底座產品低壓鑄造成形技術經濟效益分析

姜鴻濱,張明亮（威海萬豐鎂業科技發展限公司,山東 威海 264209）

底座產品低壓鑄造成形技術經濟效益分析

姜鴻濱,張明亮
（威海萬豐鎂業科技發展限公司,山東 威海 264209）

摘 要：底座產品是航天科技集團航空航天裝置生產的一個重要部件，外觀和內部質量要求非常高，材質為鋁合金ZL101A。介紹低壓鑄造工藝方法，比較分析航空用薄壁底座類耐壓鋁合金鑄件熔模鑄造和金屬型低壓鑄造鑄件機械性能和質量差別，并通過生產實踐數據得出結論。

關鍵詞：鋁合金；金屬型低壓鑄造；技術效益

該產品原來鑄造毛坯為該集團采購其他企業經過熔模鑄造方法生產的，由于鑄件內部缺陷不易探查，經常在精加工階段暴露出鑄造缺陷問題，嚴重影響產品的生產進度和制造成本。同時毛坯外觀和內部質量都比較差，檢測設備落后，毛坯只能經過機械加工后才能發現廢品，給該集團造成浪費和生產進度無法控制。該集團在考察我公司后，對我公司先進的鋁合金低壓鑄造工藝和產品檢測質量控制體系非常滿意，決定聯合我公司采用金屬型低壓鑄造工藝方法，提供優質可靠的底座毛坯。

1　低壓鑄造工藝方法介紹

金屬型低壓鑄造[1]是將金屬鑄型放在一個密閉的爐子上，型腔的下面用一個升液管和爐膛里的金屬液相通。如果在爐膛中金屬液面上加入帶壓力的空氣，金屬液會從升液管流入型腔。待金屬液凝固以后，將爐膛中的壓縮空氣釋放，未凝固的金屬就從升液管中流回到爐中。有效控制流入爐膛空氣的壓力、速度，就可以控制金屬流入型腔中的速度和壓力，并能讓金屬在壓力下結晶凝固。這種工藝的特點是：

（1）鑄件在壓力下結晶，組織致密，機械性能好；

（2）采用金屬型，鑄件表面和形狀尺寸精度高；

（3）用一個升液管將鑄型直接和爐膛連通，在壓力的作用下，直接澆注鑄型，不用冒口，澆口也很小，成型后鑄件出品率高，內部質量非常好。

2　低壓鑄造工藝方法與砂型鑄造、熔模鑄造對比

（1）普通砂型鑄造是指在常壓下，液體金屬靠重力作用充填在預先制作好的砂型內獲得鑄件的一種鑄造方法，這也是一種古老的鑄造方法。由于金屬液在砂型中冷卻速度較慢，鑄件的內部組織不致密，易存在缺陷，該法工序簡單，設備投資少，生產成本較低，適用于中小規模生產。但此方法生產的鋁合金鑄件內部質量較差，縮孔縮松嚴重，澆注過程中氧化膜和熔渣等夾雜物易卷入鑄件，有時也會卷入氣體而形成氣孔缺陷，同時鑄件外觀表面精度低，鑄件尺寸精度差。

（2）熔模鑄造是指在常壓下，液體金屬靠重力作用充填在特殊制作好的鑄型內獲得鑄件的一種鑄造方法。其鑄型的制作方法比砂型鑄造鑄型的制造方法復雜，但可生產外形結構較為復雜的產品。鑄造過程與砂型鑄造相似，金屬液在鑄型中冷卻速度較慢，鑄件的內部組織致密性不佳，易存在缺陷，內部質量較差，也易產生縮孔縮松，有時也會卷入氣體而形成氣孔缺陷。該法鑄型制作工序比較麻煩，生產成本相對較高，適用于小規模生產，鑄件外觀表面精度比砂鑄高，鑄件尺寸精度一般。

（3）以上三種鑄造方法所得材料性能的比較[3]：以鑄造鋁合金ZL101為例，（見表1）

表1

3　底座產品低壓鑄造技術經濟效益分析

3.1 模具制作工藝性分析

我公司針對底座產品結構特征進行鑄造成型工藝分析，根據產品技術質量要求和結構特征，結合公司在壓力鑄造成形方面的優勢，決定對底座產品采用壓力鑄造成形方法來獲得優質符合要求的鑄件毛坯。

3.2 模具構造特點

底座產品模具的設計方案根據產品三維數模，確定分型面位置、加工余量和收縮率，用UG作出模具三維圖，并對模具方案圖進行模流分析，以確定最佳模具設計方案。模具結構特點是上下分型加左右抽芯的結構形式，成型后毛坯留在上模芯上，非常方便用上打料缸推出落在接料盤上。澆注系統根據底座壁厚差異大的特征采用增加輔助流道的方式來改善鋁液的流動性，控制好鋁液充型壓力、速度、溫度等鑄造工藝參數[2],確保獲得內部質量和外形優質的毛坯。模具材料選用優質的耐熱合金結構鋼保證模具本身高溫變形小，確保鑄件毛坯尺寸精度。模具零件的加工在數控加工中心上完成，確保每個零件的尺寸精度。

3.3 模具更改的難易程度

底座毛坯模具的設計時把模具維修和因設計圖紙更改、更換的因素進行詳細分析，模具結構采用上下模分型、左右抽芯的形式，方便每部分零件的維修和更換，如果產品的外部尺寸增大或內部尺寸減小，只需要加工型腔，修改簡單，修改周期一般為15天。如果產品的外部尺寸減小或內部尺寸增加，即需要補焊模具或制作鑲塊，修改難度較大，修改周期一般為20～25天。如果產品的尺寸和結構變化很大，需徹底或部分更換內部模芯，上下模架和卸料機構具有互換性可繼續使用，修改難度比較大，修改周期一般為35天。

3.4 產品模具前期投入與產出的關系

模具設計制作費用為8萬元，毛坯試制生產費用2萬元，經濟效益平衡產量應大于100套，由此計算每個鑄件均攤費用為1000元。

3.5 底座毛坯更改鑄造方法帶來的優劣勢比較

3.5.1壓力鑄造優勢

（1）雖然前期模具制作費用較高，但毛坯鑄造周期過程變短，可適合批量生產，班產鑄造毛坯100件以上，每套模具可量產幾千件甚至萬件以上毛坯，從而使每件毛坯生產成本降低，現場制作毛坯內部組織致密無缺陷可達到1級精度以上，從而使成本與熔模鑄造相當；

（2）鑄件機械性能很高，抗拉強度可達260MPa以上，硬度達到HB90以上；

（3）鑄件尺寸精度可達到CT7以上，表面光潔度很高,減少機械加工費用；

（4）鑄件在成形時依靠壓力控制充型速度，使鑄件內部組織致密無缺陷可達到1級精度以上，鑄件在鑄造過程也可能出現砂眼、針孔，這與鑄造工藝參數控制有關，在生產過程中對每件毛坯進行X光全面檢查，毛坯合格率達到90%以上，避免在精加工過程才發現縮松、砂眼而帶來的費用增加和影響生產進度；

（5）適合機械化批量生產。

3.5.2 壓力鑄造劣勢

（1）由于壓力鑄造采用金屬模具，因此前期模具制作需投入一定費用，而且模具的費用因產品結構的復雜程度變化較大，對于生產批量小的產品，其成本壓力較大；

（2）產品不易進行較大改動，產品結構形式發生較大變化時，需重新修改金屬模具結構，加工和鑄造試制需要一定周期；當結構變化較大時，存在原鑄造模具無法使用和更改的風險，需重新設計加工新模具，成本和周期都較高，不利于產品試制。

4　底座產品試制過程和經濟效益驗證

4.1 試制過程

基于以上分析，與航天科技集團研究在2014年5月份開始進行模具設計制作階段，7月份開始進行產品試制階段，經過3次的試制，毛坯成份、機械性能、X光完全符合產品要求，現已有150件產品經過最后精加工滿足安裝使用要求，化學成份、機械性能、X光檢驗結果如下：

（1）表化學成分（見表2）。

表2

（2）表化學成分（見表3）。

表3

（3）圖試驗結果：X光等級為0級（見圖1）。

4.2 經濟效益驗證

經過以上壓力鑄造過程后，底座產品價格與熔模鑄造方法進行對比如表4。

表4

5　結論

采用低壓鑄造工藝獲得的底座產品，機械性能、內部質量、鑄件成品率都提高了，降低生產成本，滿足用戶加工過程和使用要求，適合生產底座類產品。

參考文獻：

[1]張士林,任頌贊主編.簡明鋁合金手冊[S].上海科技技術文獻出版社,2000(12).

[2]董秀琦主編.低壓及壓差鑄造理論與實踐[M].機械工業出版社,2003(01).

[3]中國機械工程學會鑄造專業學會編.鑄造手冊第6卷特種鑄造[S].機械工業出版社,2004(04).

作者簡介：姜鴻濱（1963-），男，山東海陽人，本科，工程師 ，研究方向：鑄造工藝與設備。