李少帥,黃金鑫,焦 婧
鎂合金純凈化熔煉技術(shù);鎂合金低壓鑄造技術(shù);鑄造工藝模擬仿真計(jì)算與設(shè)計(jì);產(chǎn)品質(zhì)量的無損檢測(cè)技術(shù);產(chǎn)品的尺寸光電掃描檢測(cè)技術(shù);模型的3D 打印造型技術(shù);內(nèi)部缺陷的高質(zhì)量修復(fù)技術(shù)。
(1)按照以下,合金成分符合表1 的要求。
表1 合金的主要元素含量(%)
表2 合金的雜質(zhì)元素含量(%)
(2)力學(xué)性能。單鑄試樣的室溫力學(xué)性能符合表3。
表3 單鑄試樣力學(xué)性能
整個(gè)新產(chǎn)品及試制工作包括生產(chǎn)工藝技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)裝備、工裝的開發(fā),以及新產(chǎn)品試制、生產(chǎn)過程的工藝優(yōu)化、產(chǎn)品測(cè)試、生產(chǎn)工藝定型實(shí)驗(yàn)等。
公司生產(chǎn)的工藝性技術(shù)研發(fā)基本路線按以下內(nèi)容進(jìn)行,依次是單項(xiàng)技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品試制、產(chǎn)品測(cè)試、生產(chǎn)過程的工藝優(yōu)化、生產(chǎn)工藝定型實(shí)驗(yàn)等,其中性能測(cè)試貫穿于整個(gè)研發(fā)過程,部分實(shí)驗(yàn)是交叉進(jìn)行。
單項(xiàng)技術(shù)研發(fā),目的是為了找出各個(gè)單元生產(chǎn)的最佳工藝、最佳工藝參數(shù)、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),制定出生產(chǎn)工藝規(guī)程,作為初期工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)依據(jù)。
產(chǎn)品試制階段,按單項(xiàng)技術(shù)研發(fā)確定的各個(gè)單元生產(chǎn)的最佳工藝、最佳工藝參數(shù)進(jìn)行全程生產(chǎn)環(huán)節(jié)貫通,對(duì)最終生產(chǎn)出來的產(chǎn)品進(jìn)行全面檢驗(yàn),觀察效果與標(biāo)準(zhǔn)的差別,不斷調(diào)整、逐步優(yōu)化,逐步接近目標(biāo)。多次重復(fù)試制,最后得到生產(chǎn)過程的工藝規(guī)程和生產(chǎn)過程控制的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。
按產(chǎn)品試制階段制定的生產(chǎn)工藝進(jìn)行過程控制,制造小批產(chǎn)品并進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試、模擬實(shí)驗(yàn)等。經(jīng)多次測(cè)試、改進(jìn)、再測(cè)試,直到產(chǎn)品合格。
目前重力鑄造是鎂合金成形方法中較為傳統(tǒng)的成形方式。重力鑄造常采用冒口系統(tǒng)進(jìn)行頂注或者從砂型側(cè)面進(jìn)行澆注,澆注過程中由于熔體的重力作用,澆注速度控制不好極易出現(xiàn)紊流現(xiàn)象,且熔體澆注時(shí)和空氣接觸,容易產(chǎn)生氧化夾雜等缺陷;一般砂型鑄造工藝其鑄件的凝固及其補(bǔ)縮是依靠冒口內(nèi)熔體的重力而實(shí)現(xiàn)的,若冒口設(shè)計(jì)存在缺陷則澆注時(shí)容易出現(xiàn)澆不足等缺陷;砂型鑄造澆注系統(tǒng)較為復(fù)雜,澆注冒口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也費(fèi)時(shí)費(fèi)力。
與重力鑄造相比,低壓鑄造時(shí)熔體是從模具底端充填型腔,合金液流動(dòng)平穩(wěn)而且是在密閉的容器內(nèi)進(jìn)行澆注,氧化夾雜等缺陷較少;低壓鑄造在熔體充滿型腔后會(huì)繼續(xù)保持液面上氣體的壓力,甚至再增加保壓,補(bǔ)縮效果好,鑄件的致密度也比砂型鑄件要高;低壓鑄造的澆注系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單,甚至可以不設(shè)冒口,從而簡(jiǎn)化了工藝過程,金屬熔體利用率也高。
由于鎂合金殼體鑄件材料特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)的限制,采用傳統(tǒng)的重力鑄造合格率難有大幅的提高。因此,亟待尋找一種新的工藝方法代替重力鑄造工藝生產(chǎn)殼體鑄件,提高殼體鑄件的生產(chǎn)效率、降低殼體鑄件的廢品率,并滿足現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)對(duì)構(gòu)件高強(qiáng)度、高抗腐蝕性的需要,以保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。低壓鑄造是一種比較先進(jìn)的反重力鑄造工藝,在鋁合金鑄造方面已經(jīng)很成熟,但對(duì)鎂合金還是一個(gè)新課題。其特點(diǎn)是:①鑄件在壓力下成型,其補(bǔ)縮壓力達(dá)到4 ~ 6 個(gè)大氣壓,補(bǔ)縮范圍寬,能顯著提高金屬液在枝晶間滲流的能力,可使鑄件致密度提升,組織和性能明顯改善。②可以實(shí)現(xiàn)可控氣氛澆注:由于合金液和鑄型型腔上部氣體分壓可以控制,如果使有害氣體分壓趨于零,則可生產(chǎn)出有害氣體含量非常低的鑄件。③能夠精確的控制升液壓力和升液速度、充型壓力和充型速度、增壓壓力和增壓速度,質(zhì)量一致性好,鑄件質(zhì)量穩(wěn)定。
低壓鑄造依據(jù)其建立壓力方式的不同,可分為氣壓型低壓鑄造和電磁泵低壓鑄造兩種,我們采用氣壓型低壓鑄造方法。氣壓型低壓鑄造方法是依據(jù)帕斯卡原理來工作的,通過在液態(tài)金屬表面施加一定的氣體壓力,使金屬液逆重力方向充填型腔并凝固成形。由于所用的壓力較低,所以叫做低壓鑄造。其基本原理如圖1 所示,在裝有金屬液的密封容器中,通入干燥的壓縮空氣(或惰性氣體),作用在保持一定澆注溫度的合金液面上,造成密封容器內(nèi)與鑄型型腔之間的壓力差,使金屬液在氣體壓力的作用下,沿升液管上升,通過澆口平穩(wěn)地進(jìn)入型腔,待金屬液充滿型腔后,適當(dāng)增大壓力并保持坩堝內(nèi)液面上的氣體壓力,使型腔內(nèi)的金屬液在較高壓力作用下結(jié)晶凝固。然后解除液面上的氣體壓力,使升液管中未凝固的金屬液依靠自重流回坩堝中,開型并取出鑄件,即完成一個(gè)低壓鑄造過程。
圖1 氣壓型低壓鑄造設(shè)備工作原理圖
低壓鑄造設(shè)備具備合金熔煉、澆注兩項(xiàng)功能。合金熔煉和澆注均在爐內(nèi)進(jìn)行。ZM6 合金的抗燃燒性能較差,導(dǎo)致其在澆注過程中和在充型過程中易產(chǎn)生氧化,同時(shí)ZM6 合金的密度小,金屬液中的夾渣不容易浮到金屬液表面、冒口和集渣包內(nèi), 從而導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生夾渣。為了保證合金液的純凈度,我公司采用獨(dú)特的鎂合金熔煉保護(hù)技術(shù),大大減少了ZM6 合金液的氧化夾渣,保證了鑄件的質(zhì)量。
首先用電加熱熔煉爐進(jìn)行熔煉,將預(yù)熱后的原鎂錠裝入熔煉爐,加熱升溫。待原鎂熔化后,加入合金元素和稀土中間合金,利用Applo 筐的機(jī)械攪拌使成分均勻,調(diào)整合金成分,采用多級(jí)復(fù)合凈化技術(shù)對(duì)鎂熔體進(jìn)行凈化處理,有效去除鎂熔體的夾雜物。經(jīng)爐前化學(xué)分析合格后,金屬液在熔化爐保溫靜置,調(diào)整澆注溫度后,在調(diào)壓鑄造機(jī)內(nèi)以差壓鑄造工藝進(jìn)行澆注。要保證鑄件質(zhì)量,減少鑄件內(nèi)部夾雜,其關(guān)鍵一環(huán)是合金的純凈化熔煉。我們引用本公司大截面半連續(xù)鑄錠合金熔煉技術(shù),采用多級(jí)復(fù)合凈化技術(shù)對(duì)鎂熔體進(jìn)行凈化處理,有效去除鎂合金熔體的夾雜物,實(shí)現(xiàn)了純凈化熔煉。
(1)造型階段。根據(jù)工藝要求的配料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行樹脂砂配置、型砂配置,保證鑄件的出型質(zhì)量。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)要求放置澆道、冒口、冷鐵等進(jìn)行造型、制芯、組裝、合型。
(2)熔煉預(yù)備階段。根據(jù)合金的化學(xué)成分要求,按配料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配料。再將冶煉爐生產(chǎn)出的精鎂準(zhǔn)確稱量,然后對(duì)爐料進(jìn)行預(yù)熱,預(yù)熱溫度為130-160℃,預(yù)熱時(shí)間為15-30min,然后即可裝入熔化爐中。
(3)熔化階段。熔化爐緩慢升溫使金屬逐漸熔化,將經(jīng)烘干的鎂合金專用覆蓋劑撒在熔體表面,加入量為9% 左右。
(4)合金化階段。待金屬熔化后(780℃ -810℃)再加入已稱量烘干的稀土中間合金,利用Applo 筐的機(jī)械攪拌使成分均勻,中間合金的加入量依熔制的鎂合金牌號(hào)而定。
(5)精煉階段。將稱量、烘干的鎂合金精煉劑加入到合金液體中進(jìn)行精煉處理,精煉溫度為750-760℃,保溫時(shí)間為15min左右。
(6)檢驗(yàn)階段。此時(shí)對(duì)合金液體進(jìn)行取樣和快速成分化驗(yàn),如果化驗(yàn)結(jié)果表明合金成分不合格,需要繼續(xù)調(diào)整成分。
(7)保溫靜置階段。如果合金的化學(xué)成分滿足要求,即可將合金液保溫靜止,保溫靜置的溫度為780-810℃,時(shí)間為40-60min 左右。
(8)澆鑄階段。達(dá)到靜置時(shí)間后,將反重力鑄造機(jī)罩蓋蓋好,向爐內(nèi)加壓, 爐外減壓, 自動(dòng)控制進(jìn)行砂型澆注。
(9)打磨清理階段。使用噴砂機(jī)清理鑄件表面粘砂、飛邊、毛刺,再利用磨光機(jī)、砂帶機(jī)等進(jìn)行表面毛刺的清理,達(dá)到鑄件表面質(zhì)量要求。
(10)熱處理階段。為了提高鑄件強(qiáng)度,鑄件采用固溶處理或固溶處理加完全人工時(shí)效的熱處理方式,選用合適的熱處理工藝以及防氧化的保護(hù)氛圍,經(jīng)力學(xué)性能檢測(cè)達(dá)到技術(shù)要求或標(biāo)準(zhǔn)要求。
(11)無損檢測(cè)階段。采用熒光滲透、X 射線等方法進(jìn)行鑄件的無損檢測(cè),實(shí)現(xiàn)鎂合金鑄件內(nèi)部、外部質(zhì)量的零缺陷,確保鑄件質(zhì)量達(dá)到客戶要求。
(12)尺寸檢測(cè)階段。利用三維掃描儀可以快速及準(zhǔn)確對(duì)鑄件尺寸進(jìn)行檢測(cè),結(jié)合人工劃線,確保鑄件尺寸滿足加工要求,使鑄件尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
從殼體鑄件的結(jié)構(gòu)分析,該鑄件存在著復(fù)雜外形,曲面的鑄造精度很難保證,而且鑄件壁厚變化大,筋條多,鑄件在凝固過程中厚薄交界處及筋條處易產(chǎn)生“熱節(jié)”等問題,導(dǎo)致金屬液無法保證同時(shí)凝固或順序凝固,無多余金屬液進(jìn)行補(bǔ)縮,故會(huì)產(chǎn)生疏松和裂紋等冶金缺陷。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算模擬仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鑄件鑄造過程的模擬仿真,并對(duì)鑄造工藝方案進(jìn)行模擬驗(yàn)證,完善鑄造工藝,縮短研制周期,降低研制成本。利用鑄造模擬仿真技術(shù)可對(duì)鑄件充型和凝固過程中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,從而得到鑄件的模數(shù)、熱節(jié)分布和疏松等缺陷的分布結(jié)果,并且根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以評(píng)估鑄造工藝方案的合理性,進(jìn)而確定最優(yōu)的鑄造工藝方案。與清華大學(xué)合作,利用Procast 模擬仿真技術(shù)對(duì)殼體設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)及澆注工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)模模擬仿真分析,確定合適的工藝方案,如圖2 所示。
圖2 充型過程模擬
通過Procast 模擬仿真分析,確定此工藝方案的金屬液充型時(shí)溫度梯度較合理,利于鑄件順序凝固,初步確定此工藝設(shè)計(jì)方案基本可行。工藝方案確定好后,根據(jù)工藝方案進(jìn)行模具制作。
根據(jù)產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)方案我們開始產(chǎn)品的試制,試制結(jié)果為鑄件筋條附近存在疏松,原因分析為鑄件縫隙澆道的補(bǔ)縮距離不夠?qū)е碌难a(bǔ)縮不足所致,改進(jìn)方案為在筋條兩側(cè)增加冷鐵。
運(yùn)用改進(jìn)后的方案開始第二件試制,試制結(jié)果為筋條疏松部位有所減少,但疏松等級(jí)未減輕,原因分析為補(bǔ)縮不足,單增加冷卻強(qiáng)度的方式不能根除問題。改進(jìn)方案為,在上型的立縫澆道上方增加8 個(gè)保溫冒口。
用第二次改進(jìn)方案進(jìn)行第3 件產(chǎn)品的試制,試制結(jié)果為合格,符合顧客技術(shù)要求。
經(jīng)過此次試制得出:冒口和冷鐵配合使用,可有效控制鑄件的凝固順序,減少鑄件在凝固過程中產(chǎn)生的疏松等缺陷。
成功開發(fā)出鎂合金純凈化熔煉、低壓鑄造,鑄造工藝模擬仿真計(jì)算、內(nèi)部缺陷的無損檢測(cè),內(nèi)部缺陷的高質(zhì)量修復(fù)、模型的3D 打印、尺寸的三維掃描技術(shù)以及大型整體鎂合金鑄件的數(shù)控加工技術(shù)系列技術(shù)。鎂合金復(fù)雜構(gòu)件產(chǎn)品經(jīng)客戶檢測(cè),質(zhì)量達(dá)到客戶及國(guó)家項(xiàng)目的技術(shù)要求。
(1)鎂合金純凈化熔煉技術(shù);采用倒“T”字形旋管乳化攪拌器精煉,從鎂合金熔體中除去殘留熔劑、氧化物等非金屬雜質(zhì),完成了鎂合金熔體的高純度凈化技術(shù)的研究,該技術(shù)不僅具備微觀混合功能,將熔劑和氣體以最小粒徑小批量混合,完全達(dá)到分散混合的目的。同時(shí)具備宏觀混合功能,將熔池中的物料在容器里整體混合,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單能達(dá)到無故障使用,操作也十分容易。同時(shí)我們引用了公司在大截面半連續(xù)鑄錠鑄造過程中的鎂合金純凈化熔煉技術(shù),大幅度減少了熔體內(nèi)部的夾雜。經(jīng)對(duì)鎂合金座艙骨架鑄件的分析,潔凈化程度很高,完全滿足產(chǎn)品對(duì)精煉的要求。
(2)鎂合金低壓鑄造技術(shù);殼體鑄件是大型復(fù)雜鎂合金鑄件,且采用ZM6 合金,由于其流動(dòng)性差,易燃燒氧化、難成型等特點(diǎn),按照傳統(tǒng)的鑄造工藝,很難達(dá)到復(fù)雜產(chǎn)品的技術(shù)要求。我們?cè)诳偨Y(jié)鎂合金普通鑄造等工藝的基礎(chǔ)上,探索了新的鑄造工藝技術(shù):低壓鑄造。是液體金屬在壓差作用下,充填到預(yù)先有一定壓力的鑄型中,進(jìn)行結(jié)晶、凝固而獲得鑄件的一種工藝方法。
通過采用低壓鑄造進(jìn)行殼體鑄件的研制,大幅提高鑄件的合格率,徹底解決鎂合金殼體部件成品率低、供貨周期不穩(wěn)定問題。并且大型鎂合金鑄件低壓鑄造技術(shù)可推廣應(yīng)用于其它航空、航天用大型鎂合金部件的研制及生產(chǎn)上,促進(jìn)我國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)零部件、導(dǎo)彈等制造技術(shù)的進(jìn)步,具有較為廣闊的推廣應(yīng)用前景。
(3)鑄造工藝模擬仿真計(jì)算與設(shè)計(jì);ProCAST 鑄造工藝模擬仿真技術(shù)的應(yīng)用傳統(tǒng)的鑄件生產(chǎn)因其不同于冷加工的特殊性,只能對(duì)鑄件的形成過程進(jìn)行粗糙的基于經(jīng)驗(yàn)和一般理論基礎(chǔ)上的控制,形成的控制系統(tǒng)—鑄造工藝的局限性表現(xiàn)為:①只是定性的分析;②要反復(fù)試制才能確定工藝。要精確分析溫度場(chǎng)的變化,需要依靠計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬,即ProCAST 鑄造工藝仿真技術(shù)的應(yīng)用。ProCAST 的使用是為評(píng)價(jià)和優(yōu)化鑄造產(chǎn)品與鑄造工藝,借助于ProCAST 系統(tǒng),在完成鑄造工藝編制前,就能夠?qū)﹁T件成形過程中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行仿真分析,并預(yù)測(cè)鑄件的質(zhì)量、優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)和工藝方案。在殼體工藝設(shè)計(jì)前期,通過ProCAST 系統(tǒng)分析,確定了鑄造工藝方案,使用此工藝方案,使殼體鑄件生產(chǎn)的首件一次性檢驗(yàn)合格,達(dá)到客戶驗(yàn)收要求,大大縮短了鑄造工藝設(shè)計(jì)及試制周期。
(4)產(chǎn)品質(zhì)量的無損檢測(cè)技術(shù);鑄件采用無損檢測(cè)方法,如滲透檢測(cè)、X 射線檢測(cè)等,實(shí)現(xiàn)鎂合金鑄件質(zhì)量的外部、內(nèi)部檢測(cè)。
滲透檢測(cè)采用進(jìn)口的熒光滲透液,能全方位檢查鑄件表面質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)鑄件表面零缺陷的目的。從目前滲透檢測(cè)水平來看,超高的靈敏度,可清晰的顯示寬0.5mm,深10mm,長(zhǎng)度為1mm的細(xì)微裂紋,尤其對(duì)復(fù)雜鑄件肉眼不易察覺的拐角、內(nèi)腔深槽部位,以及射線檢測(cè)不易檢測(cè)的盲區(qū),起到檢測(cè)互補(bǔ)作用,確保鑄件全方位檢測(cè)。操作具有快速、簡(jiǎn)便的特點(diǎn),一次操作即可檢出任何方向的缺陷,且顯示直觀,容易判斷。
照相法射線檢測(cè)采用進(jìn)口微粒高性能膠片,能全面發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部各種缺陷。采用進(jìn)口自動(dòng)洗片機(jī),使底片質(zhì)量大幅度提高,質(zhì)量穩(wěn)定,照相級(jí)別可達(dá)B 級(jí)及以上。射線檢測(cè)對(duì)被檢工件無特殊要求,檢驗(yàn)結(jié)果顯示直觀,檢測(cè)技術(shù)和檢驗(yàn)工作可以自我監(jiān)測(cè)。射線檢測(cè)不損傷被檢物,可達(dá)到其他檢測(cè)手段無法達(dá)到的獨(dú)特檢測(cè)效果,使用面寬,底片長(zhǎng)期存檔備查,便于分析事故,可直接顯示缺陷圖像。
(5)產(chǎn)品的尺寸光電掃描檢測(cè)技術(shù);利用三維光電掃描儀,可對(duì)生產(chǎn)過程中的模型、砂芯及鑄件成品進(jìn)行快速尺寸檢測(cè),并進(jìn)行修正,可以精準(zhǔn)的得到鑄件的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),快速建立鑄件的三維模型,從而實(shí)現(xiàn)鑄件到三維模型的數(shù)字化過程,大大縮短鑄件的設(shè)計(jì)及試制周期,及時(shí)掌握了模型、砂芯、鑄件的形狀與產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的偏離狀態(tài),保證了試制產(chǎn)品的尺寸質(zhì)量。
(6)模型的3D 打印造型技術(shù);3D 打印技術(shù)是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。對(duì)于復(fù)雜鑄件來說,模具制作周期長(zhǎng),并且費(fèi)用高。利用3D 打印技術(shù),無需機(jī)械加工或任何模型,將設(shè)計(jì)的模型通過計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)生成任何形狀的零件,從而極大地縮短了產(chǎn)品的研制周期,提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。
(7)內(nèi)部缺陷的高質(zhì)量修復(fù)技術(shù)。鎂合金的復(fù)雜鑄件鑄造難度大,鑄造缺陷無法在一次制造中完全避免。因此研究鑄件內(nèi)部缺陷的修復(fù),是保證產(chǎn)品質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的必要措施。針對(duì)航空鎂合金結(jié)構(gòu)中的缺陷的現(xiàn)狀,對(duì)缺陷分布規(guī)律和缺陷種類開展了研究,并有針對(duì)性地開發(fā)缺陷修復(fù)方法及工藝,通過系統(tǒng)工藝實(shí)驗(yàn)和組織性能分析測(cè)試,形成一套完整工藝,完成缺陷修復(fù),使得修復(fù)區(qū)性能與無缺陷材料基本相當(dāng)。我們公司依據(jù)自身積累的鎂合金焊接技術(shù),對(duì)鑄件產(chǎn)品進(jìn)行無損檢測(cè),然后分析缺陷位置及缺陷類別,分不同情況,進(jìn)行缺陷處理,同時(shí)我們研究開發(fā)了鑄造產(chǎn)品專用鎂合金焊絲,進(jìn)行修復(fù)。
因此,對(duì)于ZM6 鎂合金薄壁復(fù)雜構(gòu)件的砂型鑄造可采用低壓鑄造,結(jié)合設(shè)計(jì)過程中模擬仿真技術(shù),生產(chǎn)中的鎂合金純凈化技術(shù)和更先進(jìn)的無損檢測(cè)和三維掃描技術(shù)能有效解決在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鑄造缺陷,加上高水平的焊接修復(fù)技術(shù)及3D 打印技術(shù),使鎂合金鑄件的合格率及生產(chǎn)周期都有了明顯的提升。