大型薄壁鋁合金殼體鑄造成形工藝仿真應用研究

■ 王華僑，李玉勝，王永鳳，劉泳伸，宋豫娟

一、產品結構工藝特點

某大型薄壁鋁合金殼體外形屬于不規則形狀（見圖1），壁厚3.5mm，內腔為鑄造表面不加工，外表面加工；精加工后尺寸精度為（3.5±0.5）mm，鑄件重量60kg，公差為±5%，屬于典型薄壁鑄件。此類鑄件國內通常采用鍛坯機械加工，或機械加工-組焊等工藝方法成形，傳統工藝方法加工周期長，成本高。國外普遍采用鑄造方法制造。目前國內也有部分廠家能夠生產此類鑄件，但僅局限于圓筒類結構、直徑＜800mm、高度＜1000mm的鑄件，像這種直徑和高度均大于1000mm的非軸對稱異形鑄件目前國內還為首次。

鑄件材料為ZL114A，該鋁合金為鋁硅合金系列中力學性能指標最高，其材料純度要求高，合金熔煉工藝復雜，尤其要保證鑄件整體性能均勻一致，因此熔煉工藝和鑄造工藝必須采取特殊的手段加以保證。精加工后壁厚公差要求需在模具設計、加工、鑄造過程和熱處理等幾個方面采取措施加以控制，才可能保證尺寸精度。

鑄件內部質量要求較高，內部鑄造缺陷級別要求嚴。鑄件要求整體全部無損檢測，級別按HB963—2005標準中規定的I類鑄件驗收，內外表面進行100%熒光檢測。這給鑄造過程的控制增加了很大難度，必須對鑄造過程進行計算機模擬，對鑄件充型和凝固過程進行優化設計，從而保證鑄件充型過程平穩可控，不卷氣造渣，消除氣孔和夾雜缺陷，保證鑄件的順序凝固，消除縮松、縮孔等缺陷。

二、工藝總體方案

根據薄壁殼體鑄件的結構特征和鑄造工藝難點分析，決定選擇樹脂砂型、低壓鑄造澆注方法作為該大型薄壁殼體研制的成形工藝手段。低壓鑄造也稱為反重力澆注，澆注工藝參數可根據鑄件的不同結構和鑄型的不同材料而確定。澆注時，合金液在可控壓力的作用下充型，能有效地控制充型速度，合金液充型平穩。減少或避免充型時的翻騰、沖擊及飛濺現象，從而減少氧化夾渣和氣孔等鑄造缺陷的形成，提高鑄件質量。此外，合金液在壓力下充型，可以提高合金液的流動性，有利于獲得輪廓清晰的鑄件。同時鑄件在壓力作用下結晶凝固，可獲得組織致密的鑄件，提高鑄件的力學性能。

樹脂砂造型具有很高的工藝靈活性，可以使用強化激冷、加強補縮、充分過濾等工藝措施，創造有利的溫度梯度，形成較好的凝固順序，也有利于獲得組織致密、性能優良的高強韌性鑄件。

圖1 薄壁殼體

因此，將兩者結合能夠達到薄壁殼體的技術要求。

采取如下具體工藝方案和工藝參數：

鑄件外形模樣選用木質結構，采用自硬樹脂砂以保證鑄件外形具有較高的強度及整體性，有利于保證鑄型精度；鑄件內腔芯盒選用鋁質結構，內芯也采用自硬樹脂砂制作，可較好地保證鑄件的尺寸精度；采用均布縫隙澆口，鋁液自下而上充型平穩且干凈，各澆道流量均勻，防止過熱和紊流，鑄件沿圓周方向均衡凝固，軸向方向自上而下順序凝固，從而保證力學性能一致；縫隙澆口間和鑄件上下法蘭處放置隨形冷鐵，提高鋁液凝固時過冷度，進一步細化晶粒，以提高其力學性能；機械加工余量外表面設計8～10mm，內表面不留余量；鑄件收縮率軸向按0.8%、徑向按0.5%控制設計。

對于如此大的鑄件要保證其尺寸及重量公差要求，采用通常木質結構芯盒難以保證其尺寸精度和重量公差，故采用了金屬芯盒裝配結構，材質選用經穩定化處理的鑄鋁材料，其結構如圖2所示，為兩半對開結構，整個芯盒內表面通過數控加工中心加工成形，從而保證其尺寸精度。為方便起型，筋條部分做成活塊，如圖3所示。

三、關鍵技術措施

如前所述，薄壁殼體關鍵鑄造工藝技術主要通過三個方面進行控制，包括鑄件內部質量、材料性能及本體切取性能、鑄件尺寸精度。

1. 鑄件內部質量控制

鋁合金鑄件常見缺陷有夾雜、氣孔、縮孔、縮松及針孔等，通過下列手段分別加以控制和解決。

其一，低壓鑄造工藝充型平穩，避免充型過程中卷氣造渣，可以消除夾雜和氣孔等鑄造缺陷。

其二，縫隙澆口配合冷鐵保證鑄件合理的凝固次序。縫隙澆口保證鑄件自上而下的凝固順序，縫隙澆口之間放置冷鐵形成橫向溫度梯度，建立了凝固的橫向補縮通道，即通過低壓鑄造加壓過程實現縫隙澆口的橫向補縮作用，從而消除了鑄件縮孔、縮松等鑄造缺陷。

其三，針孔的消除主要通過三個途徑解決：爐前采用復合精煉工藝，并配合檢測儀器控制鋁液中渣、氣含量，提高鋁液的冶金質量；采用低壓澆注工藝方法，避免充型過程吸氣，另外低壓澆注溫度可比普通重力澆注溫度低30～40℃，也大幅減少吸氣傾向；增強鑄件激冷條件，使其快速冷卻，抑制針孔析出。鑄件上下法蘭、厚大部位及縫隙澆口之間放置冷鐵正是基于此點所考慮。

2. 材料性能和本體性能

（1）原材料選購 鋁錠選用重熔精鋁，純度為99.99%；中間合金嚴格控制有害雜質元素含量，入廠進行復檢。

（2）優化熔煉工藝 盡量不使用或少用鐵質熔煉工具，避免鋁液增鐵；嚴格執行ZL114A熔煉工藝規程。

（3）冶金質量的控制 爐前密度法檢測鋁液中渣、氣含量；澆注前取樣觀察斷口形貌，判斷變質效果。

3. 鑄件尺寸精度控制

精度要求采用普通砂型鑄造方法是無法達到的，為了滿足設計要求，在設計合理的收縮率的前提下需從如下四個方面進行工藝和質量控制。

第一，優化芯盒結構設計，采用數控加工中心加工芯盒，以保證其尺寸精度。

第二，型砂及粘結劑種類、砂芯緊實度、鑄造收縮率、澆注溫度、澆注速度等鑄造工藝參數需通過試驗選定（某些參數可根據經驗確定）。

圖2 內芯金屬芯盒結構

圖3 內芯內腔結構

第三，凝固收縮變形的控制，主要通過在鑄件薄弱部位增置鑄造工藝拉筋以增加其整體剛度，從而使鑄件線收縮時的收縮阻力均勻，以達到減小鑄件變形的目的。

第四，熱處理淬火變形的控制，主要是通過優化設計的限位、校正工裝和精確測量檢具加以保證。

4. 鑄造工藝過程模擬仿真

根據計算并結合實際經驗初步確定了低壓鑄造工藝參數，但是否合理尚需進一步驗證，為此應用計算機數值模擬計算對薄壁殼體鋁合金鑄件充型和凝固過程進行了模擬試驗，并且對工藝方案進行改進和優化。計算機模擬情況如下。

（1）初始及邊界條件的建立 ①根據鑄件毛坯圖樣和鑄造工藝圖樣建立鑄件、冷鐵、砂型的三維模型，如圖4所示。②對立體圖形進行網格剖分，單元格總數為4 838 130個。③鑄型及內芯選用呋喃樹脂砂，冷鐵按位置對應擺放，材質為鋁質材料，調用數據庫的相應參數進行邊界條件設定。④設定工藝參數：澆注溫度720℃；充型時間161s；鑄型、冷鐵溫度26℃。

（2）鑄造工藝模擬仿真結果 根據確定的鑄造工藝方案和澆注、補縮系統的初步設計，應用AnyCasting鑄造成形工藝過程模擬軟件進行工藝仿真。對鑄件的充型、凝固過程進行多次模擬（見圖5、圖6），對澆注系統、補縮冒口及冷鐵的尺寸、形狀、位置等進行了反復調整，形成了有利的充型及凝固順序，消除了潛在的溫度場不均勻、補縮效果不良等不利因素。

圖4 鑄件及流道三維示意

圖5 鑄液充型過程模擬示意

圖6 鑄件凝固過程模擬示意

由充型模擬結果可見，金屬液經縫隙澆道平穩進入型腔，未發現渦流卷氣現象。同時，充型過程中鑄件的各部分區域溫度分配比較合理。凝固模擬結果可觀測到，鑄件的凝固次序比較理想，鑄件上縫隙澆道之間的部分最先凝固，并且鑄件上下部基本同時凝固；鑄件各縫隙澆道附近區域凝固遲于縫隙澆道中間部分，縫隙澆道遲于鑄件本體凝固。鑄件整體溫度分布合理，處于較好的整體同時凝固、局部順序凝固狀態，鑄件整體凝固和補縮次序比較合理。但鑄件本體局部順序凝固的溫度梯度是否合理，能否滿足鑄件補縮要求，鑄件指定區域的絕對凝固速度是否合適，能不能確保該處力學性能控制在規定范圍之內還不能確定，尚需實際生產驗證，并做優化調整。

5. 生產效果

根據薄壁殼體鋁合金鑄件尺寸大、形狀復雜的特點，結合鋁合金鑄件生產經驗及計算機數值模擬結果，采用低壓澆注，樹脂砂精密制芯及組芯組型技術，獨特合金熔煉技術和熱處理技術，合理的工藝流程，可以獲得優質合格的薄壁殼體鋁合金鑄件。鑄件的力學性能合格，見附表。

鑄件三維掃描內外形檢測數據如圖7所示。艙段殼體外形加工余量6mm，實測6～7.5mm；內形輪廓度1mm，實測-0.7～0.4mm。①內部型腔非加工表面整體輪廓度較好-0.7～0.4mm，加強筋對普遍偏小，比理論值低1～1.5mm。②外表面加工余量6mm，實測6～7. 5mm，個別偏離數據較大點是實物表面有凹坑類缺陷，不參與判讀。③前端面余量實測3～4.5mm，前端面內表面余量偏大2～3mm。④后端面余量實測值6～7mm，后端面內表面應沒有余量，但實際存在5～6mm余量。

6. 鑄件數控加工

鑄件熱處理后基本不變形，變形量小于0.2mm；在鑄造后已進行了兩次熱處理，第一次是矯形，第二次是大余量粗加工后退火處理。產品數控機械加工后實物如圖8所示。零件的壁厚值不滿足設計要求，尺寸3.5mm處實測3.07～7.79mm（鑄造內表面局部有凹坑），共測514點，滿足壁厚（3.5±0.5）mm尺寸點134個，占28.3% ，壁厚大或小的點主要集中在加強筋側面。3D掃描外形曲面輪廓度，以小端+兩銷孔對齊，-0.2～0.35mm，局部0.66mm。端框內表面應該是非加工表面，但是由于余量太大，現已進行了機械加工，局部機械加工不到的位置端框厚度比理論值厚大3～6mm。

圖7 鑄件三維掃描點示意

圖8 產品實物

艙段鑄件力學性能檢測結果

四、結語

大型薄壁鋁合金殼體鑄造成形工藝總體方案基本合理，通過鑄造仿真模擬優化了澆注系統設計。產品鑄造實物無力學性能缺陷，無鑄造缺陷；鑄件軸向和徑向的收縮率設置基本可控，鑄造后期所采取的熱處理及矯形控制措施有效，可基本滿足鑄造內形面整體輪廓度要求和最終壁厚要求，實現了研制的產品質量目標。