差压铸造生产技术在汽车连杆叉中的创新使用研究报告（图文教程） ...

一、差压铸造技术特点

（1）差压铸造，又称反压铸造，压差铸造，是一种压力下充型和凝团结晶的铸造工艺方法，兼有低压铸造和压力釜铸造的特点

它是在低压铸造的基础上，铸型外罩个密封罩，同时向坩埚和罩内通人压缤空气，但坩埚内的压力略高，将坩埚内的金属液在压力差的作用下经升液管充填铸型，并在压力下结晶。它是低压铸造与压力釜铸造两种铸造方法的结合。

（2）差压铸造的特点之一就是浇注系统与位于铸型下方的升液管直接相连，充型时液态金属从内浇口引入，由下布上地充填铸型，凝固过程中升液管中炙热的金属液由浇注系统向铸件提供补缩。因此，通常情况下，实现“自上而下的顺序凝固”方式是历来公认的差压铸造原则。充型凝固时，铸件纵向温度分布正好有利于反重力铸造的金属液充填和补缩。因此，在凝固过程中，铸件底部到顶部温度分布的趋势是由高到低。

二、推广用差压铸造技术生产汽车连杆叉的意义

（1）充型金属液质量好，重力铸造是从上而下将金属液倒入型腔，故而浮在液面上的夹杂物极易卷入型腔形成夹缝。而差压铸造相反，它是将吸液管深深地插入熔炉的底部，采用底注式浇注系统，在压力的作用下，底部的优质金属液平稳地进入型腔，减少了夹渣形成的机会。

（2）充型平稳 由于差压铸造机的可控性，浇注速度，也就是进气速度也是可控的。按流体力学计算出产生紊流的最小速度，也就得到了液体金属保证层流的最大速度。金属液可以相对平稳地进入铸型，极大地避免了重力铸造条件下所产生的冲击、涡流和紊流。

（3）铸件的组织致密 一般铸件的实际凝固状态都是介于同时凝固和顺序凝固之间，因而或多或少地在凝固后都存在疏松组织，在自由浇注条件下，由于外界压力小，疏松组织大量存在，在差压条件下，由于压力的存在（P₁>0.1MPa），金属的补缩能力增强，因而组织致密度高。

（4）可获得薄壁铸件 同样是由于压力场的存在，金属的充型能力得到增强，又由于压差（△p）是可控的，就可以通过采用增压方式来提高充型能力，生产出薄壁铸件。

（5）可减少铸件的针孔缺陷 除真空条件外，一般金属液中都溶有一定数量的气体，其中以氢居多。它们以H原子的形式存在，当温度降低，也就是铸件凝固时，H原子的溶解度降低。并以分子态H₂形式析出，于是就形成针孔缺陷。对差压铸造来讲，由于在压力下结晶，H原子溶解度增大，再加上高压下金属液凝固速度提高，H₂不易析出，从而减少了针孔缺陷。

（6）可改善铸件的表面质量 差压铸造可以得到表面光洁度高的铸件。铸件除了要精确复制模具的的几何形状外，还必须具有光洁的表面。铸件的表面光洁度和熔体、模具、气体之间发生的一系列复杂的物理化学反应密切相关。

（7）可减少铸件的热裂倾向 差压铸造有极强的补缩能力，可以及时充填出现的缩孔及裂纹，在一定程度上消除了热裂的隐患。尤其是对于大型复杂铸件，这一优点显得更为重要。

（8）整体结构稳定性好，修正性度高

施以恒力负荷预紧，可使汽车连杆叉精度高。刚性好，更好提高工作效率。

三、差压铸造生产技术目前的基本情况和发展趋势

根据作用在液态金属上的压力来源，差压铸造可以分为三类：气压式差压铸造、重力式差压铸造和活塞式差压铸造。

1、气压式差压铸造

气压式差压铸造分为增压式和减压式两种方式。气压式差压铸造示意图如图所示。

（1）减压式差压铸造 在工作循环开始前，由保温炉1、开液管（浇注管）2、模具3和模具室罩4组成一个密闭系统。由压力罐R通人的气体在密闭系统中产生压力P₁。这是差压铸造工艺的一个关键特征。

在可控压力差△P＝P₁－P₂的作用下，保温炉中的金属熔体以一定速率通过升入管2充型模具3.在充型过程中，金属熔体表面平稳上升，因此，不会发生熔体与加压气体相混合的现象。

在充型模具的整个时段内，始终存在一个压力作用于熔体表面。一方面，该压力使熔体和模具型壁完全贴合，另一方面，防止溶于熔体的气体的逸出。

在凝固和结晶的过程中，压力差△P始终保持，直至完全凝固为止。

（2）增压力式差压铸造 在工作循环开始前，由保温炉1、浇注管 2、模具 3和模具室罩4组成一个密闭系统。由压力罐R通人的气体在密闭系统中产生压力P₁。

关闭阀a和阀c，通过b继续通入气体，使保温炉1中的压力p1增加，和模具3及模具室罩4中的压力形成压力差。

在可控压力差△P＝p₁-p₂的作用下，保温炉中的金属熔体以一定速率通过升液管2充型模具3。

在充型模具的整个埋伏内，始终存在一个压力作用于熔体表面。在凝固和结晶过程中，压力差△P始终保持，直至完全凝固为止。

2、重力式差压铸造

重力式差压铸造示意图如图所示。

在上图中（a）所示的初始位置，装有金属熔体的容器1和模具2处于相同压力P作用下。将整个系统旋转至上图（b）所示的位置。在恒压p₁下，容器中的金属熔体在重力作用下通过连接管3进入模具2型腔中。

通过对阀a、b和c进行操作，可调节模具腔室内的压力，从而控制铸造速度。在此情况下，压力差可以表示为：

△P＝rH+p₁-p₂

式中 r——熔体密度；

H—炉内熔体表现与模具内熔体表面间的高度差；

P₁——作用于容器内熔体表面的压力；

P₂——模具内熔表面的压力。

3、活塞式差压铸造

活塞式差压铸造示意图如下图所示。

活塞式差压铸造通过一个活塞使熔融金属进入模具型腔。活塞3直接作用在金属熔体1上。在充型过程中，反压p₂可保持恒定或按预设值进行变化。模具室2中的金属熔体1中的压力P₁之间的差△P可以进行控制。

利用差压铸造技术生产汽车连杆叉能使该铸件增加其稳定性，刚性更大地发挥其工作效率，其发展推广前途极为可观。

四、差压铸造在生产汽车连杆叉中的应用技术

（一）铸件工艺设计参数的选择

1、壁厚

差压铸件结构设计时，应使铸件具有合适的壁厚，以保证铸件的成形能力和力学性能，提高铸造的生产效率。

铸件各部分壁厚相差过大，在厚壁处会形成铸造热节，凝固收缩时易形成缩孔和疏松等铸造缺陷。

连接处产生裂纹［见下图(a)］。如果铸件壁厚均匀，可以防止产生上述缺陷［见下图（b）、(c)］。

铸件壁厚的均匀性设计，必须将铸件的加工余量考虑在内。因为有时不包括加工余量前，壁厚比较均匀，但包括加工余量后，由于壁厚增加，铸造热节处加大。

对于壁厚均匀的铸件，通过调整壁厚可以实现向浇口方向的顺序凝固。如：待加工表面可采取增加加工余量的方法，非加工表面可采取增加工艺余量的办法，使铸件壁厚沿着向浇道方向逐渐增加。

在相同的差压铸造条件下，由于各种合金的流动性不同，所以能铸造出铸件的最小壁厚也不相同。如果所设计铸件的壁厚小于铸件的最小壁厚，结果会产生浇不足和冷隔等铸造缺陷。铸件的最小壁厚主要取决于合金种类、铸件结构和尺寸大小。通常铸造条件下铸件的最小壁厚如表1－1所示。

表1－1 通常铸造条件下铸件的最小壁厚

如有特殊要求，通过改善铸造条件可使灰口铸铁的最小壁厚降至3mm。

设计铸件厚度时，还必须考虑到厚大断面的强度并非按截面积成比例也增加，尤其是灰口铸铁更为明显。铸件的内壁厚度应比外壁厚度小，筋的厚度就龙纳壁厚度小。

2、尺寸公差

（1）铸件基本尺寸 铸件图样上给定的尺寸，含机械加工余量（见以下图。

图样上的标注

铸件的极限尺寸

机械加工余量与铸件尺寸公差的关系

（2）铸件壁厚公差 铸件壁厚尺寸公差一般可降一级使用，如铸件图样上的尺寸公差为CT10，壁厚尺寸公差可为CT11。

（3）、公差带位置 公差带应对称，即公差的一半取正值、另一半取负值。有特殊要求时，公差带也可非对称，但要在图样上注明或技术文件中规定。铸件有倾斜部分公差标注如图所示。

3、铸件尺寸公差等级的选择 差压铸造铸铁、铜合金锌合金所能达到的尺寸公差等级为7～9级，差压铸造轻合金所能达到的尺寸公差等级为6～8级。

（二）机械加工余量

铸件的机械加工余量和所采用的铸型材料有关。砂型铸造的尺寸精神和表面粗糙较差，铸件需设计较多的机械加工余量，而金属型和石墨型铸造的尺寸精度和表面粗糙度较高，铸件的机械加工余量可以减少。机械加工余量的大小，还应考虑下列因素：

（1）加工面越大，机械加工余量越大；

（2）加工面离基准面越远，机械加工余量也随之增大；

（3）用泥芯形成的表面，机械加工余量较大；

（4）实际收缩量和设计收缩之差、涂料厚度的变动、脱模斜率等对机械加工余量都有影响。

（三）工艺余量

为了保证铸件的顺序凝固，便于铸件脱模和机械加工，有时需时使铸件某些部位的余量加大，这些超过了机械加工余量的额外部分，称为工艺余量。

差压铸造过程中，金属液在熔炉中由铸型底部进入型腔，铸件一般要保留在上型内，以实现浇口与铸件的分离，所以在设计铸件加工余量和铸造斜度时，应通过增加工艺余量的方法实现使铸件保留在上型内，即：增大下型铸件的脱模斜度以减小脱模力，减小上型铸件的脱模斜度以增大磨擦力，保证铸件和浇口的顺利分离。

（四）差压铸造模具设计

（1）差压铸造模具零部件的技术要求：

①各零部件未注公差的尺寸，其极限偏差按GB1804－79规定的IT14级执行。孔的尺寸极限偏差为H14，轴的尺寸为h14，长度尺寸为JS14；

②各零部件的棱边应倒角，未注明的倒角尺寸一般为0.5×45⁰；

③未注明的铸造圆角半径为3－5mm；

④铸件的非加工表面需经清砂处理，表面应光滑平整，无明显的凸、凹缺陷。铸造尺寸的偏差按JZ67－62规定的11级精度执行。

⑤铸件不应有过热、过烧的内部组织及机械加工不能去掉的裂纹、夹层及凹坑。非加工部分的尺寸偏差，按GB1804－79规定的IT16能执行；

⑥铸件和锻件在加工胶应进行时效处理，要求高的零件，粗加工后应再进行一次消除内应力的时效的退火；

⑦热处理后的零部件，其硬度应均匀，不允许有裂纹、软点和脱碳区。其表面上的氧化物及油污等应消除干净；

⑧模板和固定板等零件，其厚度方向的两平面的平行度误差，在100mm内不得超过0.02mm。

（2）壁厚的确定

差压铸造模具通常采用金属型模具结构，模具的壁厚是综合考虑金属型强度、刚度、重量及对铸件的冷却速度来决定的。壁厚太大，铸型重量增加，操作不便。壁厚过薄，铸型温度不均，在应力的作用下易变形，降低模具的使用寿命。

金属型模具的壁厚是决定铸件冷却速度的主要因素，对于获得优质铸件具有重要意义。金属型模具对铸件冷却速度的影响，主要取决于铸型的蓄热能力及铸型向周围空气的散热能力。

（3）配合公差、精度及表面粗糙度

形位公差值 的选择原则

①在同一要素上，给出的形状公差值应小于其位置公差值。例如，要求平行的两个表面，其平面度公差值，应小于平行度公差值；

②圆柱状零件的开关公差值（轴线的直线度除外），在一般情况下应小于其尺寸公差值；

③平行度公差值应小于其相应距离的公差值；

④根据零件的加工难易程度及其他因素的影响，在满足零件功能的条件下，有些情况的精度应适当降低1～2级。例如：孔对于轴、细长且比较大的轴或孔、距离较大的轴或孔、宽度较大（一般大于1/2长度）的零件表面、线对线和线对面相对于面对面的平行度、线对线和线对面相对于面对面的垂直度。

（4）形位公差的数值，为了获得较高精度的铸件，差压铸造模具零件的形位公差为4～8级，其具体数值如图表所示。

（五）模具型芯设计

差压铸造模具的型芯，可使用金属或砂芯，或者两者同时兼用。

应尽可能使用金属芯，避免使用砂芯。因为使用金属芯有如下优点：

①生产率高，操作和使用方便：

②尺寸稳定，表面粗糙度低：

③加速铸件冷却，铸件结晶组织致密、均匀，减少了铸造缺陷提高了铸件的力学性能；

④便于抽芯机械化自动化；

⑤避免了制造砂型（或壳芯）的工作，减少了相应的设备及工装，缩短了生产周期，便于组织生产。

如果铸件内腔过分复杂，使用金属芯时不易或不能抽出时，人要使用一部分砂芯（或壳按语）。另外，对于铸铜等高熔点铸造合金，由于合金工艺特性的限制，不宜使用金属芯。这是由于使用金属芯膨胀很大，难以从铸件中抽出，容易赞成铸件裂纹等缺陷，甚至会造成金属芯和铸件熔接。

（六）排气系统设计原则

由于差压铸造金属型模具材料本身没有透气性，排气系统设计不好会使铸件产生冷隔、浇不足、外形轮廓（花纹字迹）不清晰和气也等缺陷。对于铸造非铁合金，因其表面氧化膜较厚，更容易形成轮廓不清晰的缺陷。差压铸造金属型模具排气系统的设计一般应遵循以下原则：

（1）在确定铸件在金属型中的位置并进行浇注系统设计时，必须考虑金属液的充型过程，使其有利于将浇注时卷入的气体和挥发物产生的气体排出；

（2）可能时最好开设排气冒口；

（3）分型面上可开设排气槽；

（4）型腔中的凹处及个别凸起部位，钻孔后装进排气塞；

（5）金属型各部位的配合面（如芯座、活、顶杆与型体的配合面等）应开排气槽；

（6）排气系统的截面积，原则上应等于或大于浇注系统的最小截面积；

（7）排气系统的设置应不影响开型及抽芯。

（七）模具锁紧机构设计

差压差压浇注时，金属型模具要承受金属液的动压力和静压力。若金属型两半型不夹紧，金属液就会从两半型的分型处流出。锁紧机构的作用就是使两半型夹紧，使分型面的间隙最小，并在一定程度上防止金属型的翘曲变形。

常用的锁紧机构有偏心锁、摩擦锁、螺旋锁及楔销锁等。

（八）模具加热、保温及冷却

（1）金属型的加热，一般俗称型腔预热，是浇注前必不可少的工序之一。铸型（芯）在喷涂料前，为了粘接牢固，不易脱落，需要加热到150度左右。铸型（芯）在喷涂料后，还需加热到200～250度的温度，才能进行浇注。

（2）模具保温

对铸件的冒口和个别薄壁处，为延缓金属液的凝固，可采取对金属型局部保温措施，其方法如下：

①型腔外壁充填绝热材料，如石棉绳（粉）等；

②冒口部分内壁贴石棉板，喷绝热涂料，或用保温冒口套；

③型腔内壁控制涂料厚度；

④局部利用砂芯或耐火砖片。

（3）模具冷却

连续生产时，金属型的温度可能会超过工艺上所规定的温度。浇注前金属型温度过高，会导致铸件质量下降（如金属晶粒粗大等）、降低劳动生产率、加速金属型损坏、恶化劳动条件。铸件结构有时也要求对不同部位有不同的冷却速度。故金属型的冷却方法及其设计，是金属型设计的重要内容之一。

（九）模具材料的要求

差压铸造模具的工作零件是在高温、高压下和金属液接触，其工作条件较为恶劣，因此所有的材料应尽量满足如下要求：

（1）在高温下应有较高的强度、硬度、耐磨性和适当的塑性，在长期的工作中，其组织与性能应稳定；

（2）应有较好的导热性和抗热疲劳性能；

（3）在高温下不易氧化，能抵抗金属液的粘焊及熔蚀；

（4）淬透性好，热处理变形小；

（5）线胀系数小；

（6）在修复或修改模具时能焊接。

五、差压铸造生产连杆叉工艺过程

差压铸造的加压工艺过程分为六个阶段。0～t1为充气分阶段，t1~t2为压力平衡阶段，t3~t4为升液、充型阶段（其压力随时间的变化曲线见图1，充型过程中压力变化规律见图2，增压法压力随时间变化规律是一条递增曲线，减压力随时间变化规律是一条衰减曲线，）t4~t5为保压阶段，t5~t6为互通阶段，t6开始为上、下压力罐排气卸压阶段。

图1

图2

图3

根据上述压力变化曲线，可以绘制出差压铸造的充、排气特性图（见图3）。图3（a）为增压法充气特性曲张，0a为压力罐充气至p₁压力；aa'为上、下压力罐平衡；a'b'为下压力罐充气升压力至p2曲线，金属液在a'b'充型速度会发生波动。图3（b）为减压法排气特性曲线。ab段为上压力罐的压力由p₃开始排气至p₄，即进行浇注；经保压结晶b'b'段后，再排气卸压至c'。由图可见，排气段ab占整个曲线的比例很小。如浇注铝合金时，充气压力为0.5～0.6MPa,ab段仅占总曲线的1/8～1/6，非常接近直线，所以采用减压法，金属液上升平衡，而增压法则较差。

六、实施差压铸造技术生产汽车连杆叉可行性研究结论

（1）差压铸造的工艺和设备以一种新颖的方法解决了连杆叉铸件的充型和凝固等铸造技术问题。

（2）在差压铸造中，连杆叉的压力和反压力之间的差值可以在一个较大的范围内进行调节和控制，因此，在两个压力之间有可能找到一个合适的差值来实现铸件以及铸件各部分的充型和成形，生产出的铸件能很好地复制铸模结构特征。

（3）工艺参数的可控性 差压铸造可以根据不同的零件选择不同的工艺参数，通过优化组合，使生产的铸件质量更高。

（4）在生产连杆叉过程中作用于砂型孔隙中的压力和作用于模具中熔体表面上的压力相等。因此，在差压铸造中，可使用各种类型的模具和型芯（如金属、砂、壳型等）。不论作用于系统中的压力有多大，模具和型芯都不会破坏或变形。

以上几点保证了差压铸造工艺能生产具有高精度和表面光洁的汽车连杆铸件。

差压铸造技术成本小，经济效率高市场前景广阔，因此，目前大力推广发展差压铸造技术生产汽车连杆技术是可行的。