風(fēng)扇機(jī)匣鑄件毛坯鑄造工藝改進(jìn)研究

陳春梅，黃凱，盧文海

中國(guó)航發(fā)常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司 江蘇常州 213001

1 序言

某型發(fā)動(dòng)機(jī)用風(fēng)扇機(jī)匣，材料為ZL104。該合金為可熱處理強(qiáng)化的鋁-硅-鎂系鑄造合金，具有良好的鑄造工藝性，力學(xué)性能優(yōu)于ZL101、ZL102等合金，主要適合制造使用溫度不超過(guò)180℃的中等載荷的飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)零件。但該合金鑄造過(guò)程中形成針孔的傾向較大，熔煉工藝比較復(fù)雜[1]。原有風(fēng)扇機(jī)匣鑄件毛坯采用砂型鑄造工藝，存在局部多肉缺陷，毛坯針孔的等級(jí)為3～4級(jí)（標(biāo)準(zhǔn)要求不超過(guò)3級(jí)）。另外，葉型為有加工余量，在加工過(guò)程中需對(duì)葉片及通道進(jìn)行加工，占用了大量的機(jī)械設(shè)備資源及人工成本。為提高該零件質(zhì)量的可靠性，本文開(kāi)展了風(fēng)扇機(jī)匣葉型及通道采用無(wú)余量熔模鑄造工藝的應(yīng)用研究。主要介紹毛坯采用無(wú)余量熔模鑄造工藝的生產(chǎn)過(guò)程，分析對(duì)比了砂型與熔模鑄造毛坯的冶金質(zhì)量，并對(duì)改進(jìn)前后的工藝路線進(jìn)行比較。

2 方案及工藝過(guò)程

2.1 模具的設(shè)計(jì)與制作

風(fēng)扇機(jī)匣如圖1所示，由于風(fēng)扇機(jī)匣鑄件葉片型面輪廓度公差±0.3mm，模具設(shè)計(jì)時(shí)采用高精度的模具塊組合的整體結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）來(lái)保證葉片型面及通道的輪廓度要求。根據(jù)鑄件毛坯局部尺寸厚大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在蠟型模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮蠟件的縮沉、變形導(dǎo)致的收縮補(bǔ)縮。蠟型模的起模方式：直接獲得蠟型，減少起模時(shí)的蠟型變形[2]。

圖1 風(fēng)扇機(jī)匣

圖2 風(fēng)扇機(jī)匣模具

2.2 工藝選擇與確定

（1）蠟料與壓型 所選用蠟料為進(jìn)口162型中溫蠟，蠟型的壓制工藝參數(shù)為：壓蠟環(huán)境溫度（21±2）℃，蠟液溫度（65±5）℃，壓力2～3.5MPa，壓制蠟件完畢后，蠟件放在專用的托盤(pán)上，防止蠟件變形。

（2）蠟型組合 對(duì)壓制完的蠟件進(jìn)行修整，并經(jīng)檢驗(yàn)人員確認(rèn)合格后方可按照風(fēng)扇機(jī)匣組合工藝圖進(jìn)行組合，然后再由檢驗(yàn)人員確認(rèn)蠟型組合符合風(fēng)扇機(jī)匣組合工藝圖，才可往下一工序流轉(zhuǎn)。

2.3 熔煉及澆注

根據(jù)有關(guān)資料介紹，ZL104合金的鋁液澆注溫度控制在700～710℃，根據(jù)風(fēng)扇機(jī)匣的形狀、尺寸選擇型殼溫度在（350±50）℃。

由于該合金鑄造過(guò)程中形成針孔的傾向較大，金屬除氣及精煉過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格按照工藝進(jìn)行，并盡量縮短精煉完成到澆注的時(shí)間，防止金屬液 “吸氣”現(xiàn)象。

3 生產(chǎn)結(jié)果

3.1 尺寸及表面粗糙度

通過(guò)采用熔模鑄造工藝成形的風(fēng)扇機(jī)匣毛坯表面粗糙度值低，可以達(dá)到Ra＝2.2μm的水平，且表面無(wú)目視可見(jiàn)的砂眼缺陷。

利用三坐標(biāo)對(duì)風(fēng)扇機(jī)匣鑄件支板及通道進(jìn)行檢測(cè)，選取均布的兩個(gè)支板，每個(gè)支板選取兩個(gè)截面，通道面選取均布的三個(gè)截面，尺寸計(jì)量結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 葉片支板尺寸計(jì)量結(jié)果 （mm）

表2 通道尺寸計(jì)量結(jié)果 （mm）

由計(jì)量結(jié)果可以看出，采用熔模鑄造工藝生產(chǎn)的風(fēng)扇機(jī)匣毛坯的支板及通道都能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 冶金分析

（1）化學(xué)成分 對(duì)風(fēng)扇機(jī)匣鑄件毛坯的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果符合HB963—2005要求。

（2）力學(xué)性能 通過(guò)對(duì)與毛坯同爐次的試棒進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可以看出，采用熔模鑄造工藝生產(chǎn)的毛坯的力學(xué)性能符合HB963—2005要求，對(duì)比生產(chǎn)檢驗(yàn)和入廠復(fù)驗(yàn)數(shù)據(jù)，性能比較穩(wěn)定。另外，與砂型鑄造工藝相比，抗拉強(qiáng)度約高15%，力學(xué)性能更優(yōu)。這可能是因?yàn)椴捎萌勰ｈT造工藝生產(chǎn)的毛坯針孔及疏松等級(jí)較低。有研究發(fā)現(xiàn)，針孔及疏松等級(jí)會(huì)影響鋁合金鑄件的力學(xué)性能，針孔及疏松等級(jí)越高，力學(xué)性能越低[3]。

（3）冶金質(zhì)量檢查 精鑄毛坯經(jīng)目視、熒光、X射線檢測(cè)，冶金質(zhì)量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且實(shí)際存在的冶金缺陷達(dá)到Ⅰ類件要求。

表3 力學(xué)性能

4 分析討論

4.1 解決原有毛坯存在的問(wèn)題

原來(lái)采用砂型鑄造工藝生產(chǎn)的毛坯，葉型支板及流道加工余量均在2mm以上，加工過(guò)程中出現(xiàn)氣孔、針孔及多肉等缺陷，且這些缺陷均在加工至將近成品才發(fā)現(xiàn)，毛坯報(bào)廢率較高。

（1）解決針孔超標(biāo)問(wèn)題 風(fēng)扇機(jī)匣毛坯熒光無(wú)損檢測(cè)照片如圖3所示，從中可以看出，存在較嚴(yán)重的針孔缺陷。

圖3 風(fēng)扇機(jī)匣熒光檢驗(yàn)圖片

分析產(chǎn)生針孔的原因主要有以下幾點(diǎn)：

1）合金冶煉過(guò)程中除氣不徹底，導(dǎo)致金屬熔液含氣量較高。

2）砂型型腔澆注過(guò)程發(fā)氣，從而進(jìn)入鑄件本體。

3）合金在澆注過(guò)程中產(chǎn)生紊流，將氣體卷入鑄件本體。

4）砂鑄毛坯由于加工余量較大，壁厚較厚從而影響凝固速率。

采用熔模鑄造工藝生產(chǎn)毛坯時(shí)，可以避免型腔發(fā)氣及鑄件壁厚較大的缺陷；另外，在設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)要充分考慮金屬液充型過(guò)程流向順序，最大限度地避免紊流現(xiàn)象，盡量減少空氣的卷入；再有，金屬液熔煉過(guò)程中延長(zhǎng)除氣時(shí)間，采用多次精煉，提高澆注速度，縮短精煉后到金屬液凝固的時(shí)間。通過(guò)幾次工藝調(diào)整，采用精鑄工藝生產(chǎn)的毛坯表面基本無(wú)針孔，全面滿足技術(shù)條件要求。

（2）解決局部多肉問(wèn)題 采用砂型鑄造風(fēng)扇機(jī)匣出現(xiàn)的局部多肉缺陷如圖4所示，部分多肉直接影響產(chǎn)品的設(shè)計(jì)功能，需對(duì)多肉部位進(jìn)行補(bǔ)充加工，浪費(fèi)工時(shí)，影響生產(chǎn)效率。通過(guò)采用熔模鑄造工藝生產(chǎn)的毛坯（見(jiàn)圖5）鑄造尺寸精度由CT9級(jí)提高到CT6級(jí)，完全能夠滿足設(shè)計(jì)圖樣的要求，且不需要補(bǔ)充加工，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)使零件重量得到有效控制，減少了因多肉造成的超重問(wèn)題。

圖4 砂型鑄造風(fēng)扇機(jī)匣

圖5 熔模鑄造風(fēng)扇機(jī)匣

采用無(wú)余量熔模鑄造工藝生產(chǎn)的毛坯葉型支板及通道不加工，零件表面保留了鑄造形成的致密細(xì)晶層，有利于提高零件的疲勞強(qiáng)度。

4.2 零件的機(jī)加工藝路線分析

對(duì)比砂型與熔模鑄造兩種毛坯加工余量，主要區(qū)別是砂型鑄造毛坯需對(duì)支板及通道進(jìn)行加工，目前砂鑄毛坯的加工工藝支板及通道主要是先通過(guò)五軸加工中心進(jìn)行銑削，留單邊0.05mm的余量進(jìn)行拋光。而由無(wú)余量精密鑄造的風(fēng)扇機(jī)匣無(wú)需對(duì)支板及通道進(jìn)行加工，葉型支板及流道可直接滿足設(shè)計(jì)圖樣要求，大幅降低了零件的機(jī)械加工成本，提高了生產(chǎn)效率。

4.3 裝機(jī)考核

采用熔模鑄造工藝生產(chǎn)的風(fēng)扇機(jī)匣毛坯經(jīng)過(guò)試加工，滿足設(shè)計(jì)圖樣要求，已通過(guò)裝機(jī)考核。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）采用熔模鑄造無(wú)余量精密鑄造技術(shù)，可以使鑄件的尺寸、表面粗糙度及冶金質(zhì)量滿足要求。

2）通過(guò)對(duì)比兩種工藝鑄造的毛坯，采用熔模鑄造無(wú)余量精密鑄造技術(shù)生產(chǎn)的毛坯可降低單件零件的成本，提高生產(chǎn)效率，可以在類似的風(fēng)扇機(jī)匣生產(chǎn)上進(jìn)行推廣應(yīng)用。