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低压铸造原理

作者: 发布时间:2021-02-01 11:42:18点击:943 

低压铸造概念

低压铸造是指铸型一般安置在密封的装有合金液体的保温炉上方,保温炉中通入压缩空气,在熔融金属的表面上造成低压力(常规500-2500mbar),使金属液由连接炉内金属和模具型腔的升液管上升填充铸型和控制凝固的铸造方法。这种铸造方法补缩好,铸件组织致密,容易铸造出大型薄壁复杂的铸件,一般无需冒口,金属收得率高(一般超过70%)。易实现自动化。与高压铸造相比,设备费用较低,但生产效率较低,与重力铸造相比,一般用于铸造有色合金。



低压铸造特点

低压铸造可以采用砂型、金属型、石墨型、石膏型等。

1) 纯净金属液充型,提高了铸件的纯净度。由于熔渣一般浮于金属液表面,而低压铸造由保温炉下部的金属液通过升液管实现充型,有效避免了熔渣进入铸型型腔的可能性。但升液管内部反复冲刷造成的渣滓要有预防措施,一般在铸造过程中会放置过滤网。

2) 加压压力曲线可调,如果设置合理,金属液充型平稳,减少或避免了金属液在充型时的翻腾、冲击、飞溅现象,从而减成少了氧化渣的形成。

3) 铸件成型性好,金属液在压力作用下充型,可以提高金属液的流动性,有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件,对于大型薄壁铸件的成型更为有利。

4) 铸件在压力作用下结晶凝固,能得到充分地补缩,铸件组织致密。

5) 提高了金属液的收得率,一般情况下不需要冒口,并且升液管中未凝同的金属可回流至坩埚,重复使用,使金属液的收得率大大提高,收得率一般可达70%以上。

6) 生产操作方便,劳动条件好,生产效率高,易实现机械化和自动化,随着智能化和自动化技术的提高,可以实现一人多机或者无人操作的自动化铸造流水线。


低压铸造加常用合金

铝合金、镁合金、铜合金等


低压铸造常规铸件种类

汽车摩托车及飞机坦克等车辆轮毂

内燃机发动机缸体、缸盖、活塞等

汽车变速箱壳体、曲轴箱油底壳等

车辆涡轮增压器壳体等

电机壳、电池壳等

汽车悬架底盘及转向系统部件:如转向节、控制臂、卡钳、副车架、纵梁等

叶轮,导风轮、螺旋桨叶片风机叶片等异性铸件

电力系统输变电设备及线路部件:例如高压开关壳体、罐体、法兰、导体以及线路金具等。

航空航天类镁铝合金铸件

导弹壳体等

高铁动车枕梁、变速箱体、接触网棘轮飞轮等

灯具灯罩壳体等

车辆后视镜、反光镜壳体等

水龙头等卫浴水暖件

其他类型铸件



低压铸造加压原理

低压铸造,差压铸造和真空铸造,从本质上说属于同一种铸造原理,即:依靠设备在金属液表面和模具型腔之间产生压力差,金属液在压力差的作用下由下向上充型。

低压铸造一般是模具在敞开的大气压下,保温炉内建立正压力,低压铸造的压力差=保温炉内压力-大气压。差压铸造一般模具在密闭的容器内加压,保温炉内同时加压,金属液在压力差下充型,差压铸造的压力差=保温炉内压力-模具容器内压力。真空铸造一般把模具型腔抽真空,同样可以在保温炉金属液表面与模具之间形成压力差,金属液依然是在压力差下充型,真空铸造的压力差=保温炉内大气压-模具型腔内的负压。


压力计算方法:低压铸造一般由金属液升液阶段、充型阶段、快速增压补缩阶段和保压结晶阶段以及铸件冷却阶段组成。各阶段的压力计算基本公式:p=ρghn

ρ 合金液体密度:对于常规铝合金液体可选2.35-2.4之间

g 重力加速度常数

h 液面上升高度

n 补偿系数,因排气条件、流动性、型腔阻力等不同,用系数调整,一般在0.9-1之间


升液压力:指合金液体从低压保温炉的液面位置,上升到模具浇口位置所需要的压力。

充型压力:指合金液体从模具浇口位置上升到充满模具型腔所需的压力。充型压力可以根据不同的铸件进行单段或者多段设计,以适应不同合金液体充型流量和流速的要求。

增压补缩压力:金属液充型后要迅速增压,以便让铸件在压力下得到良好的补缩,一般砂型铸件补缩压力较小,金属型补缩压力在设备和模具允许的情况下可以适当加大。另外砂型在增压补缩前需要维持一段略低的压力以便铸件表面结壳,能够承受后续继续增加的补缩压力。

保压压力:增压后需要维持这个压力,以便对铸件凝固过程保持压力,使得铸件得到补缩,直到铸件凝固完毕。


补偿压力:每次铸造充型后,保温炉内的液面都要下降,为了确保工艺一致性,每次浇铸后都要增加一定的压力值,以便后续加压过程中能够补偿液面下降的影响。补偿压力要根据液面下降的数值进行计算,与铸件的重量、保温炉型腔面积有关,严格意义讲,补偿压力应该是一个变量。

预压力:为了保证各个阶段的升压斜率不变,好的液面加压系统会设置预压力,即每次运行工艺加压曲线之前,先给保温炉施加一个预压力值,保证每次升液前,合金液体初始液面完全一致。

悬浮压力:每次充型完毕泄压后,炉子内部压力不为零,保留有一定的压力值,以维持升液管内部的合金液悬浮在一个固定的位置,避免合金液反复回流冲刷造成的氧化和温度变化以及减小下次充型所需的时间。悬浮压力和预压力类似,但不是一个概念,预压力最大值一般取保温炉内最高液面处。悬浮压力一般高于预压力,合金液悬浮在浇口位置以下一定的高度。

压力控制精度的影响:以上各阶段的压力计算都是理论值,实际生产过程中,会发生各种影响因素,其中最大的影响因素是如何保证每次加入合金液体后初始液面高度准确。一般会采取以下技术和管理手段:保温炉液体称重,液面测量,液面探针,或者人为严格控制加合金位置。另外有些厂家采用升液管顶部液体探针,模具充满探针等手段,确保压力控制准确。另外的影响因素就是保温炉的压缩空气泄漏量以及系统供给压力和供给流量能力的影响。还有不同合金液体的流动性,型腔阻力,排气条件等影响因素。良好的加压控制系统会考虑以上各种因素,对加压过程进行精确控制。低压铸造最关键的加压阶段是充型阶段,要求平稳升压,不能产生波动。常规的液面加压控制系统,采用可变参数PID算法以及特殊阶段的特殊处理。

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此图表示常规低压铸造控制的各个压力阶段的关系。

充型阶段的压力曲线斜率代表充型速率,要根据不同铸件浇注系统流速要求给出,有条件的可以用模流分析软件进行模拟,以确保充型平稳良好,不产生紊流为佳。加压压力设置不合理容易造成卷气、氧化、冷隔、分层、浇不足等铸造缺陷。


低压铸造铸件冷却过程原理

低压铸造铸件冷却过程是获得良好铸件的最关键因素。

由于低压铸造本身的特点,浇口一般在铸件的下面底部位置,为了保证铸件凝固过程中各个位置得到良好的补缩(铸件凝固过程中发生体积收缩,必须确保合金液能够源源不断的补充体积收缩),必须建立自上而下,从外到内的顺序凝固条件。

铸件冷却速度不但影响了铸造效率,更会影响铸件的品质和机械性能。理论来讲,冷却速度越快,所得铸件的品质越好,铸件性能越高。由于浇口部位为了补缩需要往往是最后凝固,此处由于维持液态时间较长,往往浇口部位的性能都比其他部位要差。

铸件冷却过程如果控制不好,会形成缩松、裂纹、铸件性能不良等常见铸造缺陷。

铸件的冷却凝固一般有自然却法和强制冷却法。首先要确保模具设计阶段考虑到顺序凝固,常规用模具厚度梯度对于自然冷却,对于模具厚度梯度的影响较大,对局部热结一般用特殊材料的冷铁来实现。

但是随着低压铸造技术的不断提高,强制冷却工艺的使用越来越普遍,有些厂家对于模具冷却的研究投入了大量的人力物力财力,取得了非常好的效果。

所谓强制冷却,就是对模具不同位置和不同阶段进行强制冷却,冷却介质一般用水冷、风冷或者水雾冷来实现。模具冷却回路的设计有点冷,环冷,面冷等实现手段。某些复杂铸件模具的冷却回路高达几十个冷却回路。对如此之多的冷却回路进行顺序控制并不是一件简单的事情。首先要求低压铸造机要有足够的冷却回路和冷却介质供应,其次要求这些冷却回路必须高精度的严格受控。高精度一方面指冷却量控制精度高,另一方面指冷却时间参数和温度参数要精确。HDTD 低压铸造机在冷却系统设计方面投入了大量的精力,研发出了温度场实时控制的高精度冷却控制系统的前沿技术。在冷却回路上,最高可达到上百路的冷却回路,可以使用风冷,水冷和水雾冷等多冷却介质,冷却参数控制可以采用时间控制和温度控制以及综合控制。在冷却流量调节方面采用风水比例阀和电子流量计,对各个回路进行高精度冷却流量控制。采用温度场仪对模具进行全面温度监测,通过与模流分析标准结果对比,得出相对准确的冷却控制策略。可以实时对多个冷却回路进行控制,铸件品质和铸件效率得到明显提升。

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