合金液在压力作用下充型，可以提高合金液的流动性，有利于获得轮廓清晰的铸件，它可适用于不同壁厚、不同大小和不同结构的铸件。4) 金属液利用率高。低压铸造铸型的浇注系统简单，并可减少甚至完全省去冒口，尚未凝固的金属液可流回坩埚中，减少金属的损耗，因此工艺出品率高，可达 8090.5) 生产效率高，后续加工余量小，机械加工工时少。6) 低压铸造对铸型材料没有特殊的要求，凡可作为铸型的各种材料，都可以用作低压铸造的铸型材料。7) 设备简单，一次性投资少，占地面积小，易于实现机械自动化生产。有利于实现生产过程的质量控制。8) 低压铸造对合金牌号的适用范围较宽，基本上可用于各种铸造合金。
12、不仅适用于有色合金，而且适用于铸铁、铸钢。低压铸造除了有上述特点外，同时低压铸造与其它铸造的比较，有以下特点：1低压铸造与金属型重力铸造相比：31) 低压铸造可以大大简化浇注系统，从而减少合金熔化量，提高了金属利用率。2) 低压铸造更易于实现机械自动化生产，一人可操作几台低压浇注机，生产率比金属型高 23 倍，而且劳动强度低，劳动条件好。3) 低压铸造的设备投资比金属型铸造稍高。2低压铸造与一般砂型铸造相比：1) 低压铸造浇包中的合金液自下而上的，从底部注入铸型，充型平稳，避免了砂型重力铸造在浇注中易于出现的氧化夹渣缺陷。因此，铸件的成品率要比砂型铸造高。2) 低压铸造是在低压下充型，又在较高
13、的压力下结晶凝固的，铸件的组织、力学性能、气密性、耐压性能均比砂型重力铸造好。3) 低压铸造的浇注系统比砂型重力铸造简单，可以减小冒口，甚至可以不设冒 H，从而简化了工艺，节省了金属液。3低压铸造与高压铸造相比：1) 低压铸造适用的合金范围广。压力铸造一般只适用于铸造性能较好的铝硅合金、锌合金及部分铜合金，而对于铝镁合金、球墨铸铁、合金铸铁、铸铜等采用压力铸造，尚存在许多技术问题。2) 压力铸造一般用于生产批量大的中小铸件，而低压铸造可适用于不同大小、不同批量的铸件。3) 压力铸造是在高速高压下充型，型腔中的气体不易全部被排除，易于产生气孔，而低压铸造的排气效果要好得多。4) 压力铸造所用铸型
14、为金属型，其要求高，制造困难，周期长，成本高。低压铸造应用的金属模要求较低，制造容易，模具费用比高压铸造模具低。采用石墨型、壳型、砂型低压铸造，它的模具费用比压力铸造金属模费用更低。5) 低压铸造的设备比压力铸造的设备简单，设备投入低。6) 压力铸造一般用于中小型有色合金铸件，而低压铸造不仅适用于中小铸件，而且适用于大型铸件，如可浇注重达几十吨的铜合金螺旋桨。41.1.3 低压铸造的工艺分类在低压铸造过程中，按铸型种类和铸件的不同，其加压工艺的方式也有所不同，现将常用的几种浇注工艺介绍如下：1低压充型工艺低压充型工艺，是指只利用低压充型，不采用结晶增压的工艺(铸型高有冒口且不封闭)，铸件的补缩
15、仍靠高温合金液补浇冒口来实现。通常又称敞开式低压浇注。它适用于砂型低压铸造大中型铸件,如船舶钢合金螺旋桨等。采用这种工艺应注意以下几点：1) 升液阶段，加压速度宜缓，防止合金液进入型腔时产生喷射飞溅而造成氧化夹渣。2) 充型阶段，根据铸件特点、合金液成份、浇注温度以及铸型温度等情况，适当地增大加压速度防止铸件产生冷隔和欠铸。3) 当合金液充满型腔并逐步上升到冒 1:3 的三分之一高度时，加压速度应减慢，以便稳定压力，迅速“切断浇口” 。2稳定结晶工艺稳定结晶工艺，是指合金液在充满型腔后，即稳住压力，使铸件在此压力下结晶凝固，一直到完全凝固为止。这种稳压结晶工艺主要应用于铝合金湿砂型和金属型薄壁
16、复杂铸件的浇注。3缓慢增压结晶工艺缓慢增压结晶工艺，是指充型结束以后，先稳压让铸件外表凝成一层硬壳；然后再增压结晶凝固的一种浇注工艺。适用于干砂型低压铸造，通常是浇注厚壁铸件，因受到铸型强度的限制，不宜立即增大结晶压力，而让铸件稳压结壳。4急速增压结晶工艺急速增压结晶工艺，是指合金液充满型腔后，迅速增压，使铸件在较高的结晶压力下凝固。这种工艺与缓慢增压结晶工艺基本上相同，所不同的是：在充型以后，没有稳定结壳过程。这种加压工艺适用于金属型低压铸造、石墨型低压铸造。主要针对于铸型散热冷却速度较快的铸件的铸造。51.2 国外低压铸造行业的发展概况低压铸造法的雏形可以追溯到本世纪初，最早由英国人 E.
17、H.LAKE 登记了第一个低压铸造专利，主要用于巴氏合金的铸造。1917 年，法国人制定了将其用于铝合金和铜合金的计划，并首先在铝合金铸造生产中得到了推广，但当时发展缓慢。1924 年在德国提出申请，但都没有形成大规模的工业生产 1。低压铸造真正被推广应用是在“二战”以后，当时随着航空业的发展，英国广泛地采用低压铸造生产技术要求很高的航空发动机的汽缸盖等轻合金铸件，并采用金属型低压铸造，大量生产高硅铝合金铸件。当时发现低压铸造可解决厚大断面铝合金铸件的壁厚效应，即因壁厚增加力学性能急剧下降的缺点。低压铸造由于有较高的补缩压力和温度梯度，有效地提高了厚大断面铸件的致密性。这一技术至今仍被应用于厚
18、大断面铸件的铸造。1950 年以后由于汽车工业的发展，使低压铸造工艺和设备有了一个飞跃的发展。汽车轮毂由于质量要求高，本身结构又适于低压铸造，而且需求量大，因此极大地推动了低压铸造技术的发展。英国在 60 年代率先发展低压铸造汽车轮毂，其后美国、日本、西德相继发展。据 1989 年统计，美国 Park-field 车轮有限公司低压铸造轮毂年产量达到 250 万只，日本日立金属制作所采用 14 台自动化低压铸造机，年产铝合金轮毂 180 万只。德国公司使用 30 台低压铸造机每年生产 200 万只铸铝轮毂，供应 OEM 市场，包括奥迪，福特，通用，奔驰和沃尔沃等名车制造商。法国雷诺公司所有汽车发
19、动机缸盖均采用低压铸造生产,共 11 台低压铸机,日产 5500 只缸盖 23。铸铝轮毂市场占有率在 1981 年只有 4，1994 年扩大到40，至 2006 年市场份额扩大到 80 45。低压铸造工艺在亚洲的日本、韩国等国家应用十分广泛，如同本的马自达、朝同铝业山口、本田技研熊本、大发龙王、雅马哈发动机、日产自动车、本田金属、爱知机械等用低压铸造生产气缸盖，光轻金属工业、九州轮毂、神户制钢、旭可锻、古河电气工业、光洋精机等用低压铸造生产铝轮毂，韩国的起亚自动车、东西机工等用低压铸造生产汽缸盖，三善工业等用低压铸造生产铝轮毂，印度尼西亚的本田技研用低压铸造生产汽缸盖，马来西亚的 JRD 用低
20、压铸造生产铝轮毂等 6。61.2.1 我国低压铸造行业现状、存在的问题和发展趋势我国是从 50 年代开始研究低压铸造的，经过半个世纪的发展，从简单件到复杂零件，从铝合金到铜合金，从有色低压铸造到黑色低压铸造，我国的低压铸造技术不断发展，同臻完善。尤其是近年来，随着中国汽车工业的飞速发展和国际间技术合作与交流的增强，如广州肇庆本田会属公司、昌河铃木公司(九江)、天津丰田公司、烟台大宇东岳动力公司、沈阳三菱以及瑞明集团等几家公司纷纷引进低压铸造工艺用于生产汽缸盖铸件。六丰机械、扶顺轮毂、秦皇岛戴卡轮毂公司和广东中南铝合金轮毂公司等用低压铸造生产铝轮毂。目前，我国已有许多科研单位如沈阳铸造研究所、中
21、国兵器工业第五二研究所以及中国科学院金属研究所等正在从事低压铸造的研究工作，并在扩大其应用范围，尤其是对低压铸造的工艺参数和工艺控制的研究工作不断深化，设备的机械化、自动化和稳定化水平也在迅速地提高。目前国内低压铸造法在批量生产铝合金铸件上存在的问题是：浇注条件相对不稳定，影响产品质量稳定性和成品率；其次是生产效率不高，操作比较麻烦，现作如下分析：1) 设备设计与铸造工艺严重脱节 目前国产低压铸造设备大都不能保证原定铸造工艺实现和重现。最典型的是液面加压系统。低压铸造最重要的是工艺过程要靠液面加压系统来保证。诸如升液曲线一定是指保温炉内液面压力和时间曲线。但目前国内数家工厂或公司出品的液面加压
22、系统均只能在控制柜试压筒或控制柜反馈管内实现预定加压时间参数。在保温炉坩埚液面上的实际压力时间参数就完全不是原来设定的最佳工艺参数，而且其重现性很差。造成这种现象的原因是多方面的，如坩埚内液面逐渐下降和保温炉泄漏；控制系统大多采用中间继电器过程控制，精度很差；减压阀流量太小；反馈信号直接采用气压，由于管路阻力，反馈信号失真以及控制系统对弱小反馈信号反应不敏感等等。特别是金属型薄壁铸件，一定要求液面加压系统能够急速升压，保证补缩。而目前液面加压系统大都不能满足这类工艺要求。由于液面加压系统不能保证原定最佳工艺实现和重现，造成铸件成品率下降。最明显的证据是原先低压铸造摩托车轮毂的厂家由于以上原因成品率下降后又纷纷改用金属型
