低压铸造工工艺特点及发展应用_就上UG网

低压铸造法的雏形可以追溯到上世纪初。适用于铝合金是1917年在法国，1924年在德国提出的申请，但并没有形成大规模的工业生产。为商业的目的而开始生产是在二战以后的1945年，由英国的路易斯先生创立了阿鲁马斯库公司，开始生产雨水管道、啤酒容器等。在那以后的五十年代里，奥地利和德国开始生产气缸头。1958年美国的泽讷拉路默它斯在小型汽车的发动机零件上（气缸头、箱体、齿轮箱）大量运用了铝合金铸件，并采用了低压铸造法。这件事对至今仍广泛采用的低压铸造法而言是不可或缺的推动，特别是在全世界的汽车工业界引起了极大的反响。低压铸造法被介绍进我国是1957年左右，但真正引起业界的注意，开始进行各种研究、引进设备是从1960年左右开始的。但是这种打破了以往常识的划时代的工艺方法，几乎没有冒口，与已经作为一种“技术”确立起来的重力金型铸造的技术相比具有完全不同的难度，因此业界的反应比较冷淡。

低压铸设计

发展历史：
在这种状况下，1961年的轻型汽车用空冷气缸头的生产成为低压铸造法在我国实用化的开端。以后的发展非常迅速，在克服了多个技术难题后，利用低压铸造法所具有的材料利用率高、容易实现注汤自动化等优点，以汽车部件为中心，逐步确立了轻合金铸件的主要铸造法的牢固地位。在铝合金铸件的生产量中，低压铸造品已占了大约50%，并以其巨大的生产量和优良的品质而著称于世。产品扩大到汽车相关部件，如气缸头、气缸体、刹车鼓、离合器罩、轮毂、进气岐管等。特别是1970年以后大量应用在轮毂上，并且随着汽车轻量化和提高性能等要求，在以往从未有过的复杂内部品质和机械性质的严格要求下，气缸头、气缸体上的使用也逐渐增加。

低压铸原理

基本原理：
在密闭的保持炉的熔汤表面上施加比大气压大0.01~0.05Mpa的空气压力或惰性气体压力，熔汤通过浸放在熔汤里的给汤管(升液管)上升，被压进与炉子连接着的上方的模具内。熔汤是从型腔的下部慢慢开始充填，保持一段时间的压力后凝固。凝固是从产品上部开始向浇口方向转移，浇口部分凝固的时刻就是加压结束的时间。于是就凭借浇口的方向性凝固和从浇口开始的冒口压力效果得到了完美的铸件。最后当铸件冷却至固相温度以下便可从模具中取出产品。

低压铸

工艺原理：
低压铸造装置如图1-38a所示。缓慢地向坩埚炉内通入干燥的压缩空气，金属液受气体压力的作用，由下而上沿着升液管和浇注系统充满型腔，开启铸型，取出铸件；

技术特点：
（1）浇注时的压力和速度可以调节，故可适用于各种不同铸型（如金属型、砂型等），铸造各种合金及各种大小的铸件。
（2）采用底注式充型，金属液充型平稳，无飞溅现象，可避免卷入气体及对型壁和型芯的冲刷，提高了铸件的合格率。
（3）铸件在压力下结晶，铸件组织致密、轮廓清晰、表面光洁，力学性能较高，对于大薄壁件的铸造尤为有利。
（4）省去补缩冒口，金属利用率提高到90～98%。
（5）劳动强度低，劳动条件好，设备简易，易实现机械化和自动化。[1]
优点和缺点（相对重力金型铸造而言）

优缺点

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优点：
1）铸造利用率非常高。（85~95%）
由于没有冒口和浇道，浇口较小，因此可以大幅度降低材料费和加工工时。
2）获得完美的铸件。
容易形成方向性凝固，内部缺陷少。
3）气体、杂物的卷入少。
可以改变加压速度，熔汤靠层流进行充填。
4）可以使用砂制型芯。
5）容易实现自动化，可以多台作业、多工序作业。
6）不受操作者熟练程度的影响。
7）材料的使用范围广。
表5.1 各铸造方法材料利用率

工艺方法	重力金型铸造	高压铸造	低压铸造
材料利用率（%）	45~55	50~60	85~95

模具设计

缺点：
1）浇口方案的自由度小，因而限制了产品。
（浇口位置、数量的限制，产品内部壁厚变化等）
2）铸造周期长，生产性差。
为了维持方向性凝固和熔汤流动性，模温较高，凝固速度慢。
3）靠近浇口的组织较粗，下型面的机械性能不高。
4）为了保证浇口形状和位置，需要全面的严密的管理（温度、压力等）

低压铸造

主要构成：
低压铸造机由以下四种要素构成：
1）模具
2）保持炉（内藏给汤管）
3）模具开关机构液压接头及控制装置
4）炉内压力控制装置

模具
（1）铸造方案
低压铸造品的设计基本要求是将壁厚整体平均化，或是将壁厚的分布考
虑容易实现方向性凝固的地方。也就是说对于浇口而言，断面从小到大逐渐变化是产品设计的必要条件，因此如果产品的性能上无法进行这种设计时最好避开使用低压铸造法。在气缸头、气缸体、轮毂等产品中普及使用这种铸造法的第一理由就是形状上容易达到方向性凝固。
铸造方案还算比较单纯，充分考虑铸件整体的方向性凝固和浇口周围的冒口效果的浇口位置、大小、数量的设定也是非常必要的。浇口的位置应该是铸件整体的最大壁厚部位，并且要设在从熔汤前方和上方可能达到方向性凝固的部位。因产品形状、大小等原因浇口数量有所差异，但通常是1-4个。在远离浇口的位置如果壁较厚冒口无法到达时，有时也加上无顶冒口或过渡桥
（图5-2）。但是水冷气缸头的形状变得复杂，要想达到理想的壁厚分配是非常困难的，方案上对这些问题进行为维持方向性凝固的严格的温度控制和条件管理等，根据情况还可以在成为热点的部位进行空气、水等的冷却或埋入冷铁。
浇口的截面积对于防止熔汤乱流以便更好地充填模具空间而言是非常重要的因素。最小截面积a的公式如下：
a=W´10/[T´m´Υ´（2´g´H）] (1)
a=浇口的最小截面积
W=铸件的重量（kg）
T=从浇口处开始的浇铸时间（S）[充填时间]
m=熔汤的比重（2.4~2.5）
Υ=电阻系数（0.3-0.4）
g=重力加速度（9.8m/s）
H=压力头(m)（熔汤面到产品上端的高度）

低奢铸组成

在图5-3中a部截面做成圆形是较理想的，但事实上由于产品形状的限制经常是不得不做成不规则的形状。在这种情况下为了防止该部分的过冷，最小截面积最好应是浇口附近产品壁厚的2倍以上。浇口的高度h比较低时可以得到较大的因浇口处热量提供和加压而引起的补缩效果，而且也容易实现方向性凝固，但这是防止氧化物的滤渣网的固定部位，由于因铸造条件的变动引起浇口长度的变化，因而一般情况下考虑30-40mm较多。
（2）模具结构上特征

低压铸造模具的浇口在下面，如图5.4所示，下型部分通过给汤管与保持炉连结，所以不能使用挤压结构，而采用把铸件放在上型或横型里的方法，下型的温度很高，因此拔模斜度需要比其它模具做得大一些。
模具内部的空气、砂芯产生的气体需要充分考虑分型方法和排气道等，应该在尽量减少随着熔汤充填而产生的背压的情况下排出去。如果背压高到影响加压速度时，会产生熔汤流动不良、表面缩孔等，因此希望控制在0.002Mpa以下。

关于凸台、加强筋、叶片等形状的部位，可以考虑嵌入式排气孔插入模具。在分型面和平面部设计排气槽，再加上排气孔、拉深加工等手段尽量做到排气良好的设计。排气例见图5-5。另外砂芯产生的气体量较大、时间也较长，可以在模具结构上设计确定的排气路线，追加吸引机构。



保持炉

图5-6显示了实用使用的3种类型。
（1）铁坩锅炉
这是实用化早期的炉型，操作简单，因此仍大量使用，但由于铁慢慢熔解会增加熔汤铁的含量，所以必须定期（1个星期）进行涂层处理。另外，它不适合用于高纯度合金的铸造。
（2）石墨坩锅炉
由于不能对石墨坩锅直接施加压力，因此这是一种对炉子整体加压的构造。由于腐蚀少，所以可以连续用90-120天左右。但缺点是用钠进行改良处理时，坩锅的寿命会变短。
（3）耐火材料炉
这种炉的使用随着铸件的大型化、1模多个的推进而逐步增大了。因为气密
室整体构成了炉体，所以容积大（700-1000kg），熔汤的补充次数少。连续使用时间长，铸造条件稳定，热源有加热熔汤面的辐射式加热器和保护管浸入熔汤直接加热的浸泡式加热器两种。
浸泡式加热器耐火材料炉由于是用浸泡式加热器直接加热熔汤，与辐射式耐火材料炉相比，热效率高出40%以上，电力消耗少，熔汤温度变化非常小，控制适应性高。因为空气温度较低，所有氧化物的产生也较少。因为加热器管的寿命、维护保养的不方便及成本高等问题影响了使用的普及程度，但从节省能源的观点来看今后会很快地普及使用的。但是由于采用耐火材料炉与采用铁坩锅相比，从熔汤表面和坩锅传来的热量变得非常少，模具温度分布会发生变化，上下模具之间的温差坡度也变小，因此有必要开发适合这种设备的铸造方案。

给汤管：
这是将熔汤从保持炉引向模具的管子，截面积是Æ80-Æ120mm左右的圆或
椭园形。以前是以铸铁表面加上涂料的为主，但因烧损会增加熔汤铁的含量，
给汤管自身的寿命变短，所以陶瓷制的给汤管逐渐成为主流。但是成本高、抗热冲击性能差、异形截面形状成形难等是需要探讨的课题。

低压铸工艺

发展方向：
低压铸造法从被大量使用以来已经30多年了，已确立了铝合金铸件的重要工作法之一的地位。特别是在气缸头中的作用巨大，今后低压铸造仍会是主流方法。
从空冷小型发动机的气缸头开始，到水冷化、多气筒化、功能的扩大、DOHC化和材料重量的增加，并且形状越来越复杂，壁厚变化也加大，铸造的难度也逐年增加，同时为了降低成本进行生产性改善，考虑了1模2件、交换模具时工序改进、动模速度提高和与后处理工序的结合等，冷却控制和加压控制等技术也逐年提高，已出现了包括砂芯的搬运和组装在内的完全自动化线，这同时也从高温作业解放出来，改善了作业环境。
根据以上内容，可以考虑以下气缸头铸造技术的课题：
1）提高材料强度（直喷式汽油机、柴油机气缸头的铝合金化推进）
2）生产性的提高（提高控制技术、后处理线的同步化、全自动化生产线的推
进）
3）其他品种少量生产对策（包括模具准备工序的缩减、中子造型和后处理的
紧凑的生产线设计）
4）缩短开发时间
5）技能的延续（上涂料、铸造条件的调整等）
关于1）项，如何对下型进行冷却是重点，但以往的技术在低压铸造中很
难应用，所以认为更适合采用重力铸造。因此例2是最大限度地发挥了低压铸
造的优点克服了问题点的实际例子。在欧美国家气缸头的主要铸造法仍是重力铸造法，所以为了扩大今后的市场必须解决这个问题。
关于2）和3）项，这是随着FA技术的进步必然要发展的问题。考虑到铸件的高强度化和高生产性化的要求，条件控制会变得比更复杂，因此紧凑的自由度高的生产线结构可以保持综合的高水准。
关于4）项，重点在于需要在设计初期阶段和用户共同开发以及积极运用CAE技术。
最后的第5）项是最紧迫的项目，越推进自动化和无人化，这个问题越显得重要。由于很难定量数据化，而且与经验有关的项目较多，所以地道的技能教育和继承是很重要的。同时为了达到定量化控制而进行的基础研究和开发也同样重要