薄壁铸件及其反重力成形技术

[摘要]　介绍了薄壁铸件的概念和基本特征。根据传热学和流体力学原理，用集总参数法导出了考虑到耦合传输条件下反重力充型工艺参数的计算公式。研究表明，反重力充型参数与合金性质，铸件几何形状及铸件与铸型之间的热交换有关。给定浇注温度和铸型温度，可按所导出的公式计算出充型速度。
关键词：　薄壁铸件　　铸造　　反重力　　成形　　铝合金

[Abstract]　In this paper, the basic concept and characteristics of thin-walled costings are introduced. The calculating formula for the parameters of mold-filling under counter-gravity is drived, which takes the coupling transfers into consideration, by means of lumped parameter metnod according to heat transfer and hydro dynamics, The study indicates that the parameters of mold-filling under counter-gravity are related to the alloy properties, geometry of castings as well as the heat exchange between casting and mold. With the pouring temperature and the mold temperature given, the mold-filling rate can be determined by the derived formala.
Keywords:　thin-walled casting　　casting　　counter-gravity　　mold-filling　　aluminium alloy

1　概述

　　薄壁铸件是铸造技术的发展方向。在汽车、航空、航天、电子等领域实现铸件，特别是轻合金铸件的薄壁化具有更重大的意义。充型是薄壁铸件制造技术的关键。借助于离心力、电磁力、压力等外力充型的铸造方法正在取代传统的重力铸造法。其中反重力铸造法最具有优越性。本文首先阐述了薄壁铸件的基本概念和特征，然后介绍反重力充型的工艺参数计算及相关的技术问题。

2　薄壁铸件的基本概念和特征

　　薄壁铸件是个相对概念。它并没有说明铸件的壁厚究竟为多少才算作薄壁铸件。但相对于厚大铸，件来说，薄壁铸件至少具备以下几个特征：
　　①　在薄壁铸件的浇注过程中，由液态金属表面张力引起的拉普拉斯力占有重要作用。设液态金属的表面张力为σ,铸件的壁厚为δ,拉普拉斯力P的表达式为P=4σ/δ。研究表明，对铝合金平板类铸件来说，当铸件的壁厚大约小于4mm时，拉普拉斯力将对充型的流动状态产生很大影响。对于大型薄壁铸件，粘滞力的作用也将变得不可忽视。各种合金的临界壁厚值如下表所示。表中的数值是以液态金属与型壁完全不润湿为前提进行计算的。事实上，不同的造型材料，由于润湿角不同，临界壁厚的数值也将有所变化。

表　某些有色金属的临界壁厚值       mm

材料AlMgCuZn临界壁厚4～55.5～63.5～43.3～5

　　②　薄壁铸件应具有精密铸件的含义。因为对于壁厚仅仅几毫米的薄壁铸件，不可能设置过大的加工余量或工艺裕量。所以薄壁铸件应该是精密铸件，其尺寸精度（用公差等级表示）应低于CT6(HB6103-86)。
　　③　传热学因素在充型过程中起重要作用。充型时流动过程和传热过程相互影响。铸件的温度场以及缩孔，疏松、欠铸、冷隔、氧化夹杂等铸造缺陷的形成由流体动力学因素和传热学因素共同确定。

3　反重力充型的工艺参数

　　反重力充型的基本特征是液态金属在压力差的作用下克服重力和其他表面力而充填型腔。反重力充型参数主要有充型压力、加压速度（充型速度）、浇注温度和铸型温度。这4个参数可分为两类，一类为热参数，如铸型温度和浇注温度；另一类为流体动力学参数，如充型压力和充型速度。充型压力主要取决于铸件的结构、形状、壁厚以及型腔的排气能力，合金液的物理特性等等，而充型速度则与热参数有密切的关系。如果Bi准数远小于0.1(薄壁铸件一般都满足这一条件),则可认为流动截面上温度梯度为零。在这种情况下，可用集总参数法导出铸件截面上任一微元体的热平衡方程；

α(T-T₀)ds^.dt=-dv^.ρ^.с^.dt      (1)

　　式中　α——换热系数；
　　　　　T——微元体的温度；
　　　　　T₀——铸型温度；
　　　　　s——微元体与铸型接触的面积；
　　　　　v——微元体的体积；
　　　　　t——时间；
　　　　　ρ——合金液的密度；
　　　　　с——合金液的密度和比热。
　　将式(1)积分变量并分别应用于铸件中相邻的第i,(i+1)和(i+2)部分，可得：

T_i=T_i+(T_i+1-T_i)exp(Ω_i)　　　　　　　(2a)
T_i+1=T_i+1+(T_i+2-T_i+1)exp(Ω_i+1)　　　　(2b)
T_i+2=T_i+2+(T_i+3-T_i+2)exp(Ω_i+2)　　　　(2c)

　　令T_n+1为合金的液相线温度T_l,T₁为合金的浇注温度T_p，利用以上的递推关系，可得：

      (3)

式中，Ω_i=αh_i/(R_iρсω_i)
　　　　h_i——型腔第i部分的高度；
　　　　R_i——铸件i部分的模数。
　　　　ω_i——液体通过第i部分时的流速；
　　如果铸型的各部分具有同一温度，即T_i=T₀,则可推出：

      (4)

式中，ΔP——充型压力，它用来平衡重力、拉普拉斯力和水力学阻力；dP(t)/dt为加压速度。
　　式(4)即为考虑了传热的充型工艺参数的计算公式。该式的意义是将一个形状复杂的铸件化为体积为V,表面积为S的简单铸件进行计算，因而便于在实际生产中应用。尽管从数学的角读来说。方程(4)可以有无数组解，但各参数都有自己的取值范围。对于铝硅类铝合金反重力铸造而言，680～730℃是较佳的充型温度范围。过高则易造成氧化吸气，元素烧损和缩孔疏松；过低则降低合金的流动性，易造成铸件轮廓不清并产生流痕。铸型温度太高，使凝固速度降低，铸件组织粗大，气密性差。金属型薄壁铸件对铸型温度最为敏感。研究表明，对于金属型薄壁铸件，应将其预热至接近热平衡温度方可浇注，同时还应保持一定的浇注频率，使铸型始终处于热平衡状态。过高的加压速度将增大速度振幅，在铸件横截面急剧变化时甚至会引起喷射，反重力充型速度一般不应超过1m/s。
　　以飞机发动机某铝合金铸件为例。铸件轮廓尺寸为230mm×195mm×55mm,重量700g。采用熔模壳型铸造法。合金成分为：Si:7%,Mg:0.3%,Ti:0.2%,其余为Al。首先，根据零件的三维CAD造型和有关程序计算出铸件的模数(R=2.16)，并确定浇注系统各单元的尺寸，然后，根据给定的浇注温度(700℃)和铸型温度(250℃)，按式(4)计算出加压速度dP(t)/dt=2000Pa/s。

4　结束语

　　本文提出了薄壁铸件的概念并阐述了其基本特征。认为，拉普拉斯力是影响充型的主要流体动力学因素。在Bi数远小于1的情况下，可以用集总参数法导出充型方程并进行充型工艺参数计算。由于反重力铸造具有充型速度可调的特点，因此，在确定工艺参数时，应该首先确定浇注温度和铸型温度，然后，精确调定充型速度（由加压速度确定）。经铝合金的生产实践表明，所提出的方法是较成功的。