航空发动机复杂铝合金壳体铸造工艺及模具的制作方法

本发明属于铝合金铸造技术领域，涉及一种铝合金壳体铸造工艺及模具，尤其涉及一种航空发动机复杂铝合金壳体铸造工艺及模具。

背景技术：

航空发动机燃油附件的铝合金壳体具有精密型、轻型化的特征，多呈现结构复杂、壁厚不均、结构镂空、铸造油路多等特点。该铝合金壳体的各项性能和技术指标要求非常高，压力腔体往往要进行非常高的强度试验及气密性试验，要求铸件必须有相当高的组织致密性，而电磁阀壳体部分则对组织致密性的要求略低，是具有不同功能的复杂铝合金壳体。现有技术中，燃油附件铝合金壳体铸件的质量严重制约着航空发动机燃油控制系统的使用性能，制约新研产品整体研制进度，且集合多项功能的薄壁复杂结构壳体是航空发动机发展趋势，但其铸造成型工艺技术的要求较高。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种铸造质量完好、力学性能高、可实现镂空结构成形及减重制造为目的航空发动机复杂铝合金壳体铸造工艺及模具。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种航空发动机复杂铝合金壳体铸造工艺，其特征在于：所述航空发动机复杂铝合金壳体铸造工艺包括以下步骤：

1)对待铸造的复杂铝合金壳体的结构进行分析，判断待铸造的复杂铝合金壳体是否存在混合壳体，若是则进行步骤2)；若否，则直接退出；所述混合壳体是无密封性要求壳体以及有致密性要求壳体自上而下的叠加；

2)对于无密封性要求壳体，采用砂型铸造工艺成型砂型铸型；对于有致密性要求壳体，采用金属型铸造工艺成型金属型铸型；

3)将砂型铸型以及金属型铸型合模，形成混合铸型；

4)应用模流分析软件对步骤3)得到的混合铸型进行模流分析，优化混合铸型；

5)模具加工制造并得到模具实物；

6)根据常规铸造工艺对步骤5)所得到的模具实物进行浇铸得到铸件成品。

上述步骤2)中砂型铸型的具体实现方式是：

a1)铸型对无密封性要求壳体采用砂型铸造工艺成型砂型铸型；所述砂型包括相互独立的砂型以及砂芯；所述砂芯安装于砂型上并与砂型之间形成空腔；

a2)在砂型铸型的底部设置用于与金属型铸型连接的定位凹槽和/或定位凸块；

所述步骤2)中金属型铸型的具体实现方式是：

b1)对有致密性要求壳体采用金属型铸造工艺成型金属型铸型；所述金属型铸型包括相互独立的金属型后模块、金属型右模块、金属型底模块、金属型前模块以及金属型左模块；所述金属型后模块、金属型右模块、金属型底模块、金属型前模块以及金属型左模块在使用时拼接成整体的金属型铸型；

b2)在步骤b1)所形成的金属型铸型金属型后模块的上端部、金属型右模块的上端部、金属型前模块的上端部和/或金属型左模块的上端部设置用于与砂型铸型连接的且与定位凹槽和/或定位凸块相匹配的定位凸块和/或定位凹槽；

所述待铸造的复杂铝合金壳体内部设置有置于无密封性要求壳体内部的无密封性要求壳体内部的油路砂芯以及置于金属型底模块上的有致密性要求壳体内部的油路砂芯；

所述无密封性要求壳体内部的油路砂芯与无密封性要求壳体之间形成第一空腔；所述有致密性要求壳体内部的油路砂芯与有致密性要求壳体之间形成第二空腔；所述第一空腔与第二空腔相贯通。

上述步骤3)的具体实现方式是：

3.1)将有致密性要求壳体内部的油路砂芯安装于金属型底模块；

3.2)将金属型后模块、金属型右模块、金属型前模块以及金属型左模块合模并置于金属型底模块上；所述金属型后模块、金属型右模块、金属型前模块以及金属型左模块合模后与有致密性要求壳体内部的油路砂芯之间形成第二空腔；

3.3)将对无密封性要求壳体的砂型铸型整体安装在由金属型后模块、金属型右模块、金属型底模块、金属型前模块以及金属型左模块拼接成的整体金属型铸型上表面并通过定位凸块以及定位凹槽连接；

3.4)在对无密封性要求壳体的砂型铸型外部进行砂芯包裹。

一种航空发动机复杂铝合金壳体铸型，其特征在于：所述航空发动机复杂铝合金壳体铸型包括砂型铸型、内部油路铸型以及金属型铸型；所述砂型铸型置于金属型铸型上部并与金属型铸型相连；所述砂型铸型以及金属型铸型形成整体壳体外形铸型；所述内部油路铸型是砂型铸型；所述内部油路铸型置于由砂型铸型和金属型铸型形成的整体壳体外形铸型内部；所述内部油路铸型与砂型铸型之间形成第一空腔；所述内部油路铸型与金属型铸型之间形成第二空腔，所述第一空腔与第二空腔相贯通。

上述金属型铸型包括相互独立的金属型后模块、金属型右模块、金属型底模块、金属型前模块以及金属型左模块；所述金属型后模块、金属型右模块、金属型前模块以及金属型左模块分别设置在金属型底模块的外边缘；所述金属型后模块、金属型右模块、金属型底模块、金属型前模块以及金属型左模块共同拼接成整体的金属型铸型。

上述砂型铸型底部设置有与金属型铸型连接的定位凹槽和/或定位凸块；所述金属型铸型上设置有与砂型铸型连接的且与定位凹槽和/或定位凸块相匹配的定位凸块和/或定位凹槽；所述砂型铸型通过定位凹槽和/或定位凸块与金属型铸型相连。

上述砂型铸型是由一个或多个砂芯组成的砂芯组。

上述内部油路铸型是由一个或多个砂芯组成的砂芯组。

本发明的优点是：

本发明提供了一种航空发动机复杂铝合金壳体铸造工艺及模具，该工艺包括对待铸造的复杂铝合金壳体的结构进行分析，判断待铸造的复杂铝合金壳体是否存在混合壳体，混合壳体是无密封性要求壳体以及有致密性要求壳体自上而下的叠加；当存在混合壳体时，对于无密封性要求壳体，采用砂型铸造工艺成型砂型铸型；对于有致密性要求壳体，采用金属型铸造工艺成型金属型铸型；将砂型铸型以及金属型铸型结合，形成混合铸型；应用模流分析软件对混合铸型进行模流分析，优化混合铸型；模具加工制造并得到模具实物；根据常规铸造工艺对所得到的模具实物进行浇铸得到成品。本发明针对不同结构对产品性能需求的不同，分区域设计铸造工艺。上部电磁阀壳体部分采用砂型铸造工艺成型，下部高压腔体部分采用金属型铸造工艺成型。将冶金质量要求较低而又壁厚仅为5mm的电磁阀部分采用砂型成型工艺，具体为此电磁阀壳体结构部位，外形及内腔形状全部采用砂型铸造成型方法，浇注完成后壳体外部由砂芯包裹，内部油路也由砂芯成形。其整体成型砂芯组型后配装于下方金属模块，用于安装砂芯组的金属模块上设置有砂芯定位凹槽和定位凸块，以保证此部位成形件与下部高压腔体成形件交接处的尺寸精度。下部分高压腔体结构部位采用金属型铸造工艺，浇注完成后壳体外部由金属型材料包裹，内部复杂油路由砂芯成形。保证了此部位结构快速凝固，所得到的铸件组织更加致密，机械性能优异。电磁阀壳体部分铸件是形成复杂油路的砂芯与外围砂型、砂芯与砂芯之间的空腔在金属液填充凝固后形成，高压腔体部分铸件是形成复杂油路的砂芯与外围金属型、砂芯与砂芯之间的空腔在金属液填充凝固后形成。形成电磁阀壳体部分铸件的空腔与形成高压腔体部分铸件的空腔是上、下贯通的。电磁阀壳体砂型的上方为冒口砂套结构，其与电磁阀壳体砂型为一个整体制造成型。电磁阀壳体上方部位正对冒口可直接补缩，保证高压腔体无冶金缺陷。

附图说明

图1是航空某铝合金壳体的结构示意图；

图2是本发明所提供的模具爆炸分解图；

图3是本发明所采用的不同砂型/砂芯组安装顺序示意图；

其中：

1-砂型铸型；2-金属型后模块；3-金属型右模块；4-金属型底模块；5-金属型前模块；6-金属型左模块；7-砂型；8-砂芯。

具体实施方式

本发明提供了一种航空发动机复杂铝合金壳体铸造工艺，该航空发动机复杂铝合金壳体铸造工艺包括以下步骤：

1)对待铸造的复杂铝合金壳体的结构进行分析，判断待铸造的复杂铝合金壳体是否存在混合壳体，若是则进行步骤2)；若否，则直接退出；混合壳体是无密封性要求壳体以及有致密性要求壳体自上而下的叠加；

2)对于无密封性要求壳体，采用砂型铸造工艺成型砂型铸型；对于有致密性要求壳体，采用金属型铸造工艺成型金属型铸型；其中，砂型铸型的具体实现方式是：

a1)铸型对无密封性要求壳体采用砂型铸造工艺成型砂型铸型；砂型包括相互独立的砂型以及砂芯；砂芯安装于砂型上并与砂型之间形成空腔；

a2)在砂型铸型的底部设置用于与金属型铸型连接的定位凹槽和/或定位凸块；

金属型铸型的具体实现方式是：

b1)对有致密性要求壳体采用金属型铸造工艺成型金属型铸型；金属型铸型包括相互独立的金属型后模块、金属型右模块、金属型底模块、金属型前模块以及金属型左模块；金属型后模块、金属型右模块、金属型底模块、金属型前模块以及金属型左模块在使用时拼接成整体的金属型铸型；

b2)在步骤b1)所形成的金属型铸型金属型后模块的上端部、金属型右模块的上端部、金属型前模块的上端部和/或金属型左模块的上端部设置用于与砂型铸型连接的且与定位凹槽和/或定位凸块相匹配的定位凸块和/或定位凹槽；

待铸造的复杂铝合金壳体内部设置有置于无密封性要求壳体内部的无密封性要求壳体内部的油路砂芯以及置于金属型底模块上的有致密性要求壳体内部的油路砂芯；

无密封性要求壳体内部的油路砂芯与无密封性要求壳体之间形成第一空腔；有致密性要求壳体内部的油路砂芯与有致密性要求壳体之间形成第二空腔；第一空腔与第二空腔相贯通。

3)将砂型铸型以及金属型铸型合模，形成混合铸型，具体合模的实现方式是：

3.1)将有致密性要求壳体内部的油路砂芯安装于金属型底模块4；

3.2)将金属型后模块2、金属型右模块3、金属型前模块5以及金属型左模块6合模并置于金属型底模块4上；金属型后模块2、金属型右模块3、金属型前模块5以及金属型左模块6合模后与有致密性要求壳体内部的油路砂芯之间形成第二空腔；

3.3)将对无密封性要求壳体的砂型铸型整体安装在由金属型后模块2、金属型右模块3、金属型底模块4、金属型前模块5以及金属型左模块6拼接成的整体金属型铸型上表面并通过定位凸块以及定位凹槽连接；

3.4)在对无密封性要求壳体的砂型铸型外部进行砂芯包裹。

4)应用模流分析软件对步骤3)得到的混合铸型进行模流分析，优化混合铸型；

5)模具加工制造并得到模具实物；

6)根据常规铸造工艺对步骤5)所得到的模具实物进行浇铸得到成品。

参见图2，本发明还提供了一种航空发动机复杂铝合金壳体铸型，该航空发动机复杂铝合金壳体铸型包括砂型铸型、内部油路铸型以及金属型铸型；砂型铸型置于金属型铸型上部并与金属型铸型相连；砂型铸型以及金属型铸型形成整体壳体外形铸型；内部油路铸型是砂型铸型；内部油路铸型置于由砂型铸型和金属型铸型形成的整体壳体外形铸型内部；内部油路铸型与砂型铸型之间形成第一空腔；内部油路铸型与金属型铸型之间形成第二空腔，第一空腔与第二空腔相贯通。

其中：金属型铸型包括相互独立的金属型后模块2、金属型右模块3、金属型底模块4、金属型前模块5以及金属型左模块6；金属型后模块2、金属型右模块3、金属型前模块5以及金属型左模块6分别设置在金属型底模块4的外边缘；金属型后模块2、金属型右模块3、金属型底模块4、金属型前模块5以及金属型左模块6共同拼接成整体的金属型铸型。

砂型铸型底部设置有与金属型铸型连接的定位凹槽和/或定位凸块；金属型铸型上设置有与砂型铸型连接的且与定位凹槽和/或定位凸块相匹配的定位凸块和/或定位凹槽；砂型铸型通过定位凹槽和/或定位凸块与金属型铸型相连。

砂型铸型是由一个或多个砂芯组成的砂芯组。

内部油路铸型是由一个或多个砂芯组成的砂芯组。

本发明是针对此类功能集合型复杂铝合金壳体铸件，提供一种铸造方法，用于航空发动机复杂铝合金壳体铸件的生产，可用于生产出组织致密性好，机械性能优良，尺寸精度高，表面及内部质量优异的铸件。

如图1所示，某航空发动机含有复杂的铝合金壳体结构，其上部电磁阀壳体部分壁厚薄且无密封性要求，下部是高压腔体油路要求有19.5～20mpa的抗压能力且组织致密性要求高。本发明针对不同结构对产品性能需求的不同，分区域设计铸造工艺。上部电磁阀壳体部分采用砂型铸造工艺成型，下部高压腔体部分采用金属型铸造工艺成型。将冶金质量要求较低而又壁厚仅为5mm的电磁阀部分采用砂型成型工艺，具体为此电磁阀壳体结构部位，外形及内腔形状全部采用砂型铸造成型方法，浇注完成后壳体外部由砂芯包裹，内部油路也由砂芯成形。其整体成型砂芯组型后配装于下方金属模块，用于安装砂芯组的金属模块上设置有砂芯定位凹槽和定位凸块，以保证此部位成形件与下部高压腔体成形件交接处的尺寸精度。下部分高压腔体结构部位采用金属型铸造工艺，浇注完成后壳体外部由金属型材料包裹，内部复杂油路由砂芯成形。保证了此部位结构快速凝固，所得到的铸件组织更加致密，机械性能优异。电磁阀壳体部分铸件是形成复杂油路的砂芯与外围砂型、砂芯与砂芯之间的间隙在金属液填充凝固后形成，高压腔体部分铸件是形成复杂油路的砂芯与外围金属型、砂芯与砂芯之间的间隙在金属液填充凝固后形成。电磁阀壳体砂型的上方为冒口砂套结构，其与电磁阀壳体砂型为一个整体制造成型。电磁阀壳体上方部位正对冒口可直接补缩，保证高压腔体无冶金缺陷。

为进一步保证电磁阀腔体与高压腔体的使用性能，将两种结构分界点选在电磁阀腔体底部向下2-3mm处，以保证此部位砂型铸造与下方高压腔体的金属型铸造部位过渡段不会影响电磁阀腔体下方的高压腔油路的使用性能。

铸造工艺方案及模具设计：根据集合型复杂铝合金壳体结构及对产品的使用技术要求，结合各铸造工艺成型特点设计铸件成型工艺方案，并结合设备参数最终完成铸型设计；

模流分析及工艺优化：应用模流分析软件对设计完成的铸件及模具三维模型，结合铸造生产工艺参数进行模流分析，优化改进铸造工艺方案及三维模型；

模具加工制造：采用优化后的铸型及芯盒模具三维模型，加工制造完成模具实物；

配料：按照此产品所使用材料的合金熔炼配料成分比例配制铝合金材料；

制芯及清理、涂补：采用热芯盒模具吹制形成壳体铸造内腔的砂芯，砂芯应无掉砂、缺块、破损。采用油石轻微打磨分型面处的披缝、毛刺，打磨后的表面采用修补涂料进行涂补；

砂芯组装：将需要整体组装后再使用的砂芯进行粘接装配，要求组装部位表面光滑、平整，不允许有缝隙或凹坑；

熔化精炼：将配制好的铝合金材料进行熔化、精炼处理；

下芯、浇注：将准备好的砂芯装配到金属型倾转铸型中，并采用预设及倾转浇注参数进行浇注，获得金属型重力倾转铸造铸件；

除芯：去除铸件中的砂芯，形成铸件内腔；

切割、清理：切除铸件浇、冒系统，并对铸件表面毛刺、披缝进行打磨清理。

固溶处理、时效处理：将清理后的铸件进行固溶及时效热处理；

无损检测：采用x射线或实时成像对热处理后的铸件内部质量进行检查。

终检、入库。

如图2所示，在模具设计阶段，砂型铸型1用于铸造形成电磁阀壳体部分，金属型后模块2、金属型右模块3、金属型底模块4、金属型前模块5以及金属型左模块6整体形成金属型铸型。电磁阀壳体部分由砂型铸型1及安装于其上的砂芯共同成形，砂型铸型1是在金属型后模块2、金属型右模块3、金属型前模块5以及金属型左模块6合模后，整体安装于模具之上。

如图3所示，在下芯、浇注过程中，形成壳体内部油路的砂芯8由4个独立小砂芯构成，生产中首先将砂芯8安装于金属型底模块4上，再将金属型后模块2、金属型右模块3、金属型前模块5以及金属型左模块6合模后，将砂型7安装于外模之上，砂型7由3个独立的小砂芯组装而成。

通过本发明所提供的航空发动机复杂铝合金壳体铸造工艺方法铸造的壳体铸件，由于压力腔部分采用金属型铸造工艺方法，所得到的铸造壳体尺寸精度高，表面质量好，而且由于铸件冷却速度快所得到的组织致密，力学性能好。电磁阀壳体部分采用砂型铸造工艺方法，有效的实现了复杂结构及薄壁部位的成型。两种工艺方法的结合实现了航空发动机壳体镂空结构成形及减重制造的目的。