铝合金弹体铸造工艺设计与优化

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传统铸造方法生产导弹弹体等大型薄壁复杂圆筒铸件毛坯存在生产周期长、成品率低、需要大量机械加工、且难以满足轻量化使用要求等问题。本文针对某型舰载导弹弹体,其结构特点为大型薄壁圆筒形铸件,内部存在多处凸台,且壁厚不均匀,提出了消失模铸造和低压熔模铸造两种生产工艺,为大型薄壁复杂筒形件生产提供了相关技术支持。具体如下:采用消失模铸造的空腔浇注工艺生产铝合金导弹弹体,根据铸件结构设计浇注系统,确定消失模铸造工艺参数,浇注温度720℃,型砂预热温度200℃,采用冒口、冷铁及补贴的方法减少铸件缩松缩孔缺陷。结果显示,该工艺条件下缩松缩孔体积为3.2018cc,位于四大窗框边缘,零散分布,即存在的缺陷不位于铸件的承载面及结合面,最大缺陷尺寸0.33117cm,其缩松缩孔缺陷最大尺寸接近Ⅲ级标准(0.4cm),即铸件致密性不好。由于本铸件是军工产品,有一定致密性质量要求,因此在一般情况下不建议优选该工艺。采用低压熔模铸造工艺生产铝合金导弹弹体,通过优化浇注系统、采用正交实验优化工艺参数及液氮强制定点冷却的工艺方法来消除缩松缩孔缺陷。模拟结果显示,采用优化后带有辅助浇道的浇注系统,设置工艺参数:模壳预热温度550℃,浇注温度700℃,充型压力108k Pa,充型时间15s,且对铸件进行液氮强制定点冷却,缩松缩孔体积降至0.4706cc,位于窗框边缘,即不位于铸件的承载面及结合面,最大缺陷尺寸0.13236cm,可达到I类铸件非指定部位标准(0.2cm),此外,本铸件要求的铸件质量为Ⅲ级(0.4cm),远大于本铸件模拟的结果,则本工艺可达到军品要求,因此优先采用低压熔模铸造的方式生产本铸件。其中,本文根据铸件低压熔模铸造凝固过程采用液氮强制冷却工艺,用流体力学的理论知识,推导计算铸件各部位液氮使用体积,然后采用电磁阀、304不锈钢管道、管接头及喷嘴,液氮管道流速1m/s,根据铸件各部分凝固时间不同及所需喷淋液氮的体积不同,设计了一套液氮强制冷却装置。最后,鉴于本铸件壁厚不均匀且为筒形结构,对铸件低压熔模铸造凝固过程产生的热应力进行分析。结果显示,在水平径向上铸件的位移是向圆内收缩,最大尺寸位移偏差带为0.136cm,在高度方向上铸件的位移是整体收缩的,最大尺寸位移偏差带为0.1336cm,在铸件整体方向上发生的最大位移尺寸偏差为0.1095cm,而铸件工程图要求生产的铸件尺寸公差带为0.5cm,因此此铸件在低压熔模铸造工艺下采用液氮定点冷却方法生产的铸件符合生产要求。
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