大型薄壁高强铝合金异型舱壳精密砂型铸造成型关键技术应用研究

作者:王华侨 王永凤 宋豫娟 郭玉等 点击数:54 发布时间:2019-04-25
通过采用高纯原料、合金成分优化、织细化、合金熔体纯净化处理和热处理优化,ZLll4A合金的性能大幅度提高。
大型薄壁高强铝合金异型舱壳精密砂型铸造成型关键技术应用研究

在“高档 数控机床与基础制造装备”科技重大专项支持下,“航天高升阻比超高速复合材料防隔热层弹舱舵翼成型制造示范线”课题(编号:2017ZX04009001),针对某系列大型薄壁高强铝合金网格筋异形舱壳整体精密铸造关键技术展开了联合攻关,克服了传统制造方案无法实现或实现成本高、周期长及管理难的缺点,满足了项目要求。同时,也为同类结构产品的整体精密铸造带来了借鉴,提升了国内大型高强铝合金复杂构件的精密铸造技术。

产品结构特点

1. 产品结构特点

如图1所示,某异形舱壳采用网格筋骨架+蒙皮结构,轴向长度1200mm,横截面为 Ω形对称结构,舱壳内侧分布有高20~30mm、宽6~10mm、整体壁厚2.5mm±0.5mm的加强筋。由于外形尺寸大、结构复杂、壁薄且内形为T网格筋结构,因此产品刚性较弱,无法采用常规加工、焊接工艺和整体锻造等方法实现。如采用传统的蒙皮成型+网格筋铆接方案,存在整体性能差、材料利用率低、制造工序多、加工周期长和成本高等缺点,而整体精密铸造则具有整体性能好、制造成本低、质量一致性好及可批量生产的优势,并可保证在内型面及网格筋侧面不加工的前提下,在舱壳外表面、两端面、两端框内形和所有的单机安装面为机械加工留出余量。

结构示意图
图1 高强铝合金薄壁异形舱壳结构示意图

2. 技术指标

异形舱壳铸件材料为ZL114A,砂型铸件化学成分应符合QJ3185-200规范、满足GB/T9438-1999《铝合金铸件》Ⅰ类要求。同时,铸件的表面质量和内部质量要满足GB/T9438-1999标准,根据GJB1965-1993标准热处理至T6状态,在舱壳前后端框及蒙皮本体上的取样部位不少于3处,常温及高温状态下的拉伸/屈服强度指标不低于HB962-2001标准的要求。

(1)舱壳铸造技术指标:残余应力去除量不低于70%,材料热处理后氢含量不大于0.015%;壳体铸造加工余量小于5mm,控制目标3mm;铸件内型轮廓度由铸造保证,不小于0.5mm;铸件重量偏差控制在±4%;铸造合格率≥90%。

(2)铸件物理性能及力学性能:在铸件上切取试样,在常温、150℃和200℃的温度下测试力学性能,要求砂型铸件在常温下的延伸率大于6%,融模铸件在常温下的延伸率大于4.5%,见表1。

表1  铸件力学性能指标

温度(℃)

力学性能

 

铸造类型

抗拉强度σb­MPa

屈服强度σ0.2   MPa

伸长率δ5%

20

≥320

≥280

≥6

砂型铸造T6

20

≥290

≥250

≥4.5

熔模铸造T6

150

≥270

≥240

≥4

熔模/砂型T6

200

≥220

≥180

≥3.5

(3)舱壳几何尺寸精度指标:产品尺寸1200mm±0.4mm,大端对角线1160mm±0.2mm×726.8mm±0.2mm,小端对角线1006mm±0.2mm×677.6mm±0.2mm;大小端与理论中心轴线同轴度≤0.3mm,外表面轮廓度≤0.4mm,外形面对称度≤0.3mm;壳体壁厚3mm±0.5mm,允许铸件局部厚≤1mm,允许打磨内表面;4个安装孔尺寸精度要求高,内孔直径φ80 mm(+0.005mm,+0.025mm),同一装配面孔同轴度0.02,垂直度0.1;热处理时效后,铸件的型面轮廓度和对称度降低均≤0.20mm。

总体制造工艺流程

通过技术攻关,突破了大型薄壁网格筋异形铝合金结构舱壳精密铸造技术的系列难题,掌握了弱刚性铝合金网格结构舱壳加工变形控制技术及敏捷性装夹技术、弱刚性铝合金网格筋舱壳热处理应力均匀化控制技术,以及三维数字化扫描、在线测量等高效检测技术,形成了大型舱壳精密铸造成形与加工检测系列关键成套技术。

1. 舱壳制造总体工艺流程

各舱壳成形后,需要达到设计指标,满足内部质量、强度性能指标、外形精度、质量特性(质量质心质偏)、安装面精度及总装对接等使用要求。工艺流程为:铸造、热处理、加工、检测(形位公差检测、X光检测和荧光检测等)和装配。其中,铸造各舱壳骨架时,内型面及网格筋侧面直接铸造到位,舱壳外表面、两端面、两端框内形和所有的单机安装面均留余量,通过机加工来保证尺寸。舱壳铸造后,首先要热处理,然后检测内部质量及性能,再进行加工。加工过程中,根据实际情况增加退火工序,最后进行产品的总装对接。

2. 舱壳铸造工艺流程

舱壳铸造工艺流程为:绘制铸件图→制作并验收工装模具→制芯、造型→刷涂料→下芯、合箱、冶炼→浇注→落砂→切割浇冒口→打磨→喷砂→粗加工→尺寸检查→X射线探伤→补焊→X射线探伤→固溶处理→尺寸检查(校形)→时效处理→精整→尺寸检查→喷丸→成品检验→首件鉴定。

3. 舱壳机加工工艺流程

舱壳机加工工艺流程为:五坐标加工中心铣两端面(见光)→铸件毛坯检测(三维扫描与零件模型比照,确定加工坐标系)→五坐标加工中心粗加工→检测(三维扫描与零件模型比照,确定加工坐标系)→五坐标加工中心精加工→钳工(加工螺纹孔、去除多余物)→检验(三维照相扫描)→荧光探伤→阳极氧化→终检。

4. 舱壳检测技术方案

大型薄壁高强铝合金异形整体舱壳的成形和精密加工,均需要检测内部质量和外形整体尺寸。整体舱壳成形后需要检测:内部是否存在裂纹、冷隔、穿透性疏松和密集型孔洞;非机械加工面尺寸分布及余量分布是否满足要求。舱壳精加工后要检测:加工部位及关重件部位内部是否存在裂纹、孔洞和疏松;舱壳加工部位的几何尺寸。通过分析检测数据,可有效控制铸件毛坯质量,为快速精密加工提供数据支持。

铸造工艺难点分析

1. 舱壳铸造难点

(1)浇注成形困难:铸件壁厚小,金属液的表面张力对充型阻碍非常大;镂空框架的铸件结构复杂,浇注时金属液流程长,热量散失快。

(2)冶金质量和性能控制难度大:铸件壁薄,浇注时需提高金属液的温度和充型速度,但温度高易产生疏松,充型速度快易出现气泡、夹杂等缺陷;铸件局部有厚大凸台,由于整体壁薄、补缩通道狭窄而不易补缩,厚大部位易出现局部疏松缺陷。

(3)薄壁铸件尺寸精度控制难度大:铸件结构复杂,砂型由多块组成,为保证尺寸精度,要求砂型(芯)定位必须非常准确。此外,由于铸件为镂空框架结构,中间无支撑,因此热处理变形控制困难。

2. 整体铸造潜在问题

因异形舱壳内型面均不加工,外形余量较小,因此收缩率的设置非常重要,过大或过小都会对骨架的强度、刚度和重量带来不利影响。由于铝合金自身的材料特性以及铸造工艺特点,导致不能按各向同性进行比例收缩,需要通过摸索,确定X、Y、Z等不同方向的收缩率。

设计浇注系统时,要充分考虑充型的可靠性,确保充型顺畅和充满。需要结合产品的结构特点,综合考虑:采用重力铸造还是离心铸造?采用顶注式浇注、底注式浇注还是混合型浇注?设计铸件毛坯时,要综合考虑产品的结构特点、加工余量、浇注系统和充型模拟等,必要时可局部增加筋板来提高铸件刚度,并确保浇注顺畅。如果不能铸造出两端框上的U型槽,过大的壁厚则易导致铸造缺陷。

产品尺寸方面,除要合理控制总体收缩变形外,模具的总体结构设计与装配也非常重要。控制骨架各网格筋的位置度和壁厚尺寸精度,需要统一协调好设计、加工、铸造和模具的基准;控制骨架内型面各面内平面度、面与面之间的角度、大小端面的平面度和平行度、对称边尺寸的对称性等,要系统考虑铸件毛坯、浇注系统和模具的设计与制造。

产品变形方面,大小端的不同收缩可能导致锥度变化;锐角与钝角因结构刚性不同,可能导致产品压缩变形,即钝角变大,锐角变小;大小端的同轴度不一致,可能导致错位变形。因此,在模具设计与制造过程中,要充分考虑大小端的同轴度,确保模具型面组装后的整体精度。

总之,骨架整体成形难主要体现在各工艺阶段的变形,包括:模具制造误差导致的变形、铸造热应力导致的收缩变形、热处理的强化变形、去浇道后刚度衰减导致的弹塑性变形、退火后的热变形及机加工变形。

3. 异形舱壳铸件质量控制措施

根据薄壁壳体铝合金铸件结构特点、技术要求和铸造难点,预期可能出现下列问题:内部铸造缺陷超标、本体附铸试样力学性能不达标、残余内应力难以控制和消除、变形和尺寸精度难以控制。根据目前的技术和设备能力及以往经验,前两个问题完全有能力解决,后两个问题存在一定难度,需采取一些工艺措施。

铸件残余内应力的形成主要有两个原因:一是在凝固时发生线收缩,包括:收缩时受型芯阻碍而产生内应力;不同厚度部位的冷却速度不同,导致收缩不一致而产生热应力。这两种应力在后续固溶保温过程中因松弛而消失,但可能引起尺寸变化。二是铸件在淬火过程中因组织应力(由固溶畸变等形成)和冷却速度不一致而产生热应力,这些应力将残留在铸件内部,形成残余应力。总之,残余应力的危害很大,如未均化或消除,会使铸件在搬运、加工和使用过程中发生变形,引起尺寸失效甚至开裂。消除残余应力有3种方法:人工时效、振动时效和自然时效。

上述控制铸件残余内应力的工艺手段,同样也可用于控制铸件变形,再配合使用优化设计的限位和校正工装,使薄壁壳体的变形得到控制。由于铸件内表面为非加工面,铸造时如收缩量控制不当,则难以保证尺寸,而布置不合理的浇注系统,也会导致产品变形大,后续加工难以保证壁厚。为此,采取了如下措施:凭借经验及试验摸索,选择合适的缩量范围;在仿真分析的基础上,确定合理的浇注系统,减少变形,并协调好后续加工余量,防止壁厚太薄;优化铸造模具结构,加强检测控制。

为满足薄壁壳体的尺寸精度要求,必须尽量减小铸造和淬火过程中产生的应力,可从3方面考虑铸造工艺设计:通过缝隙浇道与冷铁的配合使用,保证铸件整体的同时、均衡凝固,局部顺序凝固,以减小铸件不同部位凝固速度不一致而产生的热应力;采用碱性树脂,或在制芯时添加有退让作用的添加物,令型芯具备良好的退让性;对铸件局部结构进行调整,增加工艺补增量或工艺拉筋,使铸件结构对称、均匀,整体刚度高,从而确保收缩均匀。

铸件骨架型面为单面加工,内型不加工,且由于网格筋较多,网格为非加工面,因此重量控制难度大。措施是,保证铸造时最薄厚度符合要求,然后控制总重量。零件超重时,打磨偏厚部位。针对铝合金材料打磨效率低的问题,选择合适的工具和方法。

第三,制定热处理工艺。通常,影响热应力的工艺参数有:淬火介质、介质温度和铸件入水方式。尽管在铸造和热处理过程中,薄壁壳体铸件的残余内应力难以控制,但淬火瞬间温差造成的组织应力和热应力是难免的,可在机加工前通过时效方法加以减轻、均化或消除。薄壁壳体铸件研制周期短,只能采用人工时效或振动时效。人工时效消除组织应力和热应力的效果明显,其保温温度和时间可由试验获得。振动时效的应力均化效果明显,能消除应力集中,减小加工或使用中的变形。

4. 舱壳铸造方案的阶段控制

由于各大型骨架的铸造在国内尚属首次,从暴露的问题看,需要在以下9个阶段进行控制:

阶段1,铸件图设计:结合产品结构特点,合理选择铸造方式(砂型铸造、融模铸造),确保铸件性能满足要求。然后依据产品结构、设计基准和机加余量设计铸件毛坯(铸件图),预测产品铸造后的变形,采取合理的细节控制措施。

阶段2,铸造模具设计:首先依据铸造方式和铸件图设计浇注系统,并通过铸造模拟优化浇注系统,包括优化铸件图,比如,增加筋板来提高刚性,减小变形;通过优化流道来保证充型完整,避免铸造缺陷。然后,依据铸件图、铸造方式、浇注系统和铸造收缩率等设计铸造模具,对于非对称结构且空间尺寸差异较大的铸件,X、Y、Z方向的收缩率设置很关键。

阶段3,模具制造与检测:首先依据模具结构设计制定模具制造工艺,并根据模具的复杂程度制定合理的模具加工与装配工艺,然后根据铸件和模具的复杂程度,制定模具的检测方法(手工检测、三坐标检测和扫描检测),检测分为部件检测和装配后的检测。

阶段4,骨架整体砂型挤压铸造:准备、浇注、去砂及去型腔外部浇道。

阶段5,固溶处理及T6热处理,去除防热处理变形工艺支撑。

阶段6,力学性能检测,包括铸造缺陷检测、产品几何外形检测和本体力学性能检测。

阶段7,去浇道后的几何外形检测。

阶段8,骨架机械加工包括三维检测、基准协调、产品加工、产品检测及加工过程质量控制。

阶段9,批产优化提高:对铸造前的模具检测、对铸造后(热处理前)的状态、热处理后(去浇道前)的状态、退火后(去浇道后)的状态分别进行产品外形检测,然后对骨架的铸造工艺、模具结构设计与制造等进行优化。

核心关键技术解决方案

大型薄壁异形舱壳整体精密砂型铸造成形工艺涉及的关键技术包括:

(1)舱壳铸件设计:承力筋与蒙皮的主次关系,壁厚、筋宽筋高、圆角,取样部位的设计,总体指标要求,壁厚检测标准。

(2)铸造工艺设计:铸造余量、铸造基准和加工基准、收缩率。

(3)浇注系统设计:主浇道、横浇道、冷隔和冒口等。

(4)模具设计与制造检测:模具加工装配后,进行三维检测。

(5)浇注工艺控制与铸件三维扫描:铸件完成后,进行三维扫描,验证收缩率设置是否合理。

(6)热处理工艺规范:按照标准的ZL114A铝合金T6状态实施。

(7)淬火工艺及工装设计:设计合理的防变形工装是防止淬火过程中铸件产生大变形的重要措施。

(8)加工时的基准转换:因内轮廓无法检测,加工过程所采用的凸台基准需根据壁厚分布情况适时调整。

(9)加工的轨迹设计与切削参数及变形控制:根据产品结构特点,选择合理的刀具和加工方式,确保加工变形小,加工基准合理,规避反向调整。

1. 异形舱壳铝合金精密铸造技术

通过研究大型薄壁铝合金网格筋异形舱壳精密铸造技术,解决铸造变形问题,控制铸件尺寸精度,保证铸件充型平稳可控,减少气孔和夹杂;保证铸件的顺序凝固,消除缩松和缩孔;保证铸件性能满足要求。研究内容包括:

(1)浇注方式和熔炼工艺参数设计:对不同尺寸的产品,结合浇注设备能力,采取不同的浇注方式,设置合理的工艺参数。按照6~9mm控制舱壳铸件外形的铸造余量。

(2)大尺寸和多筋条复杂结构铸件浇注系统设计:由于铸件尺寸大、筋条结构多,不利于铸件充型,需设计复杂的浇注系统;铸件的异形结构和壁厚差异大,造成铸件易变形,需设置防变形措施。采用密排缝隙浇注系统,配合激冷系统,实现浇注、补缩的有机统一,实现铸件的整体同时凝固。

(3)不同部位的缩量设计:由于铸件结构复杂,尺寸大,壁厚厚薄不均,导致铸件收缩不一致。而此结构为国内首制,无可供借鉴的有效缩量数据,造成缩量设置难度大。按照径向0.8%、轴向0.85%的要求来控制收缩率。

(4)模具设计与制造技术:由于铸件为异形网格结构,导致模具内芯和外型的分型难度大,模具设计周期长。同时,模具的复杂性增加了模具加工、装配和检测的技术难度。

(5)基于特征的铸造余量方案设计:以仿真分析数据为依据,结合铸件的检测数据,针对不同特征进行铸件余量的适应性分配设计。表2为优化后异形舱壳金属壳体的铸造余量分布方案。

表2 异形金属舱壳铸造余量分布方案

序号

余量部位

余量

序号

余量部位

余量

1

前端面、后端面

7mm

7

支架安装凸台表面

4mm

2

壳体外表面

5mm

8

四处安装孔安装面

2mm

3

前后端框内型

3mm

9

四处安装孔径

5mm

4

端框内侧台面

3mm

10

外形天线开口

3mm

5

内安装凸台表面

3~4mm

11

操作口内表面

3mm

6

安装凸台表面

5mm

12

螺栓盒安装面

5mm

 

2. 异形舱壳铸造热处理变形控制技术研究

大型薄壁铝合金异形舱壳的变形控制是影响零件加工精度和效率的关键因素,也是目前研制过程的难点。去应力退火是消除结构件残余应力的主要途径,而热处理过程中,随着温度的升高,构件强度降低,在残余应力释放的同时,将引起尺寸变形加大。通过去应力处理,并在热处理过程中采取刚性约束,可实现对弱刚性构件的变形控制,达到热校正目的。因此,需要开展大型薄壁铝合金异形舱壳热处理和热校形的技术研究。

3. 异形舱壳铝合金整体铸造解决方案

薄壁壳体的铸造,需重点关注:铸件内部质量、材料性能及本体切取性能、铸件尺寸精度。

(1)内部质量控制措施。铝合金铸件常见缺陷有:夹杂、气孔、缩孔、缩松和针孔等。如低压铸造工艺充型平稳,可避免充型过程中卷气造渣,消除铸造夹杂和气孔;缝隙浇道配合冷铁,可保证铸件合理的凝固次序。缝隙浇道使铸件按自上而下的顺序凝固,在缝隙浇道之间放置冷铁,可形成横向温度梯度,为凝固提供了横向补缩通道,即通过低压铸造加压过程,实现缝隙浇道的横向补缩,从而消除铸件缩孔或缩松;消除针孔主要有3个途径:炉前采用复合精炼工艺,并配合检测仪器,控制铝液中的渣、气含量,提高铝液的冶金质量;采用低压浇注方法,避免充型过程吸气,且低压浇注温度可比普通重力浇注温度低30~40℃,也大大减少了吸气倾向;增强铸件激冷条件,使其快速冷却,抑制针孔析出。

(2)材料性能和本体切取性能。铝锭选用纯度99.99%的重熔精铝,中间合金严格控制有害杂质含量,入厂进行复检;尽量不用或少用铁质熔炼工具,避免铝液增铁;严格执行《ZL114A熔炼工艺规程》;炉前密度法检测铝液中渣、气含量;浇注前取样观察断口形貌,判断金相组织是否正常。

(3)尺寸精度控制。铸件内腔表面不加工,外表面机械加工,精加工后的壁厚公差为±1mm。采用普通砂型铸造,这个精度无法达到,需采取如下措施:优化芯盒模具结构,保证模具尺寸精度;通过试验来选定型砂及粘合剂种类、砂芯紧实度、铸造收缩率、浇注温度和速度等参数,某些参数也可根据经验确定;在铸件薄弱部位增置铸造工艺拉筋以增加整体刚性,使铸件收缩阻力均匀,达到减小铸件变形的目的;通过优化设计的限位、校正工装和精确测量检具来控制热处理淬火变形。

异形舱壳整体精密铸造模拟仿真

1. 基于工艺专家的铸造模拟分析目标

借助Anycasting铸造模拟软件进行仿真分析,将大型网格筋薄壁整体舱壳高强铝合金精密铸件的合格率由30%提高到了80%;通过多种工艺手段,将外型面加工余量由8~12mm调整到5~8mm,减少了一次加工工序,降低了20%的加工成本;通过优化铸件结构和铸造工艺,将生产效率提高了30%以上,总成本降低了30%以上。

2. 铸造模拟仿真分析优化技术路线

系列大型薄壁铝合金整体舱壳铸件的优化铸造工艺路线如图2所示:

(1)建立ZL114铝合金材料的热物性参数数据库。针对ZL114铸造铝合金的化学成分、物理力学特性、各元素热物理性能及晶体结构,采用高温差热分析仪、热膨胀仪和热模拟试验机等现代测试手段,分别测试材料的导热系数、比热、热膨胀系数、应力应变曲线等,建立材料数据库,为数值模拟提供准确的材料参数。

(2)铸件与铸型之间界面换热系数的辨识。铸件与铸型之间的界面换热系数是重要的边界条件,根据铸造试验测温数据,结合两种铸件的具体结构特点,反算出不同位置的界面换热系数,保证边界条件的准确性。

(3)铸件和铸型系统的有限元数值建模。根据铸件的具体结构,特别是薄壁网格筋的结构尺寸,选择合适的单元类型,对铸件和铸型划分网格建立数值模型。

(4)浇注系统的设计。根据铸件具体结构,设计多种结构形式的浇注系统,采用正交试验设计,通过充型阶段的速度场、压力场和温度场等宏观场量,确定最佳的浇注系统方案。

(5)反变形工艺设计。根据凝固和冷却阶段的温度场、应力场、应变场和位移场等宏观场量模拟结果,设计出具体铸造工艺对应的合理反变形工艺。

(6)铸造工艺参数窗口的确定。确定出影响铸件质量的主要工艺参数,包括:浇注温度和时间、铸型温度等,采用正交试验设计,综合分析充型阶段、凝固阶段和冷却阶段的各宏观场量模拟结果,获得合理的铸造工艺参数窗口,为制订最佳铸造方案提供依据。

(7)数值模拟获得的最佳铸造工艺方案的修正与优化。根据实际生产情况,与数值模拟结果进行对比分析,进一步改进优化铸造过程涉及的系列数学物理模型,提高铸件铸造充型、冷却、凝固、淬火和退火的模拟分析精度。

技术路线
图2 铸造模拟仿真技术路线

2. 舱壳浇注系统及工艺参数设置

铸件浇注位置不同,冶金质量和铸造工艺的难易程度也不同。通过对铸件浇注位置的综合分析认为,图3所示的浇注系统有以下优点:在铸件四侧设置缝隙立筒浇注系统,可使热量均匀分布,为形成良好的顺序凝固条件、铝液的平稳充填以及排气和排除浮渣提供了便利;有利于在型芯上采用激冷砂和冷铁等综合激冷措施,调节铸件局部厚大部位的冷却速度,获得致密的铸态组织;有利于制作整体型芯,确保铸件的尺寸精度;有利于造型、下芯与合箱。

设计三维图图3 浇注系统设计三维图

通过试验及上述模拟结果,框架铸件的铸造工艺方案为:铸件的浇冒系统设计如图4所示,厚大部位设置冷铁,采用低压浇注+挤压浇注方法,浇注工艺参数见表3。

表3 铸造工艺参数

项目

升液速度mm/s

充型速度mm/s

液压力kPa

充型压力kPa

保压压力kPa

结壳时间s

浇注温度℃

数值

60

70

30

50

60

600

715

 

3.异形舱壳铸造模拟分析

根据计算并结合实际经验,初步确定了低压铸造工艺参数,但是否合理尚需验证。为此,应用计算机数值模拟计算,对薄壁壳体铝合金铸件充型和凝固过程进行了模拟试验,并对工艺方案进行了优化:

(1)初始及边界条件的建立:根据铸件毛坯图和铸造工艺图建立铸件、冷铁和砂型的立体图形;对立体图形进行网格剖分,单元格总数为4838130个;铸型及内芯选用呋喃树脂砂,冷铁按位置对应摆放,材质为铝材,调用数据库的相应参数进行边界条件设定;设定工艺参数浇注温度720℃ ,充型时间161s ,铸型、冷铁温度26℃。

(2)模拟结果:根据确定的铸造工艺方案和浇注、补缩系统的初步设计,应用ANYCastIng铸造过程模拟软件,对铸件的充型、凝固过程进行多次模拟,对浇注系统、补缩冒口及冷铁的尺寸、形状和位置等进行反复调整,形成了有利的充型及凝固顺序,消除了温度场不均匀、补缩效果不良等潜在问题。

优化后的最终模拟结果如图4所示。可见,金属液经缝隙浇道平稳进入型腔,未发现涡流卷气现象。充型中,铸件的各部分区域温度分配较合理。从凝固模拟结果看,铸件的凝固次序较理想,铸件上缝隙浇道之间的部分最先凝固,铸件上下部基本同时凝固;铸件各缝隙浇道附近区域迟于中间部分凝固,缝隙浇道迟于铸件本体凝固。

总之,铸件整体温度分布基本合理,处于整体同时凝固、局部顺序凝固的较好状态,整体凝固和补缩次序较合理。但铸件本体局部顺序凝固的温度梯度是否合理,能否满足补缩要求,铸件指定区域的绝对凝固速度是否合适,能不能确保该处力学性能控制在规定范围之内,这些尚需实际验证,并做优化调整。

设计示意图设计示意图
图4 砂型浇注系统设计示意图

如图5所示,模拟结果表明,浇注过程金属液充型平稳,无卷气、裹气现象,铸件全部充满;铸件凝固时色温梯度分布合理,有利于铸件凝固;铸件凝固后,可能疏松区分布在热节位置,但热节位置都有缝隙浇口顶着,可以通过调整局部冷铁厚度来调节。

三维扫描

三维扫描
图5 舱壳铸件实物及内型三维扫描

异形舱壳铸造工艺改进

1. 基于铸造仿真的工艺改进

在铸造仿真环境中,针对铸件充型凝固过程,分析其充型流场、凝固温度场和应力场及其耦合作用,预测应力方向,通过改变充型流场、凝固温度场来改变铸件内应力分布,使之处于平衡状态。同时,根据铸造变形趋势和变形量,在设计铸件余量时,将变形量“补贴”到相应部位。

分析铸件热处理前后的轮廓度三维检测数据,获得不同加工特征在热处理过程中的变形趋势和变形量。一方面,设计防变形热处理工装,改善铸件在热处理环境下的变形;另一方面,对铸件余量分布进行适应性补偿,将热处理带来的余量损耗控制在合理范围内。

2. 基于铸造实物的工艺改进

第一轮试验:以异形舱壳壳体为典型研究对象,制定各加工特征的铸造余量方案,并对方案进行验证,结果:内形轮廓度在I象限迎风面区域偏大,加工后,此区域壁厚存在变薄的风险;I象限安装台面上余量全面损失,加工后安装面与底面平齐。主要原因是,舱壳在热处理过程中,由于热处理工装未到位,舱壳入炉后放置不平导致变形较大。为补偿变形,在铸造基准协调时,将基准沿轴中线旋转一个角度,直接导致迎风面上的轮廓变大,I象限安装台面的余量全部损失。

第二轮试验:第一轮改进结果表明,铸造舱壳的热处理主要影响到I象限区域的余量损失。通过对安装台的余量进行调整,同时增加热处理工装,并对热处理时铸件的放置水平度进行控制,再进行后续生产。对新制铸件轮廓度的检测表明,I象限迎风面的内轮廓度质量得到较大改善,I象限舵机安装台余量满足了机加工要求。

异形舱壳铸造质量

1. 舱壳铝合金铸造常见问题

(1)铸件力学性能:航天产品对铸件的力学性能要求较高,特别是高温下的力学性能常出现不合格。

(2)产品尺寸精度:由于产品结构复杂,铸造和热处理过程中变形大,导致内型面的轮廓度误差较大。一般产品的蒙皮厚度公差带为1mm,内表面的轮廓度误差必定导致机加工后蒙皮厚度超差。

(3)检测基准不一致:由于产品铸造和加工非同一厂家,铸造基准和加工基准不统一,导致产品加工余量不足,或过加工而导致蒙皮厚度不足。

2. 异形舱壳尺寸精度

扫描检测效果图
图6 某大尺寸异形结构舱壳铸件三维扫描检测效果图

舱壳三维扫描结果如图6所示,内型轮廓度在工差范围内的合格率区域面积占比大于70%,20%区域壁厚偏厚,10%区域面积局部偏薄,需改进偏薄及偏厚的区域。

3. 本体力学性能检测

铸件本体取样经常温及高温性能检测,力学性能见表4。本体取样满足高强铝合金的性能要求,铸造工艺及热处理工艺制度合理可行,铸造工艺方案符合产品设计质量总体性能指标要求。

表4 窗口本体试样力学性能

炉批号

16C002

抗拉强度MPa

屈服强度MPa

延伸率%

取样位置

试验温度℃

1

384

310

6.0

窗口本体

20

2

385

314

9.5

窗口本体

标准值

≥320

≥280

≥6

/

结论

合格

3

310

290

4.5

窗口本体

150

4

345

315

7.0

窗口本体

标准值

≥270

≥240

≥4

 

结论

合格

5

315

300

7.5

窗口本体

200

6

300

295

4.5

窗口本体

标准值

≥220

≥180

≥3.5

 

结论

合格

 

 

 

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

结论

通过采用高纯原料、合金成分优化、织细化、合金熔体纯净化处理和热处理优化,ZLll4A合金的性能大幅度提高;采用呋喃树脂砂型、缝隙式浇注系统设计浇注方法,研制出了内部质量合格的舱壳铸件;采用带工装热处理、机械校正,控制了热处理过程中的尺寸变化,保证了尺寸精度。