用低压铸造生产载荷皮带轮坯  

作者：谭瑶 刘怡

在铸造业日益发展的今天，除砂型铸造得到广泛应用外，特种铸造也逐渐在这个舞台上显露出其重要地位，低压铸造更是以在获得较好的表面质量的同时，获得较好的铸件内部质量和较高的工艺出品率而得到大家的认同。本公司成功地用低压铸造生产了两种载荷皮带轮坯铸件，取得了较好的效果。

一、两种皮带轮坯铸件的各项技术要求如下：

产品一：小皮带轮坯（如图一所示）

材料为：A356—T6, 毛坯重3.25kg, 浇注总重3.35kg。

产品二：大皮带轮坯（如图二所示）

材料为：A356—T6 ，毛坯重7.2kg，浇注总重7.8kg。

     技术要求：

    1、尺寸公差：保留2位小数之公差为±1，保留3位小数之公差为±0.5，角度公差为±1°

  2、由于是承受较大载荷零件，并且是交通工具，涉及安全问题，所以铸件不能有任何裂纹、疏松、缩孔、气孔、夹杂物等铸造缺陷，表面不能有冷隔，拉伤等。

  3、要求每种类型每月有1000件，两种共2000件以上的批量。

  4、铸件要进行T6（固溶处理和完全人工时效）处理。

二、方案论证

从以上图形可以看出：两种铸件外形较大，且壁厚较厚，呈筒状，补缩困难，并在厚壁处易形成热节。在成形上可以有三种方式来成形：一是砂型铸造，二是金属型硬模重力铸造，三是金属型低压铸造。

1.     砂型铸造的适应性分析

在这两种铸件的加工余量上来讲属于加工余量比较小的，零件的精度要求较高，砂型铸造难以达到这种精度要求，铸件内部组织密度也差，质量不容易保证要求；同时，根据这两种铸件的批量要求，砂型铸造难以达到要求。故判定这两种零件不适宜用砂型铸造的方式来成形。

2.     金属型硬模重力铸造的适应性分析

    由于我公司金属型重力铸造机的开模方向只能是水平方向，故这两种零件只能进行水平浇注。由于零件的壁厚较厚，水平浇注将导致冷料和氧化物等渣子不易排出，夹杂在零件中，从而导致废品率增高；同时由于零件较高，内腔较深，水平浇注的方式将导致零件排气不畅，充型不满，且在零件的厚壁处易形成热节，补缩困难，零件的成形完整性达不到要求；而且重力铸造件内部组织密度比低压铸造差；且需要补缩措施多，工艺出品率低。故这两种零件也不适宜用金属型硬模重力铸造的方式来成形。

3.     金属型低压铸造的适应性分析

这两种铸件都是圆筒型，在做成金属型低压铸造模时浇口开设在零件厚壁处，顺序充型，零件成形容易，并且可以在模具上部开设溢流槽来容纳冷料和氧化物；同时，这种浇注方式便于型腔内气体的排出，可为补缩创造好条件，保证零件的内部质量以及结构的致密性，并满足热处理后零件的各项指标要求，而且这种机械化的生产方式更是适应大批量生产的需求。

因此，根据这两种铸件的结构特点、技术要求、批量大小等确定采用金属型低压铸造的方式来成形。

三、低压铸造的工艺过程及特点简介

    （一）、工艺过程

    1、低压铸造的基本原理：

在装有金属液的密封容器（如坩埚）中，通入干燥的压缩空气，作用在保持一定温度的金属液面上，使金属液沿着升液管自下而上地经浇道，注入型腔，待金属液充满型腔后，增大气压，型腔里的金属液在一定的压力作用下凝固成形，然后卸除压力，未凝固的金属液回落到坩埚中，即完成了一个低压浇注工艺过程。开型后便获得所需要的铸件。

    2、低压铸造的浇注成形过程：

其过程包括升液、充型、增压、保压、卸压、并延时冷却等阶段，卸压之前

各个阶段是通过控制气体压力来实现的。

升液——将一定压力的气体通入密封容器中，迫使金属液沿着升液管平稳上升到铸型浇道处。

充型——是指金属液由浇道进入型腔，直至将型腔充满。充型速度应控制适当，以利于型腔中气体排出，既不使铸件产生冷隔，也不致因液流冲击而形成氧化夹渣等缺陷。

增压——金属液充满型腔后，立即进行增压，使型腔里的金属液在一定压力作用下凝固。

凝固——又称之为保压阶段。即型腔里的金属液在增压压力的作用下，完成由液态到固态的转变过程。

卸压——铸件凝固完毕（或内浇道已经凝固），即可卸除密封容器中（坩埚）液面压力，使升液管和浇道中尚未凝固的金属液回落到浇包（坩埚）中。

冷却——卸压后，为使铸件达到一定的凝固强度，防止在开型取件时导致铸件开裂，需延时冷却。

（二）、铸造特点

1、 金属液充型平稳，充型速度可根据铸件的不同结构和铸型的不同材料等

因素进行控制，充型时应避免金属液产生翻腾、冲击和飞溅，减少二次氧化，提高铸件质量。

2、 金属液在压力作用下充型，流动性增加，有利于获得轮廓清晰的铸件。

3、 铸件在压力作用下凝固，可得到充分的补缩，故铸件组织致密，力学性

能高。

4、 工艺出品率高，低压铸造的浇注系统较简单，并可减少或省去冒口。

5、 低压铸造对合金牌号适用范围较宽，不仅适用非铁合金，而且可用于铸

铁、铸钢。

    6、易于实现机械化与自动化，与压铸相比，工艺简单，制造方便，投资少，占地少。

四、小皮带轮坯和大皮带轮坯低压铸造模具的工艺设计要点

1、 根据小皮带轮坯和大皮带轮坯的结构特点、精度要求及批量决定做成全

金属型低压铸造模。

2、 低压铸造时，金属液凝固是自上而下，故铸件补缩应自下向上，最后通

过浇道实现。因此铸件在型中的位置的安排，加工余量和工艺余量的确定，应使铸件远离浇道处先凝固，靠近浇道处后凝固，浇道本身应最后凝固。低压铸造件的凝固过程如图三所示:  

     控制顺序凝固及在压力作用下补缩的工艺措施如下：

  （1）小皮带轮坯的壁厚较均匀，采用不同的加工余量或工艺补贴量，使铸件的壁厚沿上、下方向均匀增加。

    （2）大皮带轮坯的结构较复杂，中间轴承孔处还有一突起小法兰盘，壁厚较厚，属于热节部位，将内浇道开设在此，并采取增压来补缩，充型时金属液易在此产生翻腾、冲击和飞溅，增加了二次氧化的机会，故浇注系统的设置应保证升液和充型时金属液流稳定，并有利于铸件顺序凝固和在压力作用下补缩。并使浇道最后凝固。

3、要考虑好充型时铸型的排气措施，因低压铸型上部常是封闭的不易排气。如果充型时出现憋气，会使充型时金属液上升速度出现波动，严重时铸件浇不成形。为了使铸型除渣排气顺利，针对小皮带轮坯及皮带轮坯的结构特点，在型腔分型面上开设环行溢流槽，容纳冷料，氧化物、渣子并在溢流槽周围开设一系列的排气槽。

五、小皮带轮坯及大皮带轮坯的工艺生产过程及控制

（一）         小皮带轮坯的工艺生产过程及控制

在小皮带轮坯的试制生产过程当中，我们发现铸件由于以下两种铸造缺陷 最易造成报废：一是在铸件内部有氧化夹渣，二是在铸件的顶部圆周有冷隔。分析其形成原因，主要有四条：

第一条 浇注系统的开设方式不利于金属液的充型和排气，内浇口的开设方式如图四所示，这样金属液在型腔中翻腾，容易造成卷气和夹渣；

第二条 溢流槽及排气槽太小，冷料及氧化物夹渣不能充分的排除出去；

第三条 由于模具的推板与中间型芯的间隙太大，导致金属液在其间冷却形成一圈形状不规则的飞皮，且不易清除，多次以后，零件在此拉伤严重，中间型芯上也留下了很紧的一圈残铝;

第四条 主压和辅压的加压间隔时间掌握不好.

针对第一条我们对浇注系统进行了如图五改进，让液流缓慢地沿着同一个方向顺序充填型腔，造成铝液旋转，从而把型腔里地气体和冷料排到溢流槽里。针对第二条，我们先是将溢流槽开深开宽，然后将排气槽加大，使冷料、气体等更易排出。对第三条我们的解决方法是将中间型芯进行淬火氮化处理，让型芯的表面硬度增加，以增加耐磨性，减少粘铝的现象。针对第四条我们要视当时的浇注情况而定，当保温炉内的金属液面高时，辅压的加压间隔时间要长些，当随着零件的浇注，液面逐渐降低，则辅压加压时间间隔要逐渐缩短。

（二）大皮带轮坯的工艺生产过程及控制

在大皮带轮坯的试制生产过程中，出现以下几种铸造缺陷：一是中间小法兰成型不好；二是在将小法兰中间的轴承孔在机加时现出了一系列的缩孔，还有氧化夹杂等铸造缺陷；三是小法兰周围出现裂纹的几率较高。分析原因，主要有以下几条：

第一条     充型时液流紊乱、型腔排气不好、充型速度过快等在铸件的小法兰

处造成成型不好，轮廓不清晰，严重时甚至不能成型，同时还会出现氧化夹杂等铸造缺陷；

    第二条 浇口形状位置不妥，造成铸件的凝固顺序不对，从而在小法兰中间的轴承孔处出现了缩松、缩孔的现象；

    第三条 有收缩时引起的缩裂以及模具过热、浇注温度过高引起的热裂；

    第四条 主压和辅压的加压间隔时间掌握不好；

为了改善小法兰处的成型状况，我们观察到浇口的形状和位置影响到液流的状态和排气，但由于大皮带轮坯结构的特殊性，要求有足够的补缩量，故浇口的方式不能更改，否则铸件的补缩量将严重不足，铸件内部质量无法保证，于是我们只能在小法兰处想办法。首先，我们在小法兰周围开设了三根筋，如图六所示，协助排气和排渣，然后通过调整铸造工艺参数来进行控制，却发现效果并不理想。后经观察，发觉液流在此一样是紊乱的，于是我们对这三根筋的方向进行改进，由原来的径向发散改成方向一致的旋转发散，如图七所示。经过实际效果验证，小法兰处成型基本是稳定的，同时均匀的喷覆涂料也可以改善此处的排气，让轮廓更清晰。并且要有效地控制浇注温度和模具温度，不能过高，在辅压的加压过程中，要随时观察上一铸件的成型状态，从而选择合理的辅压加压间隔时间，以调整充型速度，避免过快影响到小法兰处的成型。  

     为了改善小法兰中间的轴承孔处的缩松、缩孔现象，将主型芯的前端延长，以兼作分流锥和冷铁的作用，同时将主浇道直径加粗、圆锥形的浇口壁厚增厚，让铸件自上而下地凝固，浇口是最后凝固的，从而避免轴承孔处出现缩松、缩孔。同时还能改善小法兰周围的缩裂现象。

    对于由于模具过热、浇注温度过高引起的热裂，要有效的控制住模具的温度以及浇注温度，要及时观察刚铸造出的铸件状态，根据它的具体情况来确定下一模的工艺控制参数。

（三）铸造生产操作工艺规范

低压铸造生产时操作工艺规范:

1、模具准备工作

    a）首先将模具清理干净，检查模具有无变形和缺损。

    b）模具烘烤：特别是在机床的保温套处要加热5～10分钟左右，保证受热均匀。

    c）清理干净模具上的油污并均匀地喷上涂料。

    2、浇注温度

     正常浇注后，浇注温度为720～780℃，并根据当时浇注状态在此范围内掌握浇注温度高低。

    3、加压

     加压顺序：先加主压，主压加压后，间隔10～40秒，再加辅压，间隔长短要视当时浇注情况而定，并遵循以下原则：当保温炉内的金属液面高时，辅压加压的间隔时间要长些，当随着零件的浇注，保温炉内的液面降低，则辅压加压的间隔时间要逐渐缩短。

     4、保压

    保压时间：5秒～1分钟（大皮带轮坯的保压时间是5秒～2分钟），随着模温的升高逐渐增长，要保证浇口留有适当地长度，并且浇口中心不镂空。

     5、卸压

     主压和辅压同时卸压。

     6、保持模具的正常工作状态

    为了保持模具的正常工作状态，在浇注过程中要及时清理干净模具上的金属飞皮，并均匀喷上涂料。

     7、浇注中的模具温度控制

      在浇注过程中，模具的温度要控制在220～260℃

     8、要注意对成型零件的观察

在浇注的过程中，要注意随时观察铸件的飞皮状态，要保证铸件周边的飞皮均匀，溢流槽外的飞皮厚度不超过1mm。

    六、结论

   1、通过对两种载荷皮带轮坯的试制到生产，低压铸造的基本原理在生产中得到了充分的体现，同时进行的一系列工艺改进措施也是结合了低压铸造的铸造特点进行的，以通过对工艺参数的控制来获得成功的铸件，并且获得了较好的效果。

   2、用低压铸造生产厚壁承载铸件，是较好的选择，既保证质量，又有较好的经济性。