鋁合金箱體鑄造工藝設計及數值模擬

孟凡奇

摘要：隨著社會的發展，我國的各行各業的發展也有了很大的改善。鑄造鋁合金因具有密度小、比強度高等優點，在現代航空、飛機制造、汽車、拖拉機、儀器儀表、電力等行業得到了廣泛應用，但鋁合金質輕、熱容量小、導熱快、極易氧化和吸氣，在鑄造時有較多工藝難點。根據模擬結果分析了鑄件產生缺陷的部位和原因，進而改進原始方案，通過工藝優化，消除了鑄件缺陷，克服了砂型鑄造鋁合金的許多工藝難點，提高了鑄件品質。

關鍵詞：鋁合金箱體 鑄造工藝設計 數值模擬

鑄件充型凝固過程計算機模擬已經成為鑄造行業以及材料加工工程學科發展的前沿領域，也是改造傳統鑄造產業的必由之路。經過幾十年的努力，鑄件充型凝固過程計算機模擬發展已經進入工程實用化階段，鑄造生產正在由憑經驗走向科學理論指導。鑄件充型凝固過程的數值模擬可以幫助工程技術人員在進行鑄造投產前對鑄件可能出現的各種缺陷及其大小、部位和發生的時間予以有效地預測，以便在制定鑄造工藝方案和澆注前采取對策，確保鑄件質量，縮短試制周期，降低生產成本。

1零件鑄造工藝性分析

箱體的最大壁厚為40mm，要求精度高，為防止零件厚大部位在鑄造過程中出現縮孔和縮松等鑄造缺陷，需要結合鋁合金鑄造特點進行補縮系統設計，這是一處難點。由于樹脂砂具有較好的流動性、易緊實、脫模時間可調節、硬化后強度高、在其后的搬運及合箱過程中不變形;并且樹脂砂的剛度高，在澆注和凝固過程基本上無形壁位移現象，因此樹脂砂工藝能使砂型（芯）達到高的尺寸精度;同時樹脂砂不用烘干，縮短了生產周期，節省了能源。省去了烘干工序，型砂易緊實，潰散性好易清理等。因此我們選擇呋喃自硬樹脂砂來造型和制芯。殼體零件的材質是ZL101合金，鑄件要求組織致密，不能有縮松、縮孔、裂紋等缺陷，在0.5MPa煤油的壓力下進行氣密性試驗，保持5min不滲透。

2鑄造工藝設計

2.1澆注位置與分型面

殼體的重量約為810g，屬于小型鑄鋁件，內部結構復雜，最小壁厚為3mm，最大壁厚為8mm，且薄壁部分占較大比例，整體零件屬于薄壁件。采用自硬呋喃樹脂砂水平造型，一模兩件，冷芯盒制芯，傾轉澆注工藝。由圖1可見，該件在軸向是對稱結構，因此，為了形成鑄件的內腔，設計鑄件有四個需要鑄出的孔。

2.2澆注系統設計

鑄鋁件的澆注系統通常推薦使用底注開放式結構，以避免鋁液澆注時發生飛濺而氧化，同時底注式能夠確保充型平穩，減少鋁液的吸氣。阻流截面設置在直澆道下方，采用澆注系統的水力學方法，得到單個鑄件的阻流截面積的理論值為3.4cm2。由鋁鑄件的澆注重量與直澆道截面積的經驗關系，得到直澆道的直徑范圍為14～20mm，實際取20mm。澆注時間為6.2s。根據鋁合金澆注系統各組元常用截面比，選擇F直：F橫：F內=1：2：2。由于是一模兩件，所以單個鑄件的內澆道和橫澆道的理論截面積都為3.4cm2。因扁平內澆道能有效防止金屬液吸渣，并能調節鑄件溫度和凝固順序，所以內澆道采用扁平型。設計內澆道的高度為9mm，上、下寬為38mm。將橫澆道設計為圓形，直徑為20mm。

2.3冒口的設計

殼體鑄件的不均勻壁厚有三個熱節部位。但因產生的熱節部位都在下箱，且集中在鑄件兩端。因此在殼體遠離澆口末端設置一個明冒口，直徑為64mm，高度為90mm，冒口的斜度按照1：10設計。在靠近橫澆道末端設置一個暗冒口，在澆注時也可起到集渣作用，其直徑為38mm，高度為60mm。由于采用傾轉澆注工藝，在澆注完成后將砂箱直立起來，鑄件末端的冒口可以補縮熱節部位。

3鑄造過程數值模擬

采用Pro/E軟件分別畫出鑄件、澆注系統和冒口三維圖，并將其裝配在一起，然后導入ProCast中劃分網格，鑄件和澆注系統的網格大小為15mm，砂箱和砂型的網格大小為30mm，然后在ProCast中進行充型模擬。通過模擬發現，在充型過程中，金屬液在重力的作用下由澆口杯通過直澆道、橫澆道和內澆道，然后進入了型腔，液面從下向上依次充滿型腔，實現了緩流的目的。但厚大部位熱量過于集中，容易形成縮孔、縮松等缺陷。因此，在厚大部位處增設冒口，將縮松轉移至冒口。隨著澆注的進行，鑄型由水平位置轉動到豎直位置，金屬液平穩充填型腔，6.2s完成充型。充型結束時液態金屬溫度都在結晶溫度以上，并未出現澆不足和冷隔現象。在傾轉澆注過程中金屬液的充型動力除了自身的重力外，主要來自于傾轉引起的靜壓頭的增加。然而，與重力澆注最大的區別在于傾轉澆注時金屬液的充型速度是緩慢增加的，因此金屬液流充型平穩，對型腔的沖刷力較小，能實現金屬液流在型腔中的層流充填和順序排氣，避免了金屬液流在型腔內的紊流或飛濺。表面缺陷主要集中分布在鑄件頂部的冒口區，這些表面缺陷是由于鋁液在充型過程中流動前沿被氧化形成的氧化物留在了充型末端區。由于該鑄件上的冒口區均為充型末端區，因此表面缺陷主要集中在冒口中。鑄件上的兩處冒口區的溫度最高，鑄件溫度較低，表明鑄件是按照順序凝固的方式進行，冒口能夠起到補縮作用。收縮類缺陷都留在冒口中，只有極少的收縮缺陷分布于鑄件中。由此可見，本文中設計的傾轉澆注工藝方案較為合理，達到了鑄件的質量要求。采用開放式澆注系統，使用集渣包進行擋渣及排氣，能使鑄件平穩充型。通過充型模擬可以看到，采用此澆口形式，既避免了金屬液對鑄件型芯的沖擊，同時分散了澆注過程熱量，充型平穩，冒口也起到了很好的補縮效果。

4結語

分析了鑄件的結構及鑄造特點，采用砂型鑄造，對澆注系統進行了設計，運用AnyCasting軟件對鑄件的充型過程、凝固過程以及缺陷分布進行了數值模擬分析，根據模擬結果，分析鑄件產生缺陷的部位和原因，通過設置冷鐵和冒口，改進澆注系統等方法，有效的減少了縮松、縮孔等缺陷，達到了工藝優化的目的。

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（作者單位：中國航發哈爾濱東安發動機有限公司）