挤压铸造液压阀体.pdf

Feb．2008 VO I ． 5 7 NO ． 2 铸 造 F OUNDRY l 3 7 t ， ， ． ， ． ， 一 』 挤压铸造液压阀体 邢 书明 ，张密 兰 ，邢文斌 北京交通大学机 电学院，北京 1 0 0 0 4 4 摘要 针对煤矿支护用4 5 钢阀 体 也叫双向 柱头消耗量大、规格单一、 质量可靠性要求高的特点，采用挤压铸造技 术进行 生产 ，既可 以满足使用要求又可以节约材料。其主要工艺方案是垂直浇注 、一模 一件 、双 向对挤 、侧压抽芯。 试生产证明，使 用专用涂料和带有冷却水系统 的压头可以显著提高模具寿命 ；获得 致密产 品的主要工 艺参数浇注温度 l 5 l O ～ l 5 3 0℃，模具预热温度l 5 0 ～ 2 6 0℃，开始加压 时间小于l 0 S ，比压 1 5 0 ～ 2 0 0 MP a ，持压 时间8 ～ 1 2 S 。生产统计表 明， 其生产效率可达8 0 0 件／ 天，工艺出品率高达8 5 ％左右 ，与圆钢车制相比单位成本降低2 O 3 O ％，具有 良好 的经济效果。 关键词 4 5 钢；阀体；挤压铸造 中图分类号T G 2 4 9 ． 2 文献标识码 A文章编号 1 0 0 1 4 9 7 7 2 0 0 8 0 2 0 1 3 7 0 3 Sq u e e z e Ca s t i n g f o r Va lv e B o d i e s XI NG Sh u - mi n g ， ZHANG Mi - l a n ， XI NG W e n - b i n S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c C o n t r o l E n g i n e e r i n g ， B e ij i n g J i a o t o n g Un i v e r s it y ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 ， Ch i n a Ab s t r a c t Th e v a l v e b o d y ． a ls o n a me d r e v e r s i b l e c o l u mn h e a d s ． i S a n i mp o r t a n t p a r t s wi d e l y u s e d i n h y d r a u l i c i n d u s t r y ． Co n s i d e r i n g it s la r g e c o n s u mp t i o n ， s i mp l e s h a p e s a n d s t r i c t q u a l i t y r e q u i r e me n t s ． it i S r e a s o n a b l e t o p r o d u c e v a l v e b o d i e s o f c a r b o n s t e e l 4 5 wit h t h e s q u e e z e c a s t i n g p r o c e s s ． Th e ma i n t e c h n o l o g i e s a r e t h a t o n l y o n e p i e c e p e r mo ld ， v e rti c a l p o u r i n g ， u p a n d d o wn p r e s s i n g a n d l a t e r a l l y p r e s s i n g t o f o r m t h e p e r p e n d i c u la r i t V a n d l e v e l h o l e s r e s p e c t i v e l y ． 1 t i S p r o v e d t h a t t h e mo l d ’ S s e r v i c e l i f e i S e v i d e n t l y p r o l o n g e d b y u s i n g a s p e c i a l c o a t i n g a n d a p u n c h wi t h c o o li n g wa t e r s y s t e ms ． Th e ma i n p a r a me t e r s o b t ai n i n g s o u n d p r o d u c t s a r e t h e p o u r i n g t e mp e r a t u r e 1 5 0 0 - 1 5 2 0 ℃ ， t h e mo ld p r e h e a t i n g t e mp e r a t u r e 1 5 0 ． 2 6 0℃ ， s t a rt i n g p r e s s t i me s ma l l e r t h a n 1 0 S ， s p e c i f i c p r e s s u r e 1 5 0 - 2 0 0 MPa a n d h o ld i n g f o r 8 ． 1 2 S ．1 t i S p r o v e d t h a t t h e p r o d u c t i v i t y r e a c h e s 8 0 0 p i e c e s p e r d a y a n d t h e ma t e r i a l s y i e l d r e a c h e s 8 5 ％ ， a n d a c c o r d i n g l y t h e c o s t o f t h e v a l v e b o d i e s i S lo we r e d b y 2 0 ％ ． 3 0 ％ t h a n t h a t ma d e b y ma c h i n i n g ． Ke y WO r d s4 5 s t e e l v a l v e b o d y ； s q u e e z e c a s t i n g 挤压铸造技术作为一种非固态压力成形技术首先在 高质量有色合金铸件生产中获得了成功应用，近年来在 钢铁材料中的应用也在逐渐增多 ，显示出良好的发展前 景 。阀体是各种液压设备中的重要零件之一 ，在工业 上有着广泛的应用。煤矿支护用液压阀体 俗称双向柱 头就是其中一例。它是一个大致为圆柱形的零件，高 径比约2 ． 2 ，壁厚在1 5 mm左右，上下两端各有一个与支 柱连接的圆坑 称为柱坑 ，深度为5 3 m m，中高线上 有一个直径4 2 mm的水平油道与其中一端的柱坑相连 通。不同规格阀体的形状相似，只是其高度 、直径和水 平油道的位置存在一些差异。图1 a 是2 0 号阀体的零件 图，材料为4 5 钢，要求调质处理后H B 2 4 0 ～ 2 7 0 。这种阀 体是煤矿支护设备中的一个消耗性配件 ，消耗量很大 ， 仅一个中型煤矿的年消耗量就近2 0 万件。现在的生产方 法有两种 ，一种是锻造毛坯加工 ，另一种是直接以圆钢 为原料进行车削加工 。虽然该件的图纸设计是锻件 ， 但 因锻造生产需要的设备吨位过大 ，很少采用 ，多数 采用轧制圆钢车制的方法生产。圆钢车制的产品性能 也可以满足要求 ，但车削加工工序多 、生产效率低 、 材料利用率不足5 0 ％，单位成本高达1 1 ． 6 ／ k g ，几乎 没有利润。因此，生产企业提出了改变生产工艺 、在 保证使用要求的前提下降低成本的要求。考虑到零件 比较复杂 ，性能要求较高 ，普通铸造难 以满足要求 ， 决定采用挤压铸造工艺进行毛坯成形 、随后进行车削 加工和热处理的工艺路线。实践证明，这一工艺路线 可以达到预期的目的。 1 工艺方案选择和毛坯设计 1 ． 1 工艺方案设计 由于阀体单件重5 ～ 1 0 ，适合单人端包浇注 ，所 收稿日期 2 0 0 7 1 O _ 2 4 收到初稿 ，2 0 0 7 1 1 2 8 收到修订稿 。 作者简介 邢书明 1 9 6 2 一 ，男 ，河北平 山人 ，教授 ，博导 ，主要从事先进成形技术研究。电话 0 1 0 ． 5 1 6 8 8 6 1 4 ，E ma i l s mx i n g b j t u ．e d u ．c a 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m F OUNDRY Feb． 2008 V O I ． 5 7 NO ． 2 以采用一模一件。考虑到其形状简单 、壁厚较大 ，采 取垂直放置的浇注位置 ，以便加压充型和局部挤压。 为了防止浇注过程对模具的冲焊，采取水平分型 ，以 减小浇注落差。分型面取在水平油道上方，既保证下 模型能够容纳所需的钢液，又便于安装侧缸。为了形 成水平油道，采用侧向挤入式型芯，既可以形成油道， 又有局部锻造提高致密度的作用。为了简化设备 ，采 取下挤压缸兼顶 出缸的方案 ，实现向上挤压与工件的 顶出的兼顾。根据这一思想 ，确定的挤压铸造成形的 工艺动作顺序如下 感应炉熔炼一浇注一合模一下压 头上挤一 侧缸挤 入一上压 头下挤 的 同时下压 头上挤 一 持压一卸压一上压头抽 出侧压头抽 出一开模一下压 头抽 出一冷却延时一下压头再次上行顶 出工件。这样 一 个动作循环的时间约为4 8 S 。 根据相关文献的推荐数据 ，并经过试生产调试 ， 生产液压阀体的主要工艺参数如下 双向对挤 比压 1 5 0 - 2 0 0 MP a ，侧挤 比压 1 3 0 ～ 1 5 0 MP a ，开始加压时间小 于1 0 S ，持压时间8 ～ 1 2 S ，钢液浇注温度1 5 1 0 1 5 3 0℃， 模具预热温度1 6 0 2 3 0 oC，建压时间小于1 S 。 a 零件图 b 挤压铸造 毛坯图 图1 液压 阀体零件图和挤压铸造毛坯图 F i g ．1 Dr a wi n g s o f t h e v a l v e a n d i t s b l a n k 1 ． 2 零件毛坯设计 毛坯设计中重点考虑起模斜度 、加工余量 以及不 铸出结构。其中4 } 4 6 mm的上下柱坑由上下压头挤入形 成，所以抽芯力较大 ，起模斜度取2 。 ，而阀体外圆高 度方向的起模力因收缩而减小 ，起模斜度取0 ． 5 。 。因粗 糙度要求不高 ，只有3 ． 2 Ix m，所以直径方向的加工余 量取1 mm。但考虑到浇注量以及收缩率的波动，高度 方向的加工余量较大 ，取5 mm。 此外，为了便于生产，将零件图中的台阶式水平 油道改为直孑 L ，留出3 mm的加工余量进行钻削加工。 水平油道与下柱坑之间的连通孑 L 不铸出，采取钻削方 式加工 。 根据上述考虑 ，得到了如图1 b 所示的2 0 号阀体的 挤压铸造毛坯图。 2 模具设计和设备选择 2 ． 1 挤压铸造机的技术要求 图2 是进行液压阀体挤压铸造用的挤压铸造机原理 图，它是 由上挤压缸 1 、锁模缸2 、顶梁3 、活动横梁4 、 侧压缸6 、工作台7 和下缸9 等主要部件组成的三梁四柱 式油 压机。 根据工艺方案要求，该挤压铸造机配有不小于6 0 t 的侧压缸 ，以提供足够的侧挤力 ，并要求有不小于2 0 t 的回程力，以便顺利抽出侧压头；锁模缸 也称主缸 压力不小于1 5 0 t ，以提供足够的合模力；上下挤压缸 力均不小于1 5 0 t ，以提供足够的挤压力 ，同时要求 回 程力不小于5 0 t ，以便抽出上下压头。 为了保证补缩 ，要求压机各缸均具有持压功能， 即到达设定压力后，能跟踪凝固收缩持续加压。 为了安装模具和浇注方便 ，要求压机的开 口度不 小于 1 5 0 0 mm，工作台面有效尺寸不小于1 0 0 0 mmx 1 0 0 0 mm。 为了便于调节和保证工艺稳定，要求压机具有手 动 、半 自动和全 自动功能 ，采用P L C 控制。根据这些 要求 ，由液压机专业制造厂在3 1 5 t 标准四立柱液压机 基础上进行非标改制。 1 ． 上 挤 压 缸2 ． 锁 模 缸3 ． 顶梁4 ． 活 动横 梁5 ． 上 压 头连 接 杆 6 ． 侧缸7 ． 工作台8 ． 机座9 ． 下挤压缸l 0 ． 模具 图2 挤压铸造机结构原理图 F i g ． 2 S c h e ma t i c s o ft h e s q u e e z e c a s t i n g ma c h i n e 2 ． 2 模具设计 根据工艺方案要求 ，设计了如图3 所示的阀体挤压 铸造模具[5 ] 。模具 的模芯和冲头使用性能较高的H1 3 钢，模套及定位结构部分采用4 5 钢 。为了便于更换易 损件 ，压头与连接杆分体制作 ，并采用模套与模芯的 组合结构。一旦压头和模芯损坏 ，只需更换损坏部分 即可。型腔设计中，铸造收缩率取1 ． 5 ％。模具的上模8 与压机活动横梁 锁模缸连接 ，下模7 与工作台连 接，上下冲头1 和5 分别与充型缸连接。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 铸造 邢书明等 挤压铸造液压阀体 模具的工作过程是 将适量的金属液浇入下模型 腔中，液压机活动横梁带动上模合模后 ，下挤压缸推 动下冲头向上运动到设定位置 ，侧挤压缸带动侧冲头3 进行挤压到设定的压力 ，上挤压缸带动上挤杆下行接 触到上冲头后继续下行使上冲头挤压熔体 ，与下压头 形成双向对挤，保压一定时间熔体凝固后 ，完成在压 力下成形。然后卸压开模 ，各运动部件复位。制件停 留一段时间后下冲头重新上行完成顶出动作 ，取出工 件，下冲头复位，喷刷涂料即完成一个工作循环。 1 ． 上压头2连接螺钉3 ． 侧压头4 ． 下模5 ． 下压头 6底型芯7 ． 下模型芯8 ． 上型芯 图3 模具结构原理图 F i g ． 3 S c h e ma t i c s o fd i e s 仃 uc t L lT e 3 试 生产效 果和发现的 问题 3 ． 1 生产效果 利用挤压铸造工艺生产液压阀体 ，总体上取得 了 满意效果 。试生产证明，该工艺可以达到班产3 0 0 件 日产8 0 0 件的生产效率 ，单位成本 降为约8 元／ k g ， 比圆钢车制的成本降低3 0 ％左右 ，在正常生产条件下 废品率低于5 ％，工艺出品率高达8 5 ％左右。经过检测， 性能满足要求。 3 ． 2 发现的问题 试生产中出现的问题主要有裂纹 、缩松和模具出 现早期异常失效。 由于阀体的上下压头被合金熔体包裹 ，如果开模 过晚，将会因收缩过大导致其边缘出现纵向裂纹。这 是金属型铸造 中常见的一个问题 ，这里通过缩短保压 时间 、尽早抽出上下压头即可使问题得以解决。 缩松和缩孑 L 是调试 中出现的另一个问题。众所周 知 ，缩松和缩孑 L 的发生部位位于热节处。而阀体的热 节位置受多种因素影响而不固定 。当下模和下压头冷 却能力较好时 ，热节位置位于侧压杆上方 ；当侧压杆 压入深度不足时热节位置位于水平油道的中段。无论 热节位置在哪里 ，只要浇注量和压头挤入体积满足不 等体积原理[ 2 1 ，就可以获得致密的工件。如果浇注量不 足、压头压入深度不足或者双向对挤时其中一个压头 出现回退，都会导致缩松或缩孑 L 出现。 对于高熔点金属挤压铸造来说 ，模具寿命是一个令 人担心的问题。为了解决这一问题 ，在阀体的挤压铸造 模具设计中，对易损件分体设计，以便更换。此外 ，还 使用 了专用的涂料和冷却水系统。生产实践证明，该 模具的主要易损件是侧压 头，因其直径只有3 9 mm， 压入熔体后迅速升温 ，导致挤压和抽出时出现塑性变 形而报废 ；其次是下压头，下压头是接触钢液时间最 长的工件 ，虽直径较大 ，但工作时温度仍然会升高到 7 0 0℃左右 ，从而出现塑性变形而报废 。解决这些问 题的方法有两个 一是使用北京交通大学提供的专用 涂料，并保证涂料厚度不小于0 ． 5 mm。其次是对压头 进行冷却 ，即在压头内加冷却水进行冷却 ，使压头的 最高工作温度不超过6 0 0℃。采用这些措施后 ，模具 异常失效的问题得到了解决。 4 结论 用挤压铸造方法制作钢质阀体在技术和工艺上是 可行的。与圆钢车制相 比，简化 了工艺过程 ，大大降 低 了生产成本。但是要加强生产管理 ，保证设备和工 艺操作符合要求 ，否则容易出现缩孑 L 和裂纹缺陷。 参考文献 [ 1 ] 周述 积 ，等． 模具钢质锻模 的液态 模锻试验 [ J ] ． 湖北汽车工业学 院学报 ，2 0 0 0 ，1 4 2 ． [ 2 ] 罗守靖 ，等． 钢质 液态模锻 [ M] ． 哈 尔滨 哈 尔滨工业 大学 出版 社 ．1 9 9 0 0 8 ． [ 3 ]3 罗守靖 ，齐 丕骧 ，陈晓光． 液态模 锻与挤压铸造 技术 [ M] ． 北京 化学工业出版社 ，2 0 0 7 一 O 1 ． [ 4 ]4 陈炳光． 液态 金属模 锻模具设计 [ M] ． 武汉 华 中理工大 学出版 社 ，1 9 8 9 0 6 ． [ 5 ] 张密 兰． 4 5 钢 阀体 液态模 锻模具 设计 [ J ] ． 特种 铸造与 有色合金 ． 2 0 0 6 压铸专 刊 ． [ 6 ]6 邢书明． 非 固态金属材 料压力成形 中的不 等体积原理 [ J ] ． 特种铸 造与有色合金 ，2 0 0 7 压铸专刊 ． 编辑张允华，z y h f o u n d r y wo r l d ． c o m 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m