《特種鑄造》第4章-反重力鑄造(4-5學(xué)時(shí))-王猛

第4章反重力鑄造

4.1概述

4.2反重力鑄造工藝參數(shù)

4.3反重力鑄造工藝方案

4.4反重力鑄造設(shè)備及自動(dòng)化

4.5反重力鑄造缺陷與對(duì)策

4.6反重力鑄造應(yīng)用實(shí)例4-14.1概述一、反重力鑄造定義及特點(diǎn)二、真空吸鑄三、低壓鑄造

四、差壓鑄造五、調(diào)壓鑄造4-24-3反重力鑄造是以外部作用力驅(qū)動(dòng)金屬液使其沿反重力方向進(jìn)入型腔并完成充型和補(bǔ)縮，從而獲得良好的充型流態(tài)和補(bǔ)縮效果，并改善鑄件質(zhì)量的一種特種鑄造技術(shù)。圖4-1反重力鑄造原理示意圖(教材圖4-1)1-鑄型2-升液管3-金屬液4-坩堝一、反重力鑄造定義及特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)：1）金屬液沿反重力方向?qū)崿F(xiàn)充型流動(dòng)；2）通過(guò)外部壓力控制驅(qū)動(dòng)，改善充型及補(bǔ)縮；3）重力對(duì)金屬液流動(dòng)進(jìn)行約束，獲得平穩(wěn)充型流動(dòng)；4）避免液流飛濺、復(fù)雜匯流、氣體及氧化膜裹入等對(duì)鑄件質(zhì)量的不良影響；5）充型及補(bǔ)縮壓差一般在20～60kPa范圍內(nèi)，金屬液上升的速度以不超過(guò)0.3米/秒為宜。4-44-5反重力鑄造的充型、補(bǔ)縮與傳統(tǒng)的重力鑄造有顯著差異，同時(shí)也與高壓充型的壓力鑄造有明顯差別，因而具備如下優(yōu)點(diǎn)：金屬液充型流動(dòng)平穩(wěn)——有序流動(dòng)，液面上升速度易于控制；鑄件成形性能好——充型壓頭高于顯著提升充填能力；鑄件致密度高——有序充型可獲得良好溫度場(chǎng)分布，補(bǔ)縮易于實(shí)現(xiàn)；合金純凈度高——升液管直接從金屬液中層吸取金屬，避免卷渣；鑄件含氣量低——鑄件可熱處理實(shí)現(xiàn)性能強(qiáng)化；材料利用率高——有效減少澆冒系統(tǒng)對(duì)金屬原料的消耗；工藝可控性及穩(wěn)定性好——自動(dòng)控制來(lái)確保鑄造工藝方案嚴(yán)格執(zhí)行。依據(jù)反重力鑄造過(guò)程中壓力控制的具體方式的不同，可將反重力鑄造技術(shù)劃分為真空吸鑄、低壓鑄造、差壓鑄造、調(diào)壓鑄造四個(gè)類別。4-6

真空吸鑄是一種在型腔內(nèi)形成真空，而將金屬液置于開放的大氣環(huán)境中或置于一定壓力的氣體氛圍中，在液面與型腔之間的壓差作用下，將金屬液由下而上地壓入型腔，進(jìn)行凝固成形的鑄造方法。圖4-2真空吸鑄系統(tǒng)示意圖1-機(jī)架，2-熔化爐，3-坩堝，4-金屬液，5-升液管，6-隔板，7-真空室，8-鑄型，9-通氣塞，10-大氣截止閥，11-流量調(diào)節(jié)閥，12-真空緩沖罐，13-真空截止閥，14-真空泵圖4-3空心柱狀鑄件真空吸鑄示意圖1-真空泵，2-真空截止閥，3-緩沖罐，4-流量調(diào)節(jié)閥，5-大氣截止閥，6-提升機(jī)，7-結(jié)晶器，8-金屬液，9-坩堝，10-熔化爐二、真空吸鑄4-7除具備反重力鑄造技術(shù)的一般特征，如壓差及充型速度可控、充型平穩(wěn)性好以外，真空吸鑄還具有以下技術(shù)特點(diǎn)：1)、型腔內(nèi)的氣體阻力小，可提高金屬液的充填性，適合于生產(chǎn)形狀復(fù)雜的薄壁鑄件，生產(chǎn)鋁、鎂合金鑄件時(shí)可完整充填1.5mm以下的壁厚。2)、避免金屬液直接接觸空氣，氧化卷氣現(xiàn)象可得到抑制，有利于保證鑄件冶金質(zhì)量，可用于易氧化金屬如鈦合金，鑄鋼件等的鑄造。3)、金屬液/型壁氣隙小，熱量傳輸順暢，凝固較快，晶粒細(xì)小，真空吸鑄生產(chǎn)的鋁合金鑄件強(qiáng)度、硬度較重力鑄造提高5%～10%，延伸率提高30%。4)、壓力降低，型內(nèi)氣泡易于上浮外逸，可降低合金含氣量，有利于抑制鑄件氣孔；但未完全析出的氣體在較低壓力下膨脹，則可能加重針孔缺陷。5)、真空條件下較低的凝固壓力可能導(dǎo)致鑄件補(bǔ)縮不利，產(chǎn)生較常壓澆注更為嚴(yán)重的疏松缺陷。6)、提供的壓差低于其它反重力鑄造方法，僅適用于小型精密鑄件的生產(chǎn)。7)、采用真空吸鑄方案生產(chǎn)空心鑄件時(shí)，內(nèi)孔尺寸難于精確控制。4-84-9低壓鑄造是通過(guò)將氣體壓力作用于金屬液面，而鑄型型腔與大氣均壓，進(jìn)而使金屬液在壓力驅(qū)動(dòng)下自下而上完成型腔充填，并在壓力作用下凝固而獲得鑄件的一種鑄造方法。圖4-4低壓鑄造系統(tǒng)示意圖（教材圖4-4）1-壓室，2-熔化爐，3-坩堝，4-金屬液，5-升液管，6-隔板，7-鑄型，8-通氣塞，9-大氣截止閥，10-流量調(diào)節(jié)閥，11-增壓截止閥，12-空氣壓縮站，13-儲(chǔ)氣罐

三、低壓鑄造與真空吸鑄相比：1）可使鑄件在較高壓力條件下完成凝固，氣體析出量及體積較小，可以抑制氣孔或針孔缺陷；2）型內(nèi)存在氣體反壓，需通過(guò)強(qiáng)化鑄型透氣來(lái)改善鑄件充填性能。與壓力鑄造相比：3）充型平穩(wěn)，補(bǔ)縮可控；4）可與砂型、熔模型殼、金屬型等多種鑄型匹配進(jìn)行生產(chǎn)。充型壓力通常為20-60kPa。4-104-11在對(duì)金屬液面和鑄型型腔同步增壓后，建立壓差，將金屬液由坩堝中壓入型腔，實(shí)現(xiàn)充型；充型完畢后，保持系統(tǒng)壓力，強(qiáng)化凝固補(bǔ)縮，抑制氣體析出，獲得更高的鑄件致密度。圖4-5差壓鑄造系統(tǒng)示意圖（教材圖4-5）1-下壓室，2-熔化爐，3-升液管，4-互通閥，5-隔板，6-泄壓閥，7-上壓室，8-鑄型，9-上壓室進(jìn)氣閥，10-下壓室進(jìn)氣閥，11-坩堝，12-金屬液四、差壓鑄造壓室同步增壓壓力可達(dá)500kPa以上：1）改善補(bǔ)縮，抑制疏松，顯著提高鑄件的致密度和機(jī)械性能；2）提高凝固壓力，有效抑制氣體析出，針孔缺陷產(chǎn)生幾率下降；3）鑄件含氣量較真空吸鑄及低壓鑄造件高；4）型腔內(nèi)有高壓氣體存留，降低充型效率，薄壁充型存在障礙；5）為了保證型腔排氣，對(duì)鑄型透氣性能有較高要求；6）適合壁厚較大的有色合金鑄件的高性能生產(chǎn)。4-124-13増壓法差壓鑄造——通過(guò)下壓室進(jìn)氣獲得充型壓差；減壓法差壓鑄造——通過(guò)上壓室排氣獲得充型壓差。圖4-6差壓鑄造過(guò)程示意圖（教材圖4-6）(a)增壓，(b1)增壓法充型，(b2)減壓法充型，(c)保壓，(d)泄壓五、調(diào)壓鑄造

調(diào)壓鑄造技術(shù)是在差壓鑄造的基礎(chǔ)上而提出的一種新型薄壁鑄件成形方法。這種方法汲取了傳統(tǒng)反重力鑄造方法的優(yōu)點(diǎn)并加以改進(jìn)提高，使充型平穩(wěn)性、充型能力和順序凝固條件均優(yōu)于普通差壓鑄造，因而可鑄造壁厚更薄、力學(xué)性能更好的大型薄壁鑄件，適用于大型復(fù)雜薄壁鑄件的生產(chǎn)。調(diào)壓鑄造裝置如圖4-7所示，其與差壓鑄造最大的區(qū)別在于不僅能夠?qū)崿F(xiàn)正壓的控制，還能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)壓的控制。4-144-15首先對(duì)上下抽真空并保持負(fù)壓；對(duì)下壓室充入氣體建立壓差，使金屬液沿升液管壓入處于真空的型腔；充型結(jié)束后同步對(duì)上下壓室加壓并保持壓差，直至金屬液在壓力下凝固成形；卸除壓力，未凝固的金屬液回流進(jìn)入坩堝中。圖4-7調(diào)壓鑄造裝置結(jié)構(gòu)示意圖（教材圖4-7）1-壓力罐，2-正壓控制系統(tǒng)，3-上壓室，4-鑄型，5-負(fù)壓控制系統(tǒng)，6-真空罐，7-金屬液，8-保溫爐，9-下壓室三個(gè)重要的技術(shù)特征及優(yōu)勢(shì)：真空除氣——充分去除金屬液及鑄型內(nèi)的氣體；負(fù)壓充型——充型時(shí)型內(nèi)無(wú)氣體阻礙；正壓凝固——促進(jìn)補(bǔ)縮并進(jìn)一步抑制氣孔。4-16圖4-7調(diào)壓鑄造裝置結(jié)構(gòu)示意圖（教材圖4-7）1-壓力罐，2-正壓控制系統(tǒng)，3-上壓室，4-鑄型，5-負(fù)壓控制系統(tǒng)，6-真空罐，7-金屬液，8-保溫爐，9-下壓室雖然凝固壓力較大，但壓室間壓差保持較低水平，不會(huì)對(duì)鑄型的強(qiáng)度提出更高的要求；負(fù)壓充型降低了對(duì)鑄型透氣性的要求，不必進(jìn)行排氣結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化設(shè)計(jì)；調(diào)壓鑄造方法對(duì)鑄型的適應(yīng)性較強(qiáng)，可適用于金屬型、砂型、石膏型、熔模精鑄型殼等各類鑄型的應(yīng)用。4.2反重力鑄造工藝參數(shù)一、壓力調(diào)控二、澆注溫度及鑄型溫度4-174-18一、

壓力調(diào)控低壓鑄造真空吸鑄差壓鑄造調(diào)壓鑄造圖4-8反重力鑄造鑄型及金屬液環(huán)境壓力示意圖（教材圖4-8）P1-鑄型環(huán)境氣壓P2-金屬液環(huán)境氣壓4-19壓差是控制充型及補(bǔ)縮的重要參數(shù)：1、為了驅(qū)動(dòng)金屬液沿反重力方向完成充型，需提供足夠的壓差；2、要考慮鑄型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，給定最大壓差應(yīng)小于鑄型的破壞極限；3、壓差的建立應(yīng)在一定時(shí)限內(nèi)完成，以保證有效充型；4、為了保證充型的平穩(wěn)性，應(yīng)適當(dāng)降低壓差的建立速度；5、為了保證充型效率，應(yīng)適當(dāng)增大壓差的建立速度。保證金屬液完整充填型腔的必要條件為：式中金屬液的密度為

，型腔頂端到坩堝液面的高度H，g為重力加速度。4-20為了更好地實(shí)現(xiàn)充型及補(bǔ)縮流動(dòng)控制，可將壓差建立過(guò)程劃分升液、充型、結(jié)殼、增壓四個(gè)階段進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)分階段的增壓操作：圖4-9反重力鑄造過(guò)程中各階段的壓差控制

1-升液時(shí)間，

2-充型時(shí)間，

3-結(jié)殼時(shí)間，

4-增壓時(shí)間，

5-保壓時(shí)間，

6-卸壓時(shí)間升液充型結(jié)殼增壓保壓卸壓升液階段：充型階段：

：阻力系數(shù)，取值可在1～1.5之間結(jié)殼階段：

3可控制在10～20s之間附加增壓階段：k：增壓系數(shù)，取值可在0.3～1.0之間4-21壓力及真空度控制：對(duì)于低壓鑄造及真空吸鑄工藝來(lái)說(shuō)，一旦確定壓差變化曲線，則系統(tǒng)的最大壓力或真空度也就同時(shí)確定，而差壓鑄造以及調(diào)壓鑄造工藝則需要進(jìn)一步給定系統(tǒng)的壓力及真空度控制條件。差壓鑄造——最大保壓壓力：500～600kPa，補(bǔ)縮能力較低壓鑄造可提升4～5倍。調(diào)壓鑄造——真空階段壓力：-95kPa～-80kPa，保持10～15分鐘，氣體充分析出；最大保壓壓力：100～200kPa，抑制針孔析出并強(qiáng)化鑄件補(bǔ)縮。500～600kPa100～200kPa-95kPa～-80kPa，10～15min4-22二、澆注溫度及鑄型溫度澆注溫度確定規(guī)范：在保證鑄件成形的條件下，盡可能降低澆注溫度，減少金屬液的吸氣和收縮，抑制氣孔、縮孔、縮松、應(yīng)力及裂紋等各類缺陷的產(chǎn)生；反重力鑄造條件下金屬液的流動(dòng)得到了外加壓力的驅(qū)動(dòng)，充型能力更易于保證，澆注溫度可較常規(guī)鑄造工藝低10～20

C。簡(jiǎn)單厚壁零件——通過(guò)降低澆注溫度來(lái)提高冷卻速度，獲得良好凝固組織；復(fù)雜薄壁鑄件——通過(guò)提高澆注溫度來(lái)強(qiáng)化充型，保證鑄件完整充填。真空吸鑄及調(diào)壓鑄造因采用了真空負(fù)壓充型工藝，型內(nèi)無(wú)氣體反壓或反壓較低，熱量散失較小，澆注溫度可適當(dāng)降低；差壓鑄造條件下，因型內(nèi)存在高壓氣體阻礙，且金屬液更易于通過(guò)空氣散熱，應(yīng)適當(dāng)提高澆注溫度，保證鑄件充型。4-23鑄型溫度確定規(guī)范：根據(jù)鑄型種類、鑄件結(jié)構(gòu)來(lái)合理選擇鑄型溫度；在保證有效充型的前提下，適當(dāng)降低鑄型溫度。對(duì)于砂型、石膏型等低熱導(dǎo)率鑄型，可以進(jìn)行無(wú)預(yù)熱澆注，或?qū)㈣T型預(yù)熱至150～200

C；對(duì)于金屬型反重力鑄造，由于鑄型激冷能力強(qiáng)、導(dǎo)熱性能高，應(yīng)將鑄型預(yù)熱至200～350

C后澆注；對(duì)于金屬型復(fù)雜薄壁鑄件，鑄型溫度可進(jìn)一步提高到400～450

C后再進(jìn)行澆注。4.3反重力鑄造工藝方案一、澆注位置及分型面二、澆注系統(tǒng)及冒口設(shè)計(jì)三、鑄型排氣設(shè)計(jì)四、鑄型涂料4-244-25（1）優(yōu)先保證充型的有效性和平穩(wěn)性：1)金屬液應(yīng)由型腔底部引入，液面沿反重力方向上升，直至完整充填型腔；2)保證型腔頂部的排氣通暢，防止鑄件局部出現(xiàn)憋氣現(xiàn)象；3)嚴(yán)格控制金屬液在型腔局部的自由下落，減少氣體或氧化夾雜的卷入；4)匹配型腔截面上的金屬液流量，以獲得最佳的液流形態(tài)；5)將厚大部位置于型腔底部，有利于提高充型平穩(wěn)性和鑄件補(bǔ)縮；6)將對(duì)稱鑄件結(jié)構(gòu)軸線沿垂直方向放置，通過(guò)分布式的澆注系統(tǒng)引入金屬液，提高流動(dòng)均衡度，強(qiáng)化鑄件對(duì)稱部位性能的一致性。一、澆注位置及分型面4-26(2)優(yōu)化凝固順序及補(bǔ)縮效果：1)液面沿反重力方向上升獲得朝升液管方向溫度提升溫度場(chǎng)分布2)將厚大部位置于型腔底部有利于建立凝固順序強(qiáng)化鑄件補(bǔ)縮；3)采用輔助手段強(qiáng)化朝向升液管的凝固順序;圖4-11建立凝固順序的措施(教材圖4-11)(a)安置冷鐵，(b)改變金屬型壁厚，(c)使用局部激冷1-厚冷鐵，2-鑄件型腔，3-薄冷鐵，4-金屬型，5-水冷裝置圖4-10使用加工余量調(diào)整凝固順序（教材圖4-10）1-鑄件，2-工藝余量4-27（3）鑄件大平面的處理：

對(duì)于有較大平面的鑄件，應(yīng)當(dāng)避免將水平面水平放置，以防止注入平面的金屬液分成多股流路充填，合流時(shí)卷入氣體及氧化膜。（4）分型面的設(shè)計(jì)：

在反重力鑄造過(guò)程中，鑄型被安放于中間隔板上，為便于開合型以及鑄型緊固等操作，在分型面的選擇上，多采用水平分型方案。4-28反重力鑄造降低了液流飛濺及氧化夾渣卷入的可能性，澆注系統(tǒng)的主要任務(wù)是合理分配液流，同時(shí)保障補(bǔ)縮。簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)鑄件，可設(shè)置直通式澆口(即中心錐形澆口)構(gòu)成點(diǎn)式澆注系統(tǒng)；復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件，可増?jiān)O(shè)橫澆道、集渣槽等，以合理分配液流并凈化金屬液；避免內(nèi)澆口直接朝向型芯，防止造成型芯破壞或型芯局部過(guò)熱；生產(chǎn)大尺寸鑄件時(shí)，可將內(nèi)澆口置于短邊面，強(qiáng)化高度方向上的溫度梯度；使用多個(gè)內(nèi)澆道時(shí)，要合理設(shè)置各內(nèi)澆口的位置、朝向及截面面積，使內(nèi)澆道液流分配均勻，避免不利的金屬液匯流。二、澆注系統(tǒng)及冒口設(shè)計(jì)4-29澆注系統(tǒng)一般采用收縮式結(jié)構(gòu)，以FN、FH、FS分別表示內(nèi)澆道、橫澆道及升液管的斷面積，其應(yīng)具備如下關(guān)系：使得升液管口的金屬液最后凝固，有利于卸壓過(guò)程中的液面與鑄件脫離。對(duì)于易氧化的澆注金屬液來(lái)說(shuō)，可以采用擴(kuò)張式澆注系統(tǒng)，即：有助于獲得平穩(wěn)液流，避免金屬液氧化膜卷入，但同時(shí)應(yīng)給定如下限制條件：既可以穩(wěn)定液流，同時(shí)又可保證升液管口的金屬液最后凝固。4-30（1）點(diǎn)式澆注系統(tǒng)：不使用橫澆道，直接將升液管口與內(nèi)澆道連接。圖4-12采用點(diǎn)式澆注系統(tǒng)的金屬型（教材圖4-12）4-31（2）分流式澆注系統(tǒng)：對(duì)于長(zhǎng)條形狀、大圓筒形狀、殼體形狀的鑄件，常需要設(shè)置多個(gè)內(nèi)澆道，并通過(guò)橫澆道把內(nèi)澆道與升液管連接。圖4-13分流式澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（教材圖4-13）(a)板狀厚壁件澆注系統(tǒng)，(b)水套澆注系統(tǒng)，(c)汽缸體澆注系統(tǒng)4-32（3）分流式澆注系統(tǒng)：對(duì)于長(zhǎng)條形狀、大圓筒形狀、殼體形狀的鑄件，常需要設(shè)置多個(gè)內(nèi)澆道，并通過(guò)橫澆道把內(nèi)澆道與升液管連接。圖4-13分流式澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（教材圖4-13）(d)箱體澆注系統(tǒng)，(e)圓筒澆注系統(tǒng)，(f)殼體澆注系統(tǒng)4-33（4）冒口的設(shè)計(jì)和應(yīng)用：1）為避免影響凝固順序，反重力鑄造一般不設(shè)計(jì)冒口，在必要的情況下可在型腔頂端設(shè)置集渣包以容納最初充型的冷污金屬，但須嚴(yán)格控制集渣包分布及尺寸，避免其成為局部熱節(jié)；2）部分鑄件具有上下兩端較厚，中部較薄的特點(diǎn)，可首先考慮在上端放置冷鐵的工藝方案；3）若存在局部補(bǔ)縮效果不良，可以考慮在特定位置使用暗冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，但需要嚴(yán)格控制暗冒口的補(bǔ)縮區(qū)域，避免對(duì)鑄件整體凝固順序產(chǎn)生過(guò)大影響，造成“倒補(bǔ)縮”現(xiàn)象。4-34三、鑄型排氣設(shè)計(jì)反重力鑄造鑄型中通常沒有冒口或朝上的澆注系統(tǒng)，金屬液充填型腔時(shí)，若型腔內(nèi)的氣體不能迅速排出，可能導(dǎo)致充型壓差不足或局部憋氣，造成鑄件澆不足缺陷?？刹扇∪缦麓胧海?）在鑄型配合處或分型面上預(yù)留排氣間隙或排氣溝槽；（2）在距離金屬液入口的最遠(yuǎn)處、鑄件型腔深凹部位的死角及鑄型型腔最高部位上，采取排氣措施，如排氣孔、通氣塞等；（3）充型速度與排氣速度之間應(yīng)良好匹配。4-35四、鑄型涂料（1）抗粘砂型涂料：主要用于砂型鑄造，以剛玉粉、硅藻土的細(xì)小粉料配制，降低鑄型壁面粗糙度，抑制機(jī)械粘砂，同時(shí)不與金屬氧化物形成低共熔點(diǎn)產(chǎn)物，抑制化學(xué)粘砂；（2）脫模型涂料：主要用于金屬型鑄造，以石墨或滑石粉為主要成分，減小鑄型與鑄件之間的摩擦和磨損，達(dá)到潤(rùn)滑效果；（3）表面調(diào)節(jié)劑型涂料：包括晶核型涂料及合金化涂料，前者可起到促進(jìn)形核的作用，細(xì)化鑄件組織，后者中的某些成分可通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入鑄件表層，獲得表面合金化效應(yīng)，使鑄件表面性能得到強(qiáng)化。4-36（5）蓄熱效應(yīng)型涂料：通過(guò)不同蓄熱能力涂料的應(yīng)用，對(duì)反重力鑄造過(guò)程中的凝固順序進(jìn)行調(diào)整，這包括：1）降低鑄型導(dǎo)熱性能的絕熱型涂料：以硅藻土、石棉粉、云母等熱導(dǎo)率及比熱較低的多孔耐熱物質(zhì)為主要原料2）強(qiáng)化鑄型導(dǎo)熱的傳熱型涂料：以石墨粉、剛玉粉、鋯石粉、甚至高溫合金粉作為主要原料（6）焓變型涂料：通過(guò)添加在特定溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生足夠焓變的物質(zhì)，利用其在高溫下發(fā)生吸熱或放熱反應(yīng)的特性，獲得對(duì)凝固順序的高強(qiáng)度干預(yù)，如：1）吸熱反應(yīng)：2）放熱反應(yīng)：4.4反重力鑄造設(shè)備及自動(dòng)化一、反重力鑄造設(shè)備二、壓力控制系統(tǒng)三、保溫爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四、升液管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)五、電磁低壓鑄造4-374-38一、反重力鑄造設(shè)備（1）真空吸鑄機(jī)：真空吸鑄方法獲得的壓差小，適合于貴金屬小尺寸鑄件精密鑄造，應(yīng)用范圍受到一定限制，目前其生產(chǎn)應(yīng)用的規(guī)模相對(duì)較小。圖4-14一種小型真空吸鑄機(jī)（教材圖4-14）圖4-14所示的吸鑄機(jī)內(nèi)部包括合金熔化、真空度控制以及真空吸鑄機(jī)構(gòu)，合金熔化爐及真空泵置于機(jī)體內(nèi)部，升液管下端伸入坩堝，上端連接到機(jī)體上部鐘罩內(nèi)的鑄型澆口。生產(chǎn)時(shí)，將物料加入坩堝，開啟熔化爐進(jìn)行物料熔化，達(dá)到一定溫度后，開啟真空泵，調(diào)節(jié)手柄抽取鐘罩內(nèi)的氣體，大氣壓即可將金屬液壓入鑄型，實(shí)現(xiàn)充型。應(yīng)根據(jù)熔化方式、融化溫度、真空控制、真空室尺寸等指標(biāo)進(jìn)行設(shè)備選型。4-39（2）低壓鑄造機(jī)：是目前應(yīng)用最為廣泛，完備程度最高的反重力鑄造設(shè)備。圖4-15低壓鑄造機(jī)設(shè)備主機(jī)結(jié)構(gòu)（教材圖4-15）圖4-15是一種頂鑄式低壓鑄造設(shè)備，包括機(jī)體(保溫爐、承壓密封器)、機(jī)架(包括工作臺(tái)、鑄型開合機(jī)構(gòu)、鑄件頂出機(jī)構(gòu)等)；驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置動(dòng)作的液壓控制系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)金屬液的液面氣壓控制系統(tǒng)。適用于機(jī)械、汽車、內(nèi)燃機(jī)、航空等行業(yè)鋅、鋁、銅合金中小型鑄件的生產(chǎn)，設(shè)備自動(dòng)化程度較高，根據(jù)零件的形狀及大小，生產(chǎn)率一般為15~20件/小時(shí)。根據(jù)坩堝容量、熔化溫度、加熱功率、壓差控制范圍、型板尺寸、拉杠內(nèi)間距、動(dòng)型板行程、模具最大厚度、鑄件最大投影面積、開合型力等進(jìn)行設(shè)備選型。4-40（3）差壓鑄造機(jī)：適用于產(chǎn)品質(zhì)量要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。圖4-16差壓鑄造機(jī)設(shè)備主機(jī)結(jié)構(gòu)（教材圖4-16）1-下壓室，2-坩堝，3-保溫爐，4-升液管，5-滾珠，6-定位銷，7-中隔板，8-卡環(huán)，9-鑄型，10-上壓室，11-壓力表，12-安全閥，13-吊耳，14-氣缸，15-O型圈圖4-16給出了一種差壓鑄造機(jī)的設(shè)備主機(jī)簡(jiǎn)圖，整個(gè)主機(jī)的主體部分由上下兩個(gè)壓室構(gòu)成。鑄型置于上壓室內(nèi)，熔煉(保溫)爐則置于下壓室內(nèi)，金屬液通過(guò)升液管與鑄型型腔連接。熔煉(保溫)爐與溫度控制系統(tǒng)連接，上下壓室與壓力控制系統(tǒng)連接。壓室工作壓力達(dá)到500～600kPa，在上壓室上安裝了壓力表及安全閥以保證壓力不致超限，避免設(shè)備損傷或人身傷害。對(duì)于壓室及管道的耐壓能力應(yīng)作可靠核算，保證其在給定工作溫度下能夠正常承壓；對(duì)于壓力容器，應(yīng)嚴(yán)格年檢制度，避免不良事故發(fā)生。（3）差壓鑄造機(jī)：適用于產(chǎn)品質(zhì)量要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。圖4-17美國(guó)CPC公司和保加利亞LLinden公司聯(lián)合生產(chǎn)的差壓鑄造機(jī)1-底座，2-下壓室，3-中隔板，4-取件機(jī)械手，5-上壓室，6-動(dòng)型板，7-頂件型板8-頂件液壓缸，9-拉杠，10-合型頂桿，11-鎖定液壓缸，12-上機(jī)架，13-主液壓缸4-414-42（4）調(diào)壓鑄造機(jī)：主要用于高性能需求的復(fù)雜薄壁鑄件小批量生產(chǎn)應(yīng)用。主機(jī)需承受抽真空時(shí)的外部大氣壓力和增壓時(shí)100~200kPa內(nèi)部壓力，不僅需要核算耐壓能力，還需核算系統(tǒng)剛度，避免壓室在真空條件下變形；調(diào)壓鑄造系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)從負(fù)壓到正壓的連續(xù)穩(wěn)定控制，控制特點(diǎn)為：“高精度、大動(dòng)態(tài)”；圖4-18西北工業(yè)大學(xué)研制的TYM-1型調(diào)壓鑄造設(shè)備系統(tǒng)（教材圖4-18）二、壓力控制系統(tǒng)（1）通過(guò)閉環(huán)自反饋系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力的自動(dòng)化控制。圖4-19自反饋壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（教材圖4-19）將需實(shí)現(xiàn)的壓力控制目標(biāo)曲線輸入程序控制器，并以壓力傳感器從控制對(duì)象取得當(dāng)前壓力值；若測(cè)得的壓力值低于設(shè)定目標(biāo)值，則通過(guò)正向輸出端作用于調(diào)節(jié)閥1，將正壓源內(nèi)的氣體輸入封閉容器，使容器壓力升高；若測(cè)得的壓力值高于設(shè)定目標(biāo)值，則通過(guò)負(fù)向輸出端作用于調(diào)節(jié)閥2，將容器內(nèi)的氣體由排氣口輸出封閉容器，使容器壓力降低。4-434-44（2）壓力傳感器是反重力鑄造壓力控制系統(tǒng)中的重要?dú)饴窓z測(cè)元件，用以獲取管路或壓室內(nèi)的壓力信息。圖4-20壓力傳感器壓力變送器：將壓力轉(zhuǎn)換成為4～20mA電流；或?qū)毫?shù)值轉(zhuǎn)換為0～5V電壓。圖4-20壓力傳感器4-45（3）調(diào)節(jié)閥反重力鑄造壓力控制系統(tǒng)中的重要?dú)饴穭?dòng)作執(zhí)行部件，用以實(shí)現(xiàn)管路上的氣體流量控制，包括膜片式調(diào)節(jié)閥和組合式調(diào)節(jié)閥兩種類型。圖4-21膜片式調(diào)節(jié)閥及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)124圖4-22組合式調(diào)節(jié)閥及其工作原理4-46（4）差壓鑄造及調(diào)壓鑄造設(shè)備中，單路壓力控制系統(tǒng)往往不能滿足控制需要。下圖給出了一種雙路雙閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)包括差壓鑄造、調(diào)壓鑄造在內(nèi)的四種反重力鑄造壓力控制。圖4-23雙路雙閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)4-47圖4-24

一種雙路雙閉環(huán)反重力鑄造壓力控制系統(tǒng)(教材圖4-20)1～12-單向電磁閥，H1、H2-互通電動(dòng)閥，TB1、TB2-常閉調(diào)節(jié)閥，TK1、TK2-常開調(diào)節(jié)閥，P1～P6-壓力傳感器A-壓縮空氣，B-附加氣體，C-排氣口，D-混氣罐，E-空氣罐，F(xiàn)-上壓室，H-下壓室，I-真空罐，J-真空泵為滿足某些金屬對(duì)加壓氣氛的要求，系統(tǒng)設(shè)置保護(hù)氣體罐和空氣罐，分別實(shí)現(xiàn)合金液面加壓和鑄型空間加壓；常規(guī)電磁閥僅具備單向?qū)芰?，使用了互通電?dòng)閥以滿足雙向氣體交換的要求；使用傳感器對(duì)氣路關(guān)鍵點(diǎn)壓力參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，傳輸?shù)焦I(yè)控制計(jì)算機(jī)中，進(jìn)而控制各閥門的動(dòng)作，完成備氣、抽真空、加壓、保壓、卸壓等各項(xiàng)功能操作。4-48（5）西北工業(yè)大學(xué)通過(guò)應(yīng)用一種特殊設(shè)計(jì)的壓差控制器，建立了一種適用于調(diào)壓鑄造壓力控制的簡(jiǎn)化方案，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-25所示。圖4-25

一種簡(jiǎn)化的調(diào)壓鑄造壓力控制系統(tǒng)（教材圖4-21）(a)壓差控制閥，(b)基于該控制閥的調(diào)壓鑄造壓力控制系統(tǒng)1-壓差調(diào)節(jié)手柄，2-預(yù)緊彈簧，3-上測(cè)壓口，4-膜片閥，5-下測(cè)壓口，6-閥桿，7-閥體，8-閥芯，9-下壓室，10-上壓室，11-負(fù)壓罐，12-上壓室排氣閥，13-下壓室排氣閥，14-互通閥，15-壓力主控閥，16-壓差控制閥，17-正壓罐4-49三、保溫爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分反重力鑄造設(shè)備中加熱爐兼具熔化和保溫雙重效用，此時(shí)加熱爐應(yīng)具備足夠功率；若金屬液熔煉在其它獨(dú)立設(shè)備上完成，加熱爐僅需按保溫所需的較小功率設(shè)計(jì)。圖4-26

保溫爐與下壓室一體化設(shè)計(jì)的側(cè)鑄式低壓鑄造機(jī)（教材圖4-22）采用電阻坩堝爐對(duì)金屬液進(jìn)行溫度控制，保溫爐或者與壓室均為獨(dú)立結(jié)構(gòu)并加以組裝，或者與下壓室采用一體化設(shè)計(jì)。采用閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)金屬液溫度進(jìn)行控制——熱電偶測(cè)溫元件測(cè)量金屬液的溫度，溫度控制器按算法控制加熱功率，對(duì)溫度偏差作出反饋。4-50四、升液管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)纳汗懿馁|(zhì)、形狀及結(jié)構(gòu)，有助于延長(zhǎng)其使用壽命，保證鑄件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

(a)(b)

(c)(d)圖4-27

常見的升液管結(jié)構(gòu)（教材圖4-23）(a)直筒式，(b)正錐式，(c)倒錐式，(d)潛水鐘式升液管常用材料為鑄鐵，某些條件下可替換為氮化硅、碳化硅陶瓷；升液管必須具備良好的氣密性；可對(duì)升液管進(jìn)行保溫、或加熱處理，防止升液管凍結(jié)，保證有效補(bǔ)縮。4-51五、電磁低壓鑄造近年來(lái)，也有采用除氣體壓力以外的其它方法來(lái)驅(qū)動(dòng)金屬液進(jìn)行反重力充型的新技術(shù)被提出。圖4-28

電磁低壓鑄造（教材圖4-24）1-鑄型，2-機(jī)架，3-電磁泵，4-保溫爐，5-輸液管以電磁低壓鑄造技術(shù)為例：通過(guò)陶瓷輸液管連接金屬液與鑄型，在輸液管外側(cè)安裝電磁泵，利用電磁泵驅(qū)動(dòng)金屬液流動(dòng)進(jìn)入型腔。調(diào)整電磁泵以控制液流速度及壓力，實(shí)現(xiàn)有序充型和有效補(bǔ)縮，保證鑄件質(zhì)量。4.5反重力鑄造缺陷與對(duì)策一、縮孔與縮松二、氣孔缺陷三、澆不足及鑄件空殼四、鑄件披縫、鼓脹及跑火五、鑄件變形及裂紋六、粘砂4-524-53一、縮孔與縮松產(chǎn)生的主要原因是補(bǔ)縮通道不暢，或補(bǔ)縮強(qiáng)度不足。解決措施有：（1）凝固應(yīng)由遠(yuǎn)離澆注系統(tǒng)端朝向澆注系統(tǒng)而進(jìn)行；（2）當(dāng)鑄件存在不良凝固順序時(shí)，應(yīng)調(diào)控凝固順序，使之滿足上述原則；（3）避免在遠(yuǎn)離澆注系統(tǒng)的區(qū)域設(shè)置冒口，優(yōu)先考慮采用冷鐵加快遠(yuǎn)端凝固；（4）可以應(yīng)用各類涂料對(duì)鑄件凝固順序進(jìn)行干預(yù)。（5）合理調(diào)控凝固壓力及壓差，有助于抑制縮孔縮松。4-54二、氣孔缺陷根據(jù)來(lái)源的不同，可劃分為析出性氣孔、反應(yīng)性氣孔、侵入性氣孔。解決措施如下：（1）降低金屬液含氣量、提高凝固壓力及凝固速度，有利于抑制析出性氣孔，合理的差壓鑄造及調(diào)壓鑄造工藝可顯著抑制析出性氣孔；（2）分析反應(yīng)性氣孔的產(chǎn)生來(lái)源，充分去除反應(yīng)物、合理使用鑄型涂料，避免鑄型中的反應(yīng)物與金屬液直接作用，以抑制反應(yīng)性氣孔；（3）鑄型及型芯內(nèi)的物質(zhì)氣化或氣體膨脹，可能導(dǎo)致侵入性氣孔，通過(guò)充分干燥鑄型及型芯，強(qiáng)化鑄型排氣或預(yù)抽真空，可以抑制侵入性氣孔。4-55三、澆不足及鑄件空殼充型不充分會(huì)導(dǎo)致澆不足缺陷，解決措施如下：（1）增大充型壓差和充型階段的增壓速度，增大澆注速度，提升充型驅(qū)動(dòng)力；（2）提高金屬液的澆注溫度及鑄型溫度，避免金屬液粘度的過(guò)快提升，降低流動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)粘滯阻力；（3）必要情況下對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，避免使用過(guò)小的壁厚，或增加薄壁面的加工余量，以減小金屬液流動(dòng)界面的附加壓力；（4）通過(guò)合理設(shè)計(jì)排氣通道、降低型腔內(nèi)初始?xì)怏w壓力、或使用更高的真空度等手段來(lái)降低型腔氣體反壓。4-56保壓時(shí)間不足，或升液管泄漏，可能導(dǎo)致鑄件空殼。解決措施如下：（1）壓差保持設(shè)置時(shí)間過(guò)短，導(dǎo)致未凝固的金屬液回流——延長(zhǎng)保壓時(shí)間；（2）升液管泄漏，氣體進(jìn)入升液管導(dǎo)致金屬液回流——檢修、更換升液管；（3）充型末期坩堝液面下降，升液管下端暴露在液面上，氣體進(jìn)入型腔導(dǎo)致鑄件放空——補(bǔ)充金屬液或延長(zhǎng)升液管。4-57四、鑄件披縫、鼓脹及跑火（1）鑄型合型不良時(shí)，金屬液在壓差作用下滲入合型面，導(dǎo)致鑄件披縫及飛邊。解決措施如下：1)檢查合型操作是否符合規(guī)范，鑄件分型是否良好吻合；2)評(píng)估分型面精度及磨損情況，若精度不足或過(guò)度磨損，應(yīng)予修復(fù)或更換；3)若合型不存在問(wèn)題，可適當(dāng)降低壓差以減小鑄件披縫產(chǎn)生的可能性。(2)較高的壓力作用下，型腔壁面受壓變形，鑄件將形成表面鼓脹；鑄型變形嚴(yán)重時(shí)，金屬液可能由分型面泄漏。解決措施如下：1)砂型—在鑄型中植入加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、改變型砂配比，提高鑄型強(qiáng)度；2)金屬型—調(diào)整鑄型材料及結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)剛度，或更換鑄型；3)改進(jìn)鑄型裝夾機(jī)構(gòu)，從鑄型外圍保障其剛度同時(shí)保證合型可靠；4)適當(dāng)降低充型壓差，以減小鑄件鼓脹變形量，降低跑火風(fēng)險(xiǎn)。4-584-59五、鑄件變形及裂紋（1）鑄件在凝固及冷卻過(guò)程中，各部位存在溫差形成應(yīng)力，并導(dǎo)致鑄件變形解決措施如下：1）合理控制溫度梯度及凝固順序，既保證補(bǔ)縮，又不致造成過(guò)大的鑄件應(yīng)力；2）鑄件上增設(shè)加強(qiáng)筋以控制鑄件變形，熱處理后再加工去除；3）預(yù)估鑄件變，在鑄型設(shè)計(jì)上預(yù)留出反變形的校正量；4）部分鑄件變形可通過(guò)后續(xù)壓力校形而去除。4-60（2）應(yīng)力超出鑄件材料在對(duì)應(yīng)溫度條件下的破壞極限，會(huì)導(dǎo)致鑄件裂紋：1）熱裂紋——產(chǎn)生于固相骨架形成之后及完全凝固之前；2）冷裂紋——因固態(tài)結(jié)構(gòu)冷卻過(guò)程中的應(yīng)力積累而造成?？刹扇〉拇胧?）改善鑄型及型芯退讓性，增加涂料層的厚度；2）增加對(duì)熱裂部位的補(bǔ)縮，輸運(yùn)足夠金屬