第3章精密成形技术

第3章精密成形技术精密成型技术是指零件成型后，仅需少量加工或不再加工(近净成型技术或净成型技术)就可用做机械构件的一种成型技术。它是建立在新材料、新能源、信息技术、自动化技术等多学科高新技术成果的基础上，改造了传统的毛坯成型技术，使之由粗糙成型变为优质、高效、高精度、轻量化、低成本、无公害的成型技术。它使得成型的机械零件具有精确的外形、高的尺寸精度和形位精度、低的表面粗糙度。精密成型技术具有以下特点：(1)可方便快捷地制出过去很难制出的结构件，为新产品的开发提供有力的技术支持，并具有对市场要求做出迅速响应的能力；(2)较理想地保留了材料组织的连续结构，提高了零件的机械、力学和物理综合性能；(3)近净成型尺寸及形位精度高，为后续采取高效率、高精度加工提供了理想的毛坯；(4)高效率、低消耗、低成本，为缩短产品开发周期、降低产品成本提供了有利条；(5)较传统成型产品改善了生产条件、减少了对环境的污染，是一种清洁生产技术。因此，精密成型技术将成为今后推广应用的重要绿色制造技术，是新工艺、新材料、新设备，以及各项新技术成果的综合集成技术。常见的少无切削加工技术包括：粉末成形技术、精密液态成形技术、精密固态成形技术、精密焊接技术，以及最近几年才发展起来的快速原型技术等。3.1精密液态成形技术铸造是一种液态金属成形方法。长期以来，应用最广泛的是普通砂型铸造。随着科学技术的不断发展和生产水平的不断提高以及人类社会生活、生产的需要，在继承古代铸造技术和应用近代科学技术成就的基础上，开创了许多新的铸造方法和工艺。使现代铸造技术朝着“精密、洁净、高效”方向发展。现代铸造技术以熔体洁净、铸件组织细密（性能高）和表面光洁、尺寸精度高、生产效率高为主要特征，可以简称为精密洁净高效铸造工艺技术。精密洁净铸造是采用各种特殊的工艺方法实现的。常见的包括:精密砂型铸造（组芯造型铸造、熔模铸造、陶瓷型铸造、壳型铸造），消失模铸造，高效金属型铸造（挤压铸造、压力铸造、低压铸造），半固态铸造，近终形状铸造等。3.1.1组芯造型技术组芯造型铸造技术(corepackagecasting)又称为精密砂型铸造技术，就是用一组装配好的砂芯代替砂型来生产铸件，这组装配好的砂芯就称为组芯，即组芯由单个砂芯组装而成，如图3-1所示。组芯造型技术与湿型砂铸造工艺相比具有尺寸精度高、大量减少砂循环、采用气体硬化单一芯砂系统(添加有机或无机粘结剂的芯砂可有效地回收，回收率达95%以上)等优点。造芯造型的主要工艺步骤包括:制芯、装配砂芯、浇注和凝固、后处理等。1.制芯组芯造型工艺中的砂芯主要采用树脂砂冷芯盒工艺制备，也就是将干净的石英砂与三乙胶等树脂混合，然后通过自动化的制芯中心将芯砂射入芯盒并吹二氧化碳气体进行硬化，然后取芯，制好的砂芯进入装配阶段(组芯)。在组芯铸造工艺中，铸件的浇口和冒口也是用制芯工艺制备的。如图所示为自动化的冷芯盒制芯中心。2．组芯目前有以下几种组芯工艺方法:粘胶、螺钉紧固、注铝和锁芯工艺。1）粘胶。这是最快速、最常用的组芯法，尺寸精度最高。其主要优点有:聚酷胶类型热熔粘结剂品种较多(粘胶熔化温度1400~1800℃，相应的粘度为2-4Pa·s)，粘结时间为3~4s,粘结处经按压后强度大增,在干燥的储存室中无储存时间限制;抗湿性能好，可抵御高潮湿空气,用量少，强度高,多种有效而经济的熔化装置。(2)注铝。简单连接处可以注铝，如预组合水套芯和圆筒芯。该工艺的优点在于落砂后用过的芯砂和金属铝不会混淆,回收后的铝可被再次熔化并使用。缺点是该工艺成本高且难以自动化。(3)螺钉紧固。螺钉紧固不适用于圆弧芯头。另外，螺钉不能被再利用。该工艺经济效益比粘胶法差，但比注铝好。(4)锁芯工艺。该工艺的优点是用一个通用芯固定预组合芯，但它同时也带来了问题。组合预组合芯必须使用昂贵的工装，通用芯生产的费用比热熔粘结胶及螺钉的费用高得多。另外，只有当组合预组合芯的工装没有被磨损时，缸体尺寸的精度才可被保证。大约射芯50000次后将出现尺寸偏差，必须进行检测、调整。图3-1组芯造型技术组芯过程可以实现完全自动化，目前最快的组芯速度是每小时160型。3．浇注和凝固组装好的砂芯可存放在缓冲区并通过自动运输装置连续输送到浇注流水线上进行浇注。为了保证浇注所需液态金属的供应，一般在浇注线上设置一个带塞棒的中间包，如图3-2所示。将组芯的浇口对准中间包的产口后，用液压提升装置提起塞棒，金属液通过浇道从冒口进入并充满铸型用激光控制器来控制浇注过程中金属液面的变化，并在铸型充满后发出信号将中间包塞住。在浇注过程中，冒口位于铸型底部，这主要是为了获得理想的凝固顺序，也就是说保证冒口部位的液体金属温度最高。浇注结束后将铸型反转，便可实现由铸件到冒口的顺序凝固，保证获得更加致密的铸件。4．后处理采用组芯造型工艺浇铸的铸件凝固刚结束、铸件还处于红热状态时，就可以连组芯和铸件一起送入热处理炉。在热处理炉中完成落砂和铸件的热处理。这样铸造余热得到有效的利用，明显提高能源的利用效率。组芯造型技术的应用，组芯造型是生产高尺寸精度铸造铝合金缸体缸盖的最新、图3-2（a）图3-2（b）最好的工艺之一。世界著名的汽车企业，如福特、马自达、大众、奥迪、雪铁龙等，已成功地运用该工艺。选择这种生产工艺的理由是:高生产率、高柔性(在切换发动机型号时)、高铸件质量稳定性、潜在的高自动化、最小的消耗。3.1.2压力铸造技术压力铸造简称压铸，它是在压铸机的承压室内浇注液态金属或半液态金属，使其在高压高速下填充铸型，并在高压下冷凝形成铸件的一种铸造方法。其常用压比为5~150MPa，金属液的流速达5~100m/s，填充时间极短（一般为0.01~0.21s）。高压、高速是压力铸造的根本特点。1、发展概况压铸技术的出现，迄今已有150年的历史。最初压铸是用于印刷文字的铸造，后来用于计算机和留声机上锡铅合金零件的铸造，1904年后才用于机械零件的铸造，20世纪20年代美国的Kipp公司制造出机械化的热压室压铸机，到了冷压室压铸机的产生，压铸的材料扩展到了铜、铝合金。20世纪40年代压铸技术进入工业生产。20世纪50年代大型压铸机的诞生，压铸技术才真正拓宽了广泛地工业应用领域。随着压铸机，压铸工艺、压铸模及润滑剂等压铸技术的发展，压铸合金也从最初的铅到锌、铝、铜、镁最后到铁合金的发展过程，随着压铸合金熔点的不断提高，压铸技术的应用会越来越广泛。目前压铸技术已广泛用于汽车工业、仪表、电气通信、家电和玩具等行业，并且能生产出形状复杂、薄壁精美的金属器件。我国压铸生产开始于20世纪50年代，发展于60年代到70年代，90年代后有了长足进展。我国多小型压铸，压铸合金以锌合金为主，多为家电、玩具等非受力件，在汽车、摩托车等机械设备零件的压铸所占比重较小，在压铸件的质量方面于国外相比仍有较大差距。2、压铸原理与压铸工艺压铸在压铸机上进行，压铸机一般由压型也称为压铸模、压室、射压系统等组成，压铸时把液态金属装入压室，射压系统推动压射头把液态金属高速压入压型，保持压力，结晶凝固后，压射头回退，由顶出机构顶出铸件。压力铸造的基本工艺流程如图3-3所示。3、压铸设备压铸机是压铸生产的主要设备，主要由合型机构和压射机构两部分组成。根据压室的不同，压铸机分为热压室和冷压室两类。热压室压铸机的压室与金属液的保温装置连成一个整体，只适用于压铸低熔点合金（如铅、锡、锌等合金）。热压室压铸机的主要特点是压铸生产工序简单，生产效率高，易于实现自动化，金属消耗小，工艺稳定，压入型腔的液态金属干净，无氧化类杂质，铸件质量好，但由于压室和冲头长时间浸泡在液态金属中，影响使用寿命，常用用于低熔点合金如锌合金制件的压铸。热室压铸机的工作原理图如图3-4所示。冷压室压铸机的压室与保温装置是分离的，压铸时从保温坩锅中舀取液态金属，倒入压铸机上的压室，然后进行压射。卧式冷压室压铸机的工作原理图如图3-5所示。它可用来压铸铝、铜、镁等熔点较高的合金。4、压铸生产特点1）可铸造结构复杂的薄壁铸件压力铸造的填充压力高，金属液流动速度快，因此，可获得极其复杂的薄壁铸件，并可直接铸出各种型孔、螺纹和齿轮轮齿等结构复杂的铸件。2）铸件机械性能好由于填充压力高，并在高压下冷凝结晶，因此，补缩能力强，铸件组织致密。同时，由于冷却快，铸件晶粒细小，机械性能好。3）充型极快，冷凝时间短，压铸生产率高。4）由于填充速度极快，型内气体难以排除干净，铸件中常有一些压力很高的小气孔。这些小气孔对铸件质量有一定的不良影响，如对压铸件进行热处理，小气孔中气体膨胀将使铸件产生变形，所以压铸件一般不进行热处理。5）压铸机和压铸模的投资大，同时由于受到压铸机规格（吨位）的限制，所以压铸只适用于大批大量中小型铸件的生产。综上所述压力铸造主要适用于大批大量中有色金属，小型铸件尤其是外形复杂薄壁铸件的生产。5、我国压铸技术展望1）开发新型压射控制系统。高速高压充型，是一个极其复杂的热态动力学过程。压铸件高质量、致密薄壁无气孔，在很大程度上与每次压射的稳定性和再现性有关，因此，必须开发新型的压射控制系统和安装靠近压型的热探测器和传感器。2）发展新的压射工艺。如半固态压铸、双活塞压铸、真空压铸、加氧压铸等都可以有效地减少铸件气孔和提高力学性能，使压铸件能够热处理。3）开发新型压铸合金。如金属基复合材料（MMCs）,这种合金具要高的比强度、比模量、耐磨和减摩性能、热强性和低的热膨胀系数，且工艺比较简单，成本低，应用上局限性小。其铸造的填充性好，表面质量令人满意。另外压铸镁合金、高铝锌基合金，也都具有独特的机械物理性能，且铸造性能良好。4）开展CAD/CAE/CAM系统的研究开发，为使填充和凝固更为精确快捷，同时实现压铸模的快速原型制造。3.1.3低压铸造技术低压铸造是液体金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，所以叫做低压铸造。1、发展概况低压铸造最早由英国人E.F.LAKE于1910年提出并申请专利。1950年以后由于汽车工业的发展，使低压铸造工艺和设备有了一个飞跃。汽车轮毂由于质量要求高，本身结构又适于低压铸造，而且需求量大，因此极大地推动了低压铸造技术的发展。英国在60年代率先发展低压铸造汽车轮毂，其后美国、日本、西德相继发展。1981年低压铸造汽车铸铝轮毂市场占有率仅4%，1994年扩大到40%，至2000年市场份额则扩大到了60%。2、低压铸造原理及过程低压铸造原理如下图3-6所示。它是向储有金属液的坩锅炉中通入2~7N/mm²压力的压缩空气或惰性气体，并作用在液面上，金属液自上而下通过升液管压入铸型型腔，并保持一定的压力（或适当增压），直到铸件凝固为止。然后去除液面压力，升液管及浇注系统中的未凝固金属液又在重力作用下流回坩锅。3、低压铸造过程低压铸造的工艺规范包括充型、增压、铸型预热温度、浇注温度，以及铸型的涂料等。金属材料熔炼→封闭炉体→制备模具→预热模具→制备复合型芯→合模→低压浇铸成型→高压补缩、保压→铸件成型后→放气→结晶凝固→开型→取出铸件→清理。4、低压铸造的特点1）提高了铸型寿命和铸件质量低压铸造既克服了重力铸造流动性差、铸件成形不良和易形成缩孔及缩松的缺点；又克服了压力铸造填充速度过快，对铸型型腔的冲刷作用大，使铸型寿命降低和易在铸件上产生气孔的缺点。2）浇注和凝固压力可根据需要进行调整，由于填充压力适当，可适用于各种铸型（金属型、砂型等）。3）有较好的补缩作用由于在压力作用下充型，冷凝、能对浇口起补缩作用；且能实现自上而下的顺序凝固，铸件组织致密，机械性能好。4）采用金属铸型则生产效率高，应用较广进行低压铸造需解决坩锅以及坩锅与铸型间的密封问题。当采用砂型时，铸型安装比较麻烦，生产效率低，应用较少；采用金属铸型则生产效率高，应用较广。低压铸造的铸件精度和表面质量取决于所用铸型的种类。5）低压铸造设备简单，投资少,易于实现。5、低压铸造设备低压铸造设备一般由保温炉及其附属装置，铸型开合系统和供气系统三部分组成。（如图3-7所示）按铸型和保温炉的连接方式，可分为顶铸式低压铸造机