底座产品低压铸造成形技术经济效益分析

姜鸿滨,张明亮（威海万丰镁业科技发展限公司,山东 威海 264209）

底座产品低压铸造成形技术经济效益分析

姜鸿滨,张明亮
（威海万丰镁业科技发展限公司,山东 威海 264209）

摘 要：底座产品是航天科技集团航空航天装置生产的一个重要部件，外观和内部质量要求非常高，材质为铝合金ZL101A。介绍低压铸造工艺方法，比较分析航空用薄壁底座类耐压铝合金铸件熔模铸造和金属型低压铸造铸件机械性能和质量差别，并通过生产实践数据得出结论。

关键词：铝合金；金属型低压铸造；技术效益

该产品原来铸造毛坯为该集团采购其他企业经过熔模铸造方法生产的，由于铸件内部缺陷不易探查，经常在精加工阶段暴露出铸造缺陷问题，严重影响产品的生产进度和制造成本。同时毛坯外观和内部质量都比较差，检测设备落后，毛坯只能经过机械加工后才能发现废品，给该集团造成浪费和生产进度无法控制。该集团在考察我公司后，对我公司先进的铝合金低压铸造工艺和产品检测质量控制体系非常满意，决定联合我公司采用金属型低压铸造工艺方法，提供优质可靠的底座毛坯。

1　低压铸造工艺方法介绍

金属型低压铸造[1]是将金属铸型放在一个密闭的炉子上，型腔的下面用一个升液管和炉膛里的金属液相通。如果在炉膛中金属液面上加入带压力的空气，金属液会从升液管流入型腔。待金属液凝固以后，将炉膛中的压缩空气释放，未凝固的金属就从升液管中流回到炉中。有效控制流入炉膛空气的压力、速度，就可以控制金属流入型腔中的速度和压力，并能让金属在压力下结晶凝固。这种工艺的特点是：

（1）铸件在压力下结晶，组织致密，机械性能好；

（2）采用金属型，铸件表面和形状尺寸精度高；

（3）用一个升液管将铸型直接和炉膛连通，在压力的作用下，直接浇注铸型，不用冒口，浇口也很小，成型后铸件出品率高，内部质量非常好。

2　低压铸造工艺方法与砂型铸造、熔模铸造对比

（1）普通砂型铸造是指在常压下，液体金属靠重力作用充填在预先制作好的砂型内获得铸件的一种铸造方法，这也是一种古老的铸造方法。由于金属液在砂型中冷却速度较慢，铸件的内部组织不致密，易存在缺陷，该法工序简单，设备投资少，生产成本较低，适用于中小规模生产。但此方法生产的铝合金铸件内部质量较差，缩孔缩松严重，浇注过程中氧化膜和熔渣等夹杂物易卷入铸件，有时也会卷入气体而形成气孔缺陷，同时铸件外观表面精度低，铸件尺寸精度差。

（2）熔模铸造是指在常压下，液体金属靠重力作用充填在特殊制作好的铸型内获得铸件的一种铸造方法。其铸型的制作方法比砂型铸造铸型的制造方法复杂，但可生产外形结构较为复杂的产品。铸造过程与砂型铸造相似，金属液在铸型中冷却速度较慢，铸件的内部组织致密性不佳，易存在缺陷，内部质量较差，也易产生缩孔缩松，有时也会卷入气体而形成气孔缺陷。该法铸型制作工序比较麻烦，生产成本相对较高，适用于小规模生产，铸件外观表面精度比砂铸高，铸件尺寸精度一般。

（3）以上三种铸造方法所得材料性能的比较[3]：以铸造铝合金ZL101为例，（见表1）

表1

3　底座产品低压铸造技术经济效益分析

3.1 模具制作工艺性分析

我公司针对底座产品结构特征进行铸造成型工艺分析，根据产品技术质量要求和结构特征，结合公司在压力铸造成形方面的优势，决定对底座产品采用压力铸造成形方法来获得优质符合要求的铸件毛坯。

3.2 模具构造特点

底座产品模具的设计方案根据产品三维数模，确定分型面位置、加工余量和收缩率，用UG作出模具三维图，并对模具方案图进行模流分析，以确定最佳模具设计方案。模具结构特点是上下分型加左右抽芯的结构形式，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盘上。浇注系统根据底座壁厚差异大的特征采用增加辅助流道的方式来改善铝液的流动性，控制好铝液充型压力、速度、温度等铸造工艺参数[2],确保获得内部质量和外形优质的毛坯。模具材料选用优质的耐热合金结构钢保证模具本身高温变形小，确保铸件毛坯尺寸精度。模具零件的加工在数控加工中心上完成，确保每个零件的尺寸精度。

3.3 模具更改的难易程度

底座毛坯模具的设计时把模具维修和因设计图纸更改、更换的因素进行详细分析，模具结构采用上下模分型、左右抽芯的形式，方便每部分零件的维修和更换，如果产品的外部尺寸增大或内部尺寸减小，只需要加工型腔，修改简单，修改周期一般为15天。如果产品的外部尺寸减小或内部尺寸增加，即需要补焊模具或制作镶块，修改难度较大，修改周期一般为20～25天。如果产品的尺寸和结构变化很大，需彻底或部分更换内部模芯，上下模架和卸料机构具有互换性可继续使用，修改难度比较大，修改周期一般为35天。

3.4 产品模具前期投入与产出的关系

模具设计制作费用为8万元，毛坯试制生产费用2万元，经济效益平衡产量应大于100套，由此计算每个铸件均摊费用为1000元。

3.5 底座毛坯更改铸造方法带来的优劣势比较

3.5.1压力铸造优势

（1）虽然前期模具制作费用较高，但毛坯铸造周期过程变短，可适合批量生产，班产铸造毛坯100件以上，每套模具可量产几千件甚至万件以上毛坯，从而使每件毛坯生产成本降低，现场制作毛坯内部组织致密无缺陷可达到1级精度以上，从而使成本与熔模铸造相当；

（2）铸件机械性能很高，抗拉强度可达260MPa以上，硬度达到HB90以上；

（3）铸件尺寸精度可达到CT7以上，表面光洁度很高,减少机械加工费用；

（4）铸件在成形时依靠压力控制充型速度，使铸件内部组织致密无缺陷可达到1级精度以上，铸件在铸造过程也可能出现砂眼、针孔，这与铸造工艺参数控制有关，在生产过程中对每件毛坯进行X光全面检查，毛坯合格率达到90%以上，避免在精加工过程才发现缩松、砂眼而带来的费用增加和影响生产进度；

（5）适合机械化批量生产。

3.5.2 压力铸造劣势

（1）由于压力铸造采用金属模具，因此前期模具制作需投入一定费用，而且模具的费用因产品结构的复杂程度变化较大，对于生产批量小的产品，其成本压力较大；

（2）产品不易进行较大改动，产品结构形式发生较大变化时，需重新修改金属模具结构，加工和铸造试制需要一定周期；当结构变化较大时，存在原铸造模具无法使用和更改的风险，需重新设计加工新模具，成本和周期都较高，不利于产品试制。

4　底座产品试制过程和经济效益验证

4.1 试制过程

基于以上分析，与航天科技集团研究在2014年5月份开始进行模具设计制作阶段，7月份开始进行产品试制阶段，经过3次的试制，毛坯成份、机械性能、X光完全符合产品要求，现已有150件产品经过最后精加工满足安装使用要求，化学成份、机械性能、X光检验结果如下：

（1）表化学成分（见表2）。

表2

（2）表化学成分（见表3）。

表3

（3）图试验结果：X光等级为0级（见图1）。

4.2 经济效益验证

经过以上压力铸造过程后，底座产品价格与熔模铸造方法进行对比如表4。

表4

5　结论

采用低压铸造工艺获得的底座产品，机械性能、内部质量、铸件成品率都提高了，降低生产成本，满足用户加工过程和使用要求，适合生产底座类产品。

参考文献：

[1]张士林,任颂赞主编.简明铝合金手册[S].上海科技技术文献出版社,2000(12).

[2]董秀琦主编.低压及压差铸造理论与实践[M].机械工业出版社,2003(01).

[3]中国机械工程学会铸造专业学会编.铸造手册第6卷特种铸造[S].机械工业出版社,2004(04).

作者简介：姜鸿滨（1963-），男，山东海阳人，本科，工程师 ，研究方向：铸造工艺与设备。