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当年汽车模具数字化无模铸造本领钻探深入分析

2019-08-16 作者:关于我们   |   浏览(100)

2018年1月8日上午,中共中央、国务院在北京人民大会堂隆重举行2017年度国家科学技术奖励大会。党和国家领导人习近平、李克强、张高丽、王沪宁出席大会并为获奖代表颁奖。我集团2项科技成果获得国家技术发明奖。

铸造有着数千年的历史,干将莫邪铸钟娘娘的传说里都有着对铸造工艺的描述;去年热映的电影《钢的琴》里那架钢琴的琴体也是由铁水铸成。

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在几千年历史河水的冲刷中,铸造工艺几乎从未被改变过。以应用最广泛的砂型铸造为例,先根据图样做出木模,再放入砂箱填型做出砂型,后将熔化的金属浇灌入砂型空腔,冷却凝固获得铸件。从祖辈手中的烟袋锅子,到现代汽车的发动机缸体,铸件几乎都是出自这种工艺。

由北京机科国创轻量化科学研究院有限公司研制的“复杂铸件无模复合成形制造技术”荣获国家技术发明二等奖。该成果在国家及省部级系列重点项目支持下,提出了一种无需刚性模具的无模铸造精密成形方法。历经10年,突破了复杂铸件高效率、高性能、高精度无模成形关键技术,在工艺方法、复合铸型、系统装备等方面取得重大成果。开发出复杂砂型/芯曲面柔性挤压近成形技术、切削净成形技术及其复合成形工艺,实现了复杂铸件无模化、高精度、高效率制造,制造周期缩短50%以上,成本降低30%以上;发明了一种与铸件相匹配的多材质复合铸型及其坎合组装方法,实现了铸件性能主动调控,解决了形性精确控制难题,铸件废品率从5%~10%降至2%~4%,减重10%~20%;开发出数字化控制的柔性阵列触头、高耐磨大长径比切削刀具,提出了刀具冷却与切削排砂一体化方法,研制出砂型/芯柔性挤压成形机、无模铸造精密成形机等7类15种装备,解决了复杂铸件高精度成形制造装备难题,铸件精度提高了2~3个等级,可达CT8。无模铸造精密成形机可用于树脂砂、水玻璃砂、覆膜砂、陶瓷等多种铸型制造,最大成形尺寸为5000mm×3000mm×1000mm。该成果获授权发明专利47件(美、日、欧等19件),软件著作权12项。获2016年中国机械工业科学技术特等奖、2016年中国专利金奖、2012年北京市科学技术一等奖、2011年北京市发明专利一等奖和3项国家重点新产品等。该技术已在航天八院、东安发动机、广西玉柴、一汽铸造、中国一拖等100多家企业推广应用,设备出口西班牙,并在国内建立12个应用示范基地,实现了铸钢/铁、铝/镁合金等铸件制造。该技术对促进高端装备技术创新,维护国防安全,推动绿色发展具有重大意义。

整个过程环节较多,需预留工艺补正量,并且尺寸精度差,人为影响因素很大,因为大部分都是以二维图纸为基础进行设计制造。

由沈阳铸造研究所有限公司研发的“电渣熔铸大型变曲面异形件关键技术”荣获国家技术发明二等奖。自九十年代以来,在国家及省部级系列重点项目支持下,研发了电渣熔铸大型变曲面异形件制造成套技术,发明了一种新的大型铸锻件制造方法,替代了传统砂型铸造工艺,突破了不锈钢冶金纯净化和异形件精密模压成形等关键技术难点,内部组织致密,表面质量好、尺寸精度高,无废砂等固废排放,是一种优质、高效的绿色制造技术。在工艺、技术、装备等方面取得了6项科技创新成果:首次采用T型交流变压器双回路供电和六自由度传动方式,在80吨电渣炉设备上实现了单极熔化和双极熔化两种功能互换、电极熔化和充型可控,解决了电渣熔铸用三相交流变压器平衡供电问题;通过复杂异形结晶器新材料和制造技术攻关,实现均匀冷却,解决了大型变曲面类铸件的缩孔缩松以及应力开裂和组织细化等核心技术问题,创造性地将电渣熔铸与模锻工艺复合应用,实现了大型变曲面复杂构件的精密成形。所研制的优质电渣熔铸大型变曲面异形件的各项力学性能指标已达到国际同类产品最高等级水平。制造了世界上单机容量最大的百万千瓦水轮机不锈钢叶片,单件重量14.5吨。项目共获得10项国家授权发明专利,4项省部级以上科技奖励,形成了具有自主知识产权的成套技术,研究成果已达到国际领先水平。研究成果已推广到国内10余家企业,项目产品已被国内外100余家单位使用。产品已在3类典型材料(水轮机不锈钢、高强钢、高硼钢)、5种典型铸件(水轮机铸件、阀体、曲轴、连杆、环形件)实现了应用。主导产品水轮机铸件已在天生桥、向家坝、三峡等国内40余个电站、约160台机组得到应用,并且出口到法国、美国、巴西、日本、印度、加拿大等国家的20余个电站的约60台机组。

随着汽车机床等现今制造业技术的高速进步,以及核电航空航天国防军工等重大装备和重大工程的实施,铸造产品发展的趋势要求更好的综合性能,更高的精度,更少的余量,更好的表面质量,更复杂的结构。同时,节能降耗减少污染也是现代制造业的迫切要求。

2015年中国的铸件总产量将达到5000万吨以上,年产值达到7500亿元以上,数字化无模铸造技术及装备将在汽车模具机床工程机械航空航天等领域应用前景广阔。

铸造生产中,砂型铸造应用最广泛,世界上大约80%的铸件都采用木模金属模等进行砂型铸造。目前,我国有3万多家的铸造企业,2011年我国铸件年产量超过了4000万吨,消耗了大量木材和金属。2012年我国数字化无模铸造精密成形机预计推广应用30台,亚洲欧洲亦有橄榄枝抛来,这种装备可在两天内制作出以前需要1-2个月才能完成的砂型,在单件小批量铸件及铸造模具开发生产中彻底将铸造工艺中的木模抛弃,在铸造行业中推广应用,将会节约大量木材和金属,挽救成千上万棵树。

反观传统铸造工艺,为了达到要求,木模金属模等的制作过程耗时耗力,动辄以月为单位的开发周期,拖了制造后腿。在提高产品开发效率和降低能耗的呼声中,铸造工艺应无模化柔性化数字化精密化绿色化和智能化。

2008年,数字化无模铸造技术的发明者单忠德收到中国一汽的一个铸件图纸,对方希望能够采用数字化无模铸造技术进行砂型制造的测试,表示如果能在两天后的周一,依据图纸制出该铸件的合格砂型,中国一汽将启动购置设备谈判。两天后?按照传统铸造工艺,通常需要30-45天甚至更长时间!结果是,周一单忠德带领的研发团队把砂型摆在了谈判客户面前。单忠德及其团队开发的数字化无模铸造精密成形技术及装备,直接从砂型加工入手。技术人员所需要做的很简单,先用电脑将所需铸件的三维CAD模型做出来,自动规划路径后输入到无模铸造精密成形机,然后,就等着看刀头的机器舞吧。

刀头会按照程序设定的轨迹移动,或上或下,或左或右,或浅或深这是一种精密机械独有的运动美感。经过一番切削后,一个完美的砂型得以呈现。这个过程,最快只需要几个小时,这点时间比起动辄以月为单位的开发周期,几乎可以忽略不计。

看过数控机床的刀头上下翻飞雕琢一个金属件的朋友,也许会在无模铸造精密成形机前体味到异曲同工之妙。

但你所不知道的是,由于是对型砂直接切削加工,因此存在着复杂薄壁砂型加工易出现坍塌且表面粗糙高速旋转的刀具加工砂型易磨损或崩刃,加工的废砂如何及时清除及刀具冷却等诸多问题。

单忠德举例说,型砂质地粗糙,高速旋转的刀具与坚硬的型砂颗粒碰撞,普通刀头岂有不坏不崩之理?所以无模成形系列技术中,有一项就是专门的长寿命刀具研制。再有,切削型砂不可能用切削液给刀头降温,而产生粉尘又该如何处置?他们想到了在刀头周围创造出一个正负压环境,这样既解决了降温问题,又不至于让刀头起舞时黄沙滚滚。

该项目创新提出铸型数控加工方法复杂薄壁件砂型配方刀具冷却和废砂排除一体化方法金属件自适应铸型制造及铸型坎合组装方法,创新地开发出具有自主知识产权的长寿命高速砂型加工刀具固化砂型加工工艺参数的专用高速高效开放式数控系统和数据接口管理软件刀具冷却和废砂排除一体化系统和系列化的无模铸造精密成形机。

由于三维CAD模型直接驱动铸型制造,抛弃了传统的木模或金属模等模具,大大缩短了铸造流程,并实现了铸造行业的数字化,因此数字化无模铸造精密成形技术被称作是铸造技术的革命。

技术革命的效果就是,加工费用仅为有模方法的1/10左右,开发时间缩短了50%-80%,相应地制造成本降低了30%-50%。

如果你是一个铸造行业的从业人员,你应该可以体会到,不仅享受到时间节省和成本降低,重要的是使用该技术抢占了市场先机,由此所带来的收获更让人心潮澎湃。

如果你是一个铸造行业的从业人员,你还会注意到,型芯数字化加工,取消了拔模斜度,提高了零件的成形精度,同时减少了设计中的加工余量;型芯柔性化的设计和灵活多样组合,为设计和制造提供了充分自由度;另外,多种类激冷效果各异的型砂可构造自适应复合砂型。

如果在铸件开发及小批量生产中应用数字化无模铸造成形技术,将减少大量木材和金属的消耗,挽救成千上万棵树,成片的森林。同时,由于减少拔模斜度和加工余量,每吨铸件可平均减重3%,还将会节约大量金属和煤电,利于行业节能减排。

截止到2011年年底,单忠德团队先后在北京吉林长春山东烟台河南洛阳江苏常州和广西玉林等建立了7个数字化无模铸造精密成形技术与装备的应用示范基地。中国一汽中国一拖广西玉柴等企业已经采用该方法及装备,成功完成了轮毂齿轮壳体变速箱体进排气管发动机缸体等复杂铸件的开发,产生经济效益上亿元。

来源:模具网

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