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铝合金短车架挤压铸造工艺及模具的研究
发布日期:2016-06-28  来源:特种铸造及有色合金  作者:夏望红 罗继相 舒 樱 彭 旋  浏览次数:1024
核心提示:针对轮椅短车架零件的结构特点,结合生产实际,运用Anycasting软件模拟了流道尺寸对缩孔、缩松的影响。结果表明,挤压铸造流道设计对铸件的补缩效果有重要影响,挤压铸造时合金液在补缩压力下流经浇道对铸件进行补缩,但对远离浇口的铸件厚大部位因压力传递的有效性受到限制。采用局部挤压或冷却水、激冷块等措施来调节厚大部位的凝固顺序,可以减少缩孔、缩松缺陷。

挤压铸造获得的零部件内部组织致密,力学性能较高,适宜于对组织和性能要求很高的铝合金产品的生产。轮椅短车架是轮椅上的重要承载零部件,对负载能力要求较高,铸件需经T6处理。本课题针对该产品的挤压铸造工艺分析,并对挤压铸造充型和凝固过程进行数值模拟,研究了金属液流动特性,预测了成形过程缩松、缩孔等缺陷的发生原因,以期为挤压铸造生产提供参考。

1 零件的结构特性

轮椅短车架所用材料为A354铝合金,其化学成分见表1。

A354铝合金可热处理强化,在铸态及热处理后具有优良的室温和高温力学性能,其室温抗拉强度≥255MPa,屈服强度≥200MPa,伸长率≥5%。该合金的铸造性能优良,无热裂倾向,线收缩小,气密性高。切削加工性和焊接性均较好,但耐蚀性较差。零件外形尺寸为450mm×150mm×100mm,结构较为复杂。

结合产品的结构特点,对铸件的部分结构进行了修改,以方便挤压铸造生产和后续机加工、装配、检测等要求。

2 工艺设计方案与试验结果分析

采用AnyCasting软件对A354铝合金挤压铸造充型、凝固过程进行数值模拟,模拟中模具材料采用SKD61,模具预热温度为200℃,铝液浇注温度为690~710℃,冲头速度控制在0.08~0.15m/s,铸造压力为95MPa,保压时间为15s。材料的物性参数见表2。

计算铸件的投影面积等相关参数,根据计算结果,结合现有设备决定采用HVSC800PL型挤压铸造机进行生产,一模一件。

根据铸件结构的特征,采用的浇道见图1,在横浇道上开设多个内浇口,便于成形与补缩。

根据挤压铸件的成形特点,铸件位于浇注系统上方,凝固时必须至上而下实现顺序凝固,铸件最后凝固部位必须得到金属液补缩,否则就会在铸件后凝固部位产生缩孔、缩松缺陷,见图2。

2.1 工艺设计方案①

在工艺设计方案①中,浇注系统开设见图1。铸件缩孔见图2。采用AnyCasting对铸件充型凝固过程模拟,结果见图3。经对方案①生产零件的缺陷部位进行剖切,见图4~图6标识部位,可看出模拟结果与实际结果完全符合。

在图3中最大斑点表示最后凝固的地方,该部位凝固过程若得不到金属液的补充,就会形成缩松、缩孔缺陷,斑点的体积越大,表明出现缩松、缩孔的概率越大。分析凝固模拟结果,可知斑点的中心距离抽芯机构的中心约为16mm,距离抽芯的外圆约为2mm。该处是出现最大截面积斑点的地方,斑点的直径约为25mm。对试生产取样10个按图4位置切开,测量缩孔的直径约为2.3mm,缩松的区域为24~26mm,有严重的缩孔、缩松,加工后全部暴露出来。分析浇道的结构和凝固过程,认为由于内浇口搭接在横浇道上面,导致内浇口过早冷却,无法起到补缩的作用,没有实现顺序凝固,铸件凝固时形成液相孤岛造成的。

2.2 工艺设计方案②

结合方案①分析结果,提出修改方案,在易产生缩松、缩孔的部位,距离横浇道最近处加工一条8mm宽,5mm深的补充浇道,使得内浇口位于流道的中间,这相对方案①来说,内浇口的冷却速度变慢,对延缓内浇口冷却有一定的作用。

通过AnyCasting模拟挤压铸造凝固过程,在充填速度与冷却等其他工艺参数不变情况下,对比工艺方案①的结果发现最大截面积斑点出现的位置与方案②基本相同,见图7标识部位,但是斑点的大小有所变化,斑点的直径约为20mm。对比实际结果,取样10个按照图8位置切开,测量缩孔的直径约为2.2mm。缩松区域的截面积直径为10~12mm。对比方案①,发现缩松区域减小,缩孔直经变小,见图9和图10标识部位,但没有从根本上解决缩孔、缩松缺陷,需要进一步改进方案。

2.3 工艺设计方案③

铸件的壁厚差过大,在挤压铸造时由铸件薄壁部位先凝固,导致补缩通道被堵塞,后续金属液无法对厚壁热节处补缩,导致铸件最后凝固部位产生缩孔、缩松缺陷。其解决的方法主要有:①在铸件厚壁处采用局部挤压,通过挤压杆推动金属液对可能产生缩孔部位施以局部高压,进行补缩;②改变凝固顺序,尽可能实现顺序凝固。

通过对短车架模流分析和结构的分析,方案③中采用局部挤压,由于产生缩孔、缩松的部位位于侧抽芯的旁边,为了保证零件外观的完整性,局部挤压只能在侧抽芯上实现,这样会导致局部挤压的效果不理想,并且局部挤压的难点在于该部位形成液相孤岛时得到压力补缩的时间不好控制。局部挤压的保压时间太长,局部挤压杆易被零件包死抽不回来,保压时间太短,起不到挤压的效果。

采用方案③,在短车架抽芯部位增加局部挤压,该部位的缩孔与缩松得到明显改善。图11为局部挤压模拟凝固图,标识部位为缺陷部位;图12为局部挤压凝固剖切图实际缺陷部位。

3 激冷块对减少铸件缩孔的作用

通过前期模流的分析和结果验证,认为挤压铸造中只有改变铸件的凝固顺序,才是消除缩孔、缩松最有效的途径。通过在铸件厚大部位放置激冷块减少铸件厚大部位热节区域,实现了铸件的顺序凝固。

激冷块在挤压时预先放入模具内,但模具温度较高不易放置,由于抽芯的型芯是垂直向下的,激冷块易脱落,给模具带来安全隐患,且不便于大批量自动化生产。采用的激冷块与铸件的材料相同,外径为22mm,内径为12.5mm,高为30mm。图13为放置激冷块的抽芯杆,图14为激冷块形状。

放置激冷块,改变了铸件的凝固顺序,通过内浇口补缩的液态金属量大为减少,实现了铸件的顺序凝固。计算机模拟(见图15)与实际结果表明了激冷块可减少铸件缩松、缩孔。

图15为放置激冷块后的凝固模拟图。对比分析采用无激冷块(见图16)与采用冷块(见图17)的成形效果,发现无激冷块的产生较大的缩孔,放置激冷块的只出现少量的缩松,并且出现在零件的中部,可以加工去除。

4 结 语

(1)在生产前期对给出的模具结构和工艺参数进行计算机模拟,根据模拟结果,在热节部位采取相应工艺措施,可有效减少铸件缩孔、缩松缺陷。

(2)挤压铸造必须实现铸件的顺序凝固,满足压力下补缩条件。

(3)通过局部加压增加了补缩效果,加激冷块可减少铸件的热节区域,减少了对铸件厚大部位的补缩体积并利于实现顺序凝固。

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