CN111331077A - 基于高硅轻质化过共晶铝硅合金产品铸造的尺寸控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料应用技术领域，具体公开了高硅轻质化过共晶铝硅合金产品铸造的尺寸控制方法，包括以下步骤，步骤1、确定所铸造的产品。步骤2、在模型建立之后。步骤3、在完成预处理参数的设置之后，选择视图模块对仿真结果进行观察，确定蜡模材质。步骤4、利用通过3D打印机打印晶粒选择器。步骤5、将步骤4制作的晶粒选择器在树上连接在一起。步骤6、预热壳模蜡组件或簇，利用游标卡尺测量晶粒选择器的尺寸，计算材料的尺寸公差。本发明的有益效果在于：1、基于熔模铸造技术和3D打印技术的快速制造能力，通过对比分析，选择熔融沉积成型技术和光固化成型技术；2、研究和改进了传统熔模铸造和单晶铸造生产蜡模的方法。
Description
技术领域
本发明属于金属材料应用技术领域，具体涉及基于高硅轻质化过共晶铝硅合金产品铸造的尺寸控制方法。
背景技术
A390过共晶铝硅合晶坯料由于具有轻质、高强、高耐磨、高耐热性及较低的热膨胀性等优点，通常用来制造汽车发送机活塞、转子、斜盘等关键部件。相比于常规铸件，不但比普通铸铁件轻，而且通过硅的球墨化消除了组织偏析，并通过固溶处理得到均匀的组织和细小的晶粒，能显著提高合金的力学性能和热工艺性能，被广泛应用于汽车行业，特别是汽车轻量化何新能源汽车的应用中。
因为我国在高纯A390过饱和铝合金合金中研制方面与美国和日本等汽车工业强国相比，仍存在巨大差距，特别是针对新能源汽车对新一代轻量化高强高耐磨特性的铝合金应用的大背景下，该方面的研究仍处于起步阶段，所以开展A390过饱和铝合金的研究工作，变得十分有意义。
熔模铸造具有尺寸精度高、表面光洁度高的优点，但也存在制造工艺过多、加工周期长等局限性，特别是在新产品开发过程中，样品的设计图纸在投产前需要反复修改，导致制造周期长。为了缩短制造周期，考虑到缩短制壳工艺的时间是困难的，研究小组认为3D打印技术是取代传统蜡模制造工艺的有效方法。国外在这方面的研究积累了多年的经验，并逐步推广到商业应用，国内在这方面的研究相对较晚，但也在积极生产推广，然而缺乏理论基础，限制了该技术在企业中的应用，所以有必要从基础研究的层面上获得更多的经验和创新，进而促进其在企业生产中的应用。
因此，基于上述问题，本发明提供于高硅轻质化过共晶铝硅合金产品铸造的尺寸控制方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供于高硅轻质化过共晶铝硅合金产品铸造的尺寸控制方法，其通过对比分析，选择熔融沉积成型（FDM）技术和光固化成型技术（SLA），研究和改进了传统熔模铸造（非定向凝固）和单晶铸造（定向凝固）生产蜡模的方法，同时3D打印技术在传统铸造中的应用由于其周期短、成本低而得到了应用，并找到了满足传统铸造（热裂性能、尺寸公差）要求的最佳3D打印材料。
技术方案：本发明的提供高硅轻质化过共晶铝硅合金产品铸造的尺寸控制方法，包括以下步骤，步骤1、确定所铸造的产品，再利用UG100进行3D建模。步骤2、在模型建立之后，将其以XYT格式输出到一个文件，运行PROSTAST软件，选择MasHCAST模块导入XYT文件进行网格化处理，网格模型生成并导入到PROSTAST模块中进行参数设置。步骤3、在完成预处理参数的设置之后，进行有限元求解操作，在计算完成后，选择视图模块对仿真结果进行观察，确定蜡模材质。步骤4、利用通过3D打印机打印晶粒选择器，其中，晶粒选择器步骤3的蜡模相配合使用。步骤5、将步骤4制作的晶粒选择器在树上连接在一起，用蜡流器和所需的浇注装置通过热抹刀形成蜡组件或簇。步骤6、首先在布里奇曼炉中，预热壳模蜡组件或簇，在高温板上浇注高温合金熔体，然后通过挡板从加热区抽出进入冷却区，所用加热器和浇注温度分别为1460摄氏度-1500摄氏度和1520摄氏度-1550摄氏度，用V＝3毫米-3.5毫米/分钟的提取速度，最后利用游标卡尺测量晶粒选择器的尺寸，计算材料的尺寸公差。
本技术方案的，所述步骤6中所用加热器和浇注温度分别为1460摄氏度和1520摄氏度，用V＝3毫米/分钟的提取速度。
与现有技术相比，本发明的高硅轻质化过共晶铝硅合金产品铸造的尺寸控制方法的有益效果在于：1、基于熔模铸造技术和3D打印技术的快速制造能力，通过对比分析，选择熔融沉积成型（FDM）技术和光固化成型技术（SLA）；2、研究和改进了传统熔模铸造（非定向凝固）和单晶铸造（定向凝固）生产蜡模的方法；3、3D打印技术在传统铸造中的应用由于其周期短、成本低而得到了应用，并找到了满足传统铸造（热裂性能、尺寸公差）要求的最佳3D打印材料。通过最终的最佳材料应用于DS（单晶铸造），并与其他几种3D打印样品进行比较，最终找到适合于传统铸造和定向凝固的3D打印材料。
附图说明
图1（a）为具有门的EGR关节的三维模型；
图1（b）为EGR关节模块的3D模型；
图2为EGR接头模块及其壳体模型；
图3（a）、（b）、（c）、（d）为EGR接头充型过程模拟结果；
图4为EGR接头的凝固过程模拟结果；
图5为EGR接头缩孔位置模拟结果；
图6为感光性树脂的SLA印刷EGR连接样品；
图7为感光性树脂的SLA印刷EGR连接样品连接部分的浇口；
图8（a）示出过渡层的第二层的形式；
图8（b）示出了当第四层完成时的情况；
图9（a）、（b）中为从不同角度清楚地看到模具壳上的裂纹；
图10（a）、（b）、（c）、（d）为四件印刷件；
图11（a）、（b）、（c）、（d）为四件铸件；
图12（a）为在高温合金浇铸过程中的布里奇曼过程；
图12（b）为布里奇曼过程；
图13为布里奇曼炉铸造后的铸型；
图14为从MM247LC铸造的晶粒选择器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
本发明的提供高硅轻质化过共晶铝硅合金产品铸造的尺寸控制方法，包括以下步骤，步骤1、确定所铸造的产品，再利用UG100进行3D建模。步骤2、在模型建立之后，将其以XYT格式输出到一个文件，运行PROSTAST软件，选择MasHCAST模块导入XYT文件进行网格化处理，网格模型生成并导入到PROSTAST模块中进行参数设置。步骤3、在完成预处理参数的设置之后，进行有限元求解操作，在计算完成后，选择视图模块对仿真结果进行观察，确定蜡模材质。步骤4、利用步骤3的蜡模材质通过3D打印机打印晶粒选择器。步骤5、将步骤4制作的晶粒选择器在树上连接在一起，用蜡流器和所需的浇注装置通过热抹刀形成蜡组件或簇。步骤6、首先在布里奇曼炉中，预热壳模蜡组件或簇，在高温板上浇注高温合金熔体，然后通过挡板从加热区抽出进入冷却区，所用加热器和浇注温度分别为1460摄氏度-1500摄氏度和1520摄氏度-1550摄氏度，用V＝3毫米-3.5毫米/分钟的提取速度，最后利用游标卡尺测量晶粒选择器的尺寸，计算材料的尺寸公差。
进一步优选的，所述步骤6中所用加热器和浇注温度分别为1460摄氏度和1520摄氏度，用V＝3毫米/分钟的提取速度。
实施例
汽车机械零件3D打印模式的模拟：本实验采用四个部分（1）EGR连接件、（2）汽车零部件用块、（3）电动工具用中间板和（4）缝纫机零件，对FDM成型机蜡模在传统熔模铸造实验中的应用进行了研究。图1（a）为具有门的EGR关节的三维模型，图1（b）为EGR关节模块的3D模型，如图所示，首先使用UG100进行3D建模，在图1（a）中示出浇道接头设计，然后将EGR组装成图1（b）所示的设计，为了验证铸造工艺的可行性，在实际生产前，采用PROCAST软件对零件的铸造工艺进行了预试验，对EGR阀冷端进气道进行了仿真。在模型建立之后，它以XYT格式输出到一个文件，运行PROSTAST软件，选择MasHCAST模块导入XYT文件进行网格化处理，零件的网孔尺寸设置为1 mm，浇注系统的网孔尺寸设置为4 mm。使用MelHCAST中的脱壳功能创建一个7mm厚的外壳，图2示出了EGR接头模块及其壳体的网格模型，模型中节点总数为168743，网格单元为786499。网格模型生成并导入到PROSTAST模块中进行参数设置。用于铸造EGR接头的材料是1.4511不锈钢，而壳体材料是锆英砂，铸件与成形件之间的接触类型为CONC，界面传热系数为750W/（M2K）。确定了边界条件和初始条件，边界温度为1620°C，热选择为风冷，压力为0.1MPa，填充时间为3s，计算得到的填充率为0.974kg/s。在初始条件下，铸件温度T＝1620°C，模具壳温度T＝1150°C，最后设定了运行参数。优选的是重力填充，最大步长（NSTEP）设置为300000，模拟结束温度（TSTEP）为600°C。在热模块中设置孔隙率降低分析（POROS），并将气体（气体）的影响设置为流动模块中的ON。
在完成预处理参数的设置之后，进行有限元求解操作。在计算完成后，选择视图模块对仿真结果进行观察。填充结果如图3所示，通过对充型过程模拟结果的观察，发现高温熔融金属在浇注初期迅速流过主浇道。在主浇道填充后，下部构件在上部构件之前填充，充填速度缓慢稳定，未观察到明显的气体湍流，当灌装机充满熔融金属时，整个充填过程就完成了。
图4、图5显示了凝固过程的模拟结果，可以看出铸件的温度梯度分布自底向上逐渐增加。由此可见，接头浇注过程的凝固过程是自底向上的顺序凝固过程，凝固过程合理，有利于浇注系统向零件的浇注，并能有效防止铸件缺陷的发生，如收缩和冷分离。如图5所示的EGR连接器的陨石坑位置，收缩仅存在于提升管和主通道的位置，并且部分没有松动。
3D打印晶粒选择器：
根据精铸的要求，蜡模材料的判断依据熔点、热稳定性、流动性、收缩率、强度和塑性、可焊性、涂层和灰分含量。
在3D打印技术中印刷蜡图案的实验中，选择ABS塑料、PLA塑料和树脂8000（树脂8000是未来工厂提供的印刷材料），这三种材料的参数在Tab中显示见 表1，
表1 RESI8000、ABS塑料和PLA塑料的性能
RESI8000被证明是最佳的蜡模材料，因为它的高精度如Tab所示。1.
用光敏树脂RS8000制作的EGR接头样品用SLA印刷，可以看出印刷精度高，表面光滑（图6），然后，进行模板的制造，砂按标准精密铸造工艺进行，壳体为6层半。实验中对涂料配方、干燥时间、相对湿度和环境风速进行了严格控制，成形铸造的过程如图8（a）、（b）所示。
浇注系统的相应位置的蜡用改性的电熨斗熔化，形成充满液体蜡的坑，连接部分的浇口（如图7所示），模型表面经过清洗，去掉油，干燥后进行涂装，浸渍过程重复5次，用于生产陶瓷外壳，4部分干燥过程的持续时间不同于各层，脱蜡工艺是在蒸汽脱蜡中进行的，在170℃加热壳12min。
在蒸汽壶脱蜡后，观察到壳中的蜡被除去，但树脂材料的图案没有被去除，并且壳由于树脂的热膨胀而破裂，实验结果表明，选择的光亮树脂材料的热膨胀系数太高，不能直接用于“蜡模”实验方案的打印。在图9（a）、（b）中，可以从不同角度清楚地看到模具壳上的裂纹。
FDM技术对印刷材料的特殊要求是（1）收缩率低，（2）熔融温度低，（3）粘接性好，（4）粘度低。最后，考虑到所有这些因素，选择ABS材料进行蜡模型实验。
铸造设备和程序：
ABS模型零件采用FDM印刷，浇注系统采用蜡制，与印刷ABS的整个产品相比，该方案成本低，速度快。3D打印设备是MaMBOT复制器2X，在选择ABS耗材后使用FDM，成型原理为印刷件，最大成型尺寸为246mm X152mm X155mm，最高印刷精度为0.1mm，将UG100导出的模型的STL格式化文件导入AuMWWORD中，选择支持位置，并将ABS部件打印在高度和打印速度等参数之后，在印刷时，图案材料和支撑材料的温度为230°C。层厚0.2mm，壁厚1.2mm，然后印刷，这四个部分如图10（a）、（b）、（c）、（d）所示，（a）EGR连接器打印输出（b）焊盘打印，（c）钉板印刷 ，（d）缝纫机附属印刷品。
调整涂料配方，避免在脱蜡和去除ABS过程中破坏外壳，浸渍过程重复5次，直到产生陶瓷外壳，4个部分干燥过程的持续时间不同，在实验中，控制涂料配方、干燥时间、湿度和吹风速度。脱蜡工艺是在蒸汽脱蜡过程中进行的，首先在170℃加热壳12min，在脱蜡过程中，ABS迅速软化并流出陶瓷外壳。左侧材料在焙烧过程中被移除，清洗杂质。在铸造之前，陶瓷外壳再次被加热，然后从炉中取出的陶瓷外壳充满了200公斤的钢水，当钢水冷却6h时，壳体破裂，从浇注系统切割的零件被涂漆，如图11（a）、（b）、（c）、（d）所示四件铸件，（a）EGR接头铸造，（b）垫块铸造，（c）钉板铸造，（d）缝纫机零件铸件。
铸造工艺：
上述铸造实验是在工业规模的真空布里奇曼炉（ALD）安装在亚琛工业大学铸造学院，该炉的凝固条件与通常用于DS/SC部件的商业生产的那些炉相同，它是一个带有可倾斜感应熔炼坩埚的双石墨加热段真空炉，该炉的真空度可达5×10～5毫巴，该炉的熔炼能力为50公斤，这个实验中使用的材料是4.09kg.
模具放置在冷板上，在布里奇曼过程中在两个加热区加热。为了实现热区和冷区之间的分离，在加热系统的底部提供挡板。为了固化，模具从热区撤出，热量通过模具和黑色炉腔之间的辐射热交换提取。辐射热交换的驱动因素取决于TM4-TF4之间的差异。Tm是模具的温度（约1500°C），TF是水冷炉壁的温度（约40°C）。
在该炉中集成了一个中央控制计算机，通过它可以给出所有的工艺参数以及其他控制命令，该控制单元还能够存储所有过程信息和测量数据，图12（a）在高温合金浇铸过程中的布里奇曼过程，图12（b）布里奇曼过程。
本研究选择了MM247LC高温合金，这是定向凝固材料之一，MM247LC的液体温度约为1368±2°C，固相线温度约为1282±6°C，在布里奇曼炉中，预热壳模簇，在高温板上浇注高温合金熔体（图12（a）），然后通过挡板从加热区抽出进入冷却区（图12（b）），所用加热器和浇注温度分别为1460°C和1520°C，采用V＝3毫米/分钟的提取速度。
在浇注试验（图13布里奇曼炉铸造后的铸型）之后，将该铸型冷却至炉内温度约为300°C，真空释放，然后取出铸型，然后在室温和标记下从陶瓷模具中敲出铸件，这个铸造部分被喷砂去除粘在表面的陶瓷，然后我们得到样品，如图14（从MM247LC铸造的晶粒选择器）所示，最后，利用游标卡尺测量晶粒选择器的尺寸，计算材料的尺寸公差。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.基于高硅轻质化过共晶铝硅合金产品铸造的尺寸控制方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1、确定所铸造的产品，再利用UG100进行3D建模；
步骤2、在模型建立之后，将其以XYT格式输出到一个文件，运行PROSTAST软件，选择MasHCAST模块导入XYT文件进行网格化处理，网格模型生成并导入到PROSTAST模块中进行参数设置；
步骤3、在完成预处理参数的设置之后，进行有限元求解操作，在计算完成后，选择视图模块对仿真结果进行观察，确定蜡模材质；
步骤4、利用通过3D打印机打印晶粒选择器，其中，晶粒选择器步骤3的蜡模相配合使用；
步骤5、将步骤4制作的晶粒选择器在树上连接在一起，用蜡流器和所需的浇注装置通过热抹刀形成蜡组件或簇；
步骤6、首先在布里奇曼炉中，预热壳模蜡组件或簇，在高温板上浇注高温合金熔体，然后通过挡板从加热区抽出进入冷却区，所用加热器和浇注温度分别为1460摄氏度-1500摄氏度和1520摄氏度-1550摄氏度，用V＝3毫米-3.5毫米/分钟的提取速度，最后利用游标卡尺测量晶粒选择器的尺寸，计算材料的尺寸公差。
2.根据权利要求1所述的基于高硅轻质化过共晶铝硅合金产品铸造的尺寸控制方法，其特征在于：所述步骤6中所用加热器和浇注温度分别为1460摄氏度和1520摄氏度，用V＝3毫米/分钟的提取速度。
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