一种机场跑道中线灯上盖毛坯用挤压铸造模具及其采用该模具制备灯上盖毛坯的方法

摘要

一种机场跑道中线灯上盖毛坯用挤压铸造模具及其采用该模具制备灯上盖毛坯的方法，模具分为上半型和下半型两部分，采用Al‑Cu系ZL205A和直接挤压铸造工艺制造灯盖毛坯，直接挤压铸造合型时模具阳模冲头插入铝液中，将部分铝液向上反挤，以充填由凹型和阳模冲头形成的封闭型腔，并升压和保压至铸件凝固。本发明的工艺在铝液浇入凹型后，靠阳模冲头加压完成铸件的成形，阳模冲头直接加压于铸件的上端面和内表面，加压效果极佳，本发明的模具结构合理，工艺简单，金属利用率高，有效改善铸件内部质量，提高铸件力学性能，制备的灯上盖毛坯具有较好的综合力学性能和性能均一性，同等情况下所铸铸件性能优于间接挤压铸造，达到国际先进水平。

说明书

技术领域

本发明属于金属加工技术领域，涉及一种机场跑道中线灯上盖毛坯用挤压铸造模具及其采用该模具制备灯上盖毛坯的方法。

背景技术

机场跑道中线灯是飞机着陆时的航标灯，机场跑道中线灯上盖(简称：灯上盖)与灯体相连，是灯具的重要受力部件，可能承受飞机起降的巨大冲击，因此，灯上盖必须具有优良的综合力学性能。若采用传统的砂型铸造,合金凝固速度慢,晶粒粗大,在灯上盖厚大部位常出现缩孔、疏松等缺陷，且铸件表面粗糙，精度低，易形成裂纹。

灯上盖制造工艺主要为锻造，国内由于锻造近净成形水平较低，技术人员转而采用挤压铸造工艺研制灯上盖。武汉理工大学、江苏大学、苏州三基铸造装备股份有限公司的罗继相、程科升、万里等人先后采用Al-Si系A356合金和间接挤压铸造工艺试制灯上盖毛坯。在浇注温度640℃～670℃，模具温度240℃，挤压压力100MPa，冲头速度0.10m/s～0.12m/s时，铸件外观无铸造缺陷，表面粗糙度良好；T6状态下，铸件抗拉强度和伸长率分别达到297MPa、9.4％。

间接挤压铸造情况下，铸件是在已合型闭锁的型腔中成形，不受金属浇注量的影响，因而铸件尺寸精度高，但因阳模冲头间接或只部分地加压于铸件，加压效果不佳，铸件综合力学性能和性能均一性相对较差，而且留有料饼及内浇道，金属利用率稍低，不能满足灯上盖对力学性能的更高要求。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种结构设计合理的机场跑道中线灯上盖毛坯用挤压铸造模具。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种采用上述模具制备灯上盖毛坯的方法，采用直接挤压铸造工艺成形，具有工艺简单合理、质量好的特点，制备的灯上盖毛坯具有较好的综合力学性能和性能均一性。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种机场跑道中线灯上盖毛坯用挤压铸造模具，其特征在于：该灯上盖毛坯挤压铸造模具分为上半型和下半型两部分，其中上半型包括上模板、上退料板、上退料夹板、上连板、上打料杆以及阳模组件，上半型通过上模板固定在液压机活动滑块上；上退料板与上退料夹板固定连接后设置在上模板的下方，上退料板的上端与液压机打料油缸相接触，上退料夹板的下方设有蝶形弹簧，上连板设置在上模板的下边缘，阳模组件是由从内而外依次连接的阳模内芯、阳模内套、阳模和阳模外套组成，阳模外套的上端通过螺栓与上连接板、蝶形弹簧相连接，上打料杆的上端通过上退料夹板固定在上退料板上，上打料杆的下端穿过阳模与灯上盖毛坯的上端相抵；

下半型包括阴模组件、下模板、下退料夹板、下退料板、下连板、下中心打料杆、下圆周打料杆和回复杆，下半型通过下模板固定在液压机工作台上；下退料板和下退料夹板固定连接后设置在下模板的上方，下退料板的下端与顶塞相接触，顶塞与液压机顶出油缸相连接，阴模组件是由阴模和阴模外套连接而成，阴模外套的下端通过下连板与下模板连接，阴模外套的上端与阳模外套之间设有定位保护机构，下中心打料杆、下圆周打料杆和回复杆通过下退料夹板固定在下退料板上。

作为改进，所述定位保护机构是由定位保护销和定位保护套组成，阳模外套的外边缘底部凹设有一缺口，定位保护销通过紧固螺钉固定在阳模外套底部的缺口位置，定位保护套通过紧固螺钉固定在阴模外套的上端面与定位保护销相对应，当模具闭合时，定位保护销与定位保护套需先于阳模与阴模外套接触。

作为改进，所述定位保护销与定位保护套的配合区长度控制在40mm～70mm之间，配合区的间隙控制在0.08mm～0.12mm之间。

再改进，所述阳模与阴模外套的配合区长度控制在35mm～50mm之间，配合区的间隙控制在0.15mm～0.18mm之间。

进一步，所述上退料夹板复位时与阳模的间隙尺寸需大于蝶形弹簧的最小压缩尺寸。

最后，所述阳模内芯、阳模内套、阳模和阳模外套通过内六角螺栓连接，在阳模内芯与阳模内套、阳模内套与阳模之间开设有便于型腔内气体排出的螺旋排气槽。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种采用上述灯上盖毛坯用挤压铸造模具制备灯上盖毛坯的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)原材料采用Al-Cu系ZL205A；

2)合金熔炼及净化处理：采用电阻坩埚炉熔炼，依次加入AlCu50、AlMn10、AlZr10、AlV10中间合金、纯度不低于99.95％的重熔用精铝锭；700℃～710℃时加入纯Cd，轻微搅拌；730℃～740℃采用旋转喷吹工艺精炼，精炼时间8分钟～15分钟；静置10分钟～15分钟后撇渣；720℃～740℃时加入AlTi5B1细化；调整温度至730℃～750℃，待浇注；

3)挤压铸造：采用灯上盖毛坯用挤压铸造模具进行挤压铸造，工艺参数为：模具温度：220℃～280℃、浇注温度：730℃～750℃、挤压铸造比压力：100MPa～160MPa、保压时间：60s～120s、工作速度，即阳模与铝合金液接触时及接触后的液压机活动滑块的下降速度：5mm/s～10mm/s；

4)热处理：灯上盖毛坯需进行T6处理，固溶处理加热升温分为3个阶段：第一阶段525℃～535℃，保温0.5h～1.5h；第二阶段530℃～540℃，保温0.5～1.5h；第三阶段535℃～545℃，保温12h～16h，水冷至室温；时效处理加热温度150℃～158℃，保温时间8h～10h，出炉空冷；固溶处理转移时间不超过15s，固溶处理至时效处理的停置时间小于等于4h。

作为优选，所述步骤2)中旋转喷吹工艺精炼的工艺参数为：转速：60转/分～90转/分钟、氮气压力：0.4MPa～0.5MPa、高纯氮气纯度：99.99％。

再改进，所述步骤3)中挤压铸造的具体过程为：

a、通过液压机活动滑块使上半型和下半型之间留有一定的工作空间，将步骤2)熔炼净化后的铝合金液在规定的浇注温度下经由陶瓷网过滤装置浇入由阳模内芯、阳模内套、阳模、阴模、阴模外套形成的经过预热的模具型腔内，人工撇除铝合金液表面的氧化皮；

b、采用快下速度下降液压机活动滑块，当阳模内芯、阳模内套、阳模靠近铝合金液表面时改用工作速度使其与铝合金液缓慢接触；

c、随着液压机活动滑块的继续下降，模具内气体排出，铝合金液开始充满型腔，阳模内芯、阳模内套、阳模、阴模、阴模外套开始对模具型腔内的铝合金液施加压力；

d、在规定的挤压铸造比压力下保压一定时间后，上升液压机活动滑块，如果灯上盖毛坯与上半型粘连，启动液压机的打料油缸，打料油缸推动上退料板下行，上退料板压缩蝶形弹簧，并推动上打料杆向下移动，使灯上盖毛坯与阳模内芯、阳模内套和阳模分离，退料动作完成后蝶形弹簧弹性变形力使上退料板恢复到初始位置；如果灯上盖毛坯与下半型粘连，启动液压机顶出油缸，顶出油缸通过顶塞和下退料板推动下中心打料杆、下圆周打料杆向上移动，使灯上盖毛坯与阴模分离，退料动作完成后油压机动横梁下行，闭合模具，阳模外套将回复杆下压，使下退料板恢复到初始位置。

最后，所述步骤4)的固溶处理加热升温3个阶段：第一阶段530℃，保温1h；第二阶段535℃，保温1h；第三阶段540℃，保温14h；时效处理加热温度154℃，保温时间9h，出炉空冷.

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)模具设计中设置定位保护机构，避免阳模与阴模外套发生啃模现象，对阳模与阴模外套起到保护作用；

2)分别在阳模内芯与阳模内套、阳模内套与阳模之间开设了螺旋排气槽，挤压铸造过程中凹型和阳模冲头形成封闭型腔内铝合金液内多余的气体能够通过劈缝内的排气槽排出型腔外部，消除了灯上盖毛坯末端由于排气不畅引起的气孔缺陷；

3)采用ZL205A合金和直接挤压铸造工艺制造灯上盖毛坯，通过优化挤压铸造工艺参数、改进模具设计，解决了国内早期采用间接挤压铸造工艺研制灯上盖毛坯由于工艺条件限制无法采用热裂倾向严重力的ZL205A合金的问题，试制的灯上盖毛坯的抗拉强度(R_m)远高于国内采用A356和间接挤压铸造工艺制造的灯上盖毛坯的力学性能，达到国际先进水平；

4)采用直接挤压铸造工艺成形灯上盖毛坯，阳模冲头直接加压于铸件的上端面和内表面，加压效果好，铸件致密，无缩孔、疏松等缺陷，试生产灯上盖毛坯的抗拉强度438MPa～446MPa，伸长率8％～13％；综合力学性能和性能均一性优于间接挤压铸造，能够满足灯上盖对力学性能的更高要求；另外，直接挤压铸造工艺无料饼及内浇道，金属利用率高，与间接铸造工艺相比，可以改善铸件内部质量，提高铸件力学性能。

附图说明

图1a～1b是本发明的机场跑道中线灯上盖毛坯的结构示意图，其中a为俯视图，b为仰视图；

图2是本发明的灯上盖毛坯用挤压铸造模具的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图2所示，一种机场跑道中线灯上盖毛坯用挤压铸造模具，该灯上盖毛坯用挤压铸造模具分为上半型和下半型两部分，

上半型主要由蝶形弹簧1、上退料夹板2、上退料板3、上模板5、上连板6、阳模内芯7、阳模内套8、阳模9、阳模外套10、上打料杆11及定位保护销13组成，各部件的连接方式为：上半型通过上模板5固定在液压机活动滑块上；上退料夹板2与上退料板3通过内六角螺栓固定在一起；上打料杆11通过上退料夹板2固定在上退料板3上，上退料板3与液压机打料油缸4相接触；蝶形弹簧1通过内六角螺栓连接在上退料夹板2下方；阳模内芯7、阳模内套8、阳模9、阳模外套10通过内六角螺栓连接；阳模外套10通过内六角螺栓与上连板6、蝶形弹簧1连接，通过紧固螺钉与定位保护销13连接；其中：当灯上盖毛坯12与上半型粘连时，液压机打料油缸4下行，蝶形弹簧1在上退料板3退料过程中被压缩，上退料板3推动上打料杆11向下移动，使灯上盖毛坯12与阳模内芯7、阳模内套8和阳模9分离，退料动作完成后蝶形弹簧1弹性变形力使退料板3恢复到初始位置；

下半型主要由定位保护套14、阴模15、下中心打料杆16、阴模外套17、下圆周打料杆18、回复杆19、下退料夹板20、顶塞21、下退料板22、下连板23、下模板24组成，各部件的连接方式为：下半型通过下模板24固定在液压机工作台上；下退料夹板20与下退料板22通过内六角螺栓固定在一起；下中心打料杆16、下圆周打料杆18、回复杆19通过下退料夹板20固定在下退料板22上；下退料板22与顶塞21相接触；阴模15、阴模外套17通过内六角螺栓连接；阴模外套17通过下连板23与下模板24连接，通过紧固螺钉与定位保护套14连接。其中：当灯上盖毛坯12与下半型粘连时，液压机顶出油缸上行，通过顶塞21和下退料板22，推动下中心打料杆16、下圆周打料杆18向上移动，使灯上盖毛坯12与阴模15分离，退料动作完成后油压机动横梁下行，闭合模具，阳模外套10将回复杆19下压，使下退料板22恢复到初始位置；

定位保护销13与定位保护套14组成对阳模9与阴模外套17起到保护作用定位保护机构，避免阳模9与阴模外套17发生啃模现象，设计中要使定位保护销13与定位保护套14的接触时机先于阳模9与阴模外套17接触，定位保护销13与定位保护套14的配合区长度控制在40mm～70mm之间，配合区的间隙控制在0.08mm～0.12mm之间，这样定位保护机构在上半型与下半型发生位错时损坏，对阳模9与阴模外套17起到保护作用；为了在施加压力过程中保证模具型腔内铝合金液密封良好，阳模9与阴模外套17的配合区长度控制在35mm～50mm之间，配合区的间隙控制在0.15mm～0.18mm之间；为了保证蝶形弹簧1在打料过程中不被上退料板3压垮，上退料夹板2复位时与阳模9的间隙尺寸需大于蝶形弹簧的最小压缩尺寸；为了保证挤压铸造过程中铸件排气良好，降低模具零部件维修、更换成本，在阳模外套10内部设置了阳模内芯7、阳模内套8和阳模9，并分别在阳模内芯7与阳模内套8、阳模内套8与阳模9之间开设了螺旋排气槽，挤压铸造过程中凹型和阳模冲头形成封闭型腔内铝合金液内多余的气体能够通过劈缝内的排气槽排出型腔外部。

实施例1

1)材料：ZL205A。

2)合金熔炼及净化处理：采用电阻坩埚炉熔炼。依次加入AlCu50、AlMn10、AlZr10、AlV10中间合金、纯度不低于99.95％的重熔用精铝锭；700℃时加入纯Cd，轻微搅拌；730℃采用旋转喷吹工艺精炼，精炼时间8分钟(转速60转/分钟、氮气压力0.4MPa、高纯氮气纯度99.99％。)；静置10分钟后撇渣；720℃时加入AlTi5B1细化；调整温度至730℃，待浇注。

3)挤压铸造：模具温度220℃，浇注温度730℃，挤压铸造比压力100MPa，保压时间60s，工作速度5mm/s。

4)热处理：机场跑道中线灯上盖毛坯需进行T6处理。固溶处理加热升温分为3个阶段：第一阶段530℃，保温1h；第二阶段535℃，保温1h；第三阶段540℃，保温14h，水冷(室温)；时效处理加热温度154℃，保温时间9h，出炉空冷。固溶处理转移时间8s，固溶处理至时效处理的停置时间0.2h。

5)材料性能和产品质量：本体解剖取样实测抗拉强度438MPa、伸长率8％；毛坯的尺寸符合图样规定，表面无毛刺、不存在冷隔、裂纹、缩孔等缺陷，本体解剖试样金相显微组织检查发现内部无裂纹，内部的缩孔、疏松不超过GB/T 9438第4.6条中Ⅰ类铸件指定部位的规定，远远超过了同类产品抗拉强度297MPa、伸长率9.4％的实际水平。

实施例2

1)材料：ZL205A。

2)合金熔炼及净化处理：采用电阻坩埚炉熔炼。依次加入AlCu50、AlMn10、AlZr10、AlV10中间合金、纯度不低于99.95％的重熔用精铝锭；705℃时加入纯Cd，轻微搅拌；735℃采用旋转喷吹工艺精炼，精炼时间12分钟(转速75转/分钟、氮气压力0.45MPa、高纯氮气纯度99.99％。)；静置12分钟后撇渣；730℃时加入AlTi5B1细化；调整温度至740℃，待浇注。

3)挤压铸造：模具温度250℃，浇注温度740℃，挤压铸造比压力130MPa，保压时间90s，工作速度8mm/s。

4)热处理：机场跑道中线灯上盖毛坯需进行T6处理。固溶处理加热升温分为3个阶段：第一阶段530℃，保温1h；第二阶段535℃，保温1h；第三阶段540℃，保温14h，水冷(室温)；时效处理加热温度154℃，保温时间9h，出炉空冷。固溶处理转移时间10s，固溶处理至时效处理的停置时间2h。

5)材料性能和产品质量：本体解剖取样实测抗拉强度446MPa、伸长率11％；毛坯的尺寸符合图样规定，表面无毛刺、不存在冷隔、裂纹、缩孔等缺陷，本体解剖试样金相显微组织检查发现内部无裂纹，内部的缩孔、疏松不超过GB/T 9438第4.6条中Ⅰ类铸件指定部位的规定，远远超过了同类产品抗拉强度297MPa、伸长率9.4％的实际水平。

实施例3

1)材料：ZL205A。

2)合金熔炼及净化处理：采用电阻坩埚炉熔炼。依次加入AlCu50、AlMn10、AlZr10、AlV10中间合金、纯度不低于99.95％的重熔用精铝锭；710℃时加入纯Cd，轻微搅拌；740℃采用旋转喷吹工艺精炼，精炼时间15分钟(转速90转/分钟、氮气压力0.5MPa、高纯氮气纯度99.99％。)；静置15分钟后撇渣；740℃时加入AlTi5B1细化；调整温度至750℃，待浇注。

3)挤压铸造：模具温度280℃，浇注温度750℃，挤压铸造比压力160MPa，保压时间120s，工作速度10mm/s。

4)热处理：机场跑道中线灯上盖毛坯需进行T6处理。固溶处理加热升温分为3个阶段：第一阶段530℃，保温1h；第二阶段535℃，保温1h；第三阶段540℃，保温14h，水冷(室温)；时效处理加热温度154℃，保温时间9h，出炉空冷。固溶处理转移时间15s，固溶处理至时效处理的停置时间4h。

5)材料性能和产品质量：本体解剖取样实测抗拉强度440MPa、伸长率13％；毛坯的尺寸符合图样规定，表面无毛刺、不存在冷隔、裂纹、缩孔等缺陷，本体解剖试样金相显微组织检查发现内部无裂纹，内部的缩孔、疏松不超过GB/T 9438第4.6条中Ⅰ类铸件指定部位的规定，远远超过了同类产品抗拉强度297MPa、伸长率9.4％的实际水平。

以上实施例仅说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。