論鋁合金鑄造工藝優化技術的應用與發展

付英杰

（貴州航天風華精密設備有限公司，貴州 貴陽 550000）

1 鋁合金鑄造研究的現狀

鋁合金鑄造的零件由于其外觀優良，質量輕，加工性能優越，物理化學性能優良，已被廣泛地用于許多工業部門。但是，由于鋁合金的凝固溫度范圍大，所以在澆注時，很可能會產生縮孔縮松等問題，從而導致產品的性能下降。本研究采用現代的計算機技術，經過多次實驗，找準了最優的澆注工藝，并利用計算機仿真來解決問題，從而達到改善產品的質量和縮短生產時間的目的。

鑄造工藝的優點是：不僅可以得到機械部件的外形，還可以改善其內部結構，從而提高其機械性能。通常，對受力大、力學性能要求較高的機械部件，大多采用鑄造工藝。近年來，鋁及鋁合金鑄件取代了原有的鋼結構件，例如航空結構件，基本都是鋁合金模鑄造，又如汽車輪轂、保險杠、基座梁、坦克的承重輪、列車的汽缸和活塞裙、木工機體、炮臺機座、動環、不動環、紡織機座、軌道、絞盤等。因而，它在我國國民經濟的快速發展和國防軍事現代化中占有舉足輕重的地位。鋁合金鑄造因其優異的性能，在日益廣闊的應用領域中有著廣闊的市場空間和應用前景。尤其是在航空發動機的關鍵零件及汽車輪轂的制造上有著廣泛的應用。

2 鋁合金鑄造工藝性能

2.1 流動性

合金溶液中存在金屬氧化物及其他雜質的固體粒子是由成分、溫度、金屬化合物等組成，而外部的基本因子是鑄造溫度和澆注壓力（也就是通常所說的澆注壓頭）。同一類型的金屬，由于其晶體特性的差異，可以通過碳-硫化物分析器進行測定。普通的合金在一定的時間范圍之內發生晶體化，而在晶體過程中，最初的晶體會阻止液體的流通。而共晶合金在一定溫度下不會產生初晶，對液態金屬的抗性降低。在實際應用中，只要有合適的材料，除了強化熔煉技術，還要改進鑄造過程，同時要在不降低鑄造質量的情況下，增加鑄造的熔體溫度，以確保其流動[1]。

2.2 收縮性

當一種金屬由液體降溫到常溫時，它的體積和大小就會發生減小，這就是所謂的“縮水”。在鋁合金澆注過程中，收縮性能是其重要特點。當合金在液態、凝固和固態時，因溫度下降而產生的收縮收縮。一般都是以其最佳的澆注能力而著稱。目前，鋁合金可以通過各種常見的澆注方式來鑄造，使用金屬模或自動裝配式的壓鑄可以達到大規模、低耗的生產。從澆灌到固化，在最終硬化處會產生微觀或微觀的縮松，此現象是由收縮造成的，以目視方式觀察到的。結果表明，鑄件的收縮程度與合金成分、澆注溫度、鑄件結構及鑄件類型有關。在鑄造鋁合金的結構中，應遵循連續固化的原理[2]。

2.3 氣密性

氣密性是指空腔體鋁合金鑄件在壓力或流體的壓力下保持空腔體鋁合金鑄件的密封性。其密封性是反映鑄件內部結構的致密與純度的重要標準，因此，控制好氣密性是鑄件制造和應用的一個重要環節，只要把這個環節做好，就可以確保其質量。保持空腔體鋁合金鑄件的密封性[3]。

3 鋁合金鑄造相關工藝

3.1 砂型鑄造

通常，鋼、鐵以及大部分的合金鑄件，都是由砂模鑄造而成，而且由于模具的材質便宜、容易得到、使用方便，可以滿足個別的產品和大量的生產。砂型鑄造適用于不同的工藝條件下，用于不同的鑄件。鋁鑄造工藝是一種金屬和模具之間的交互作用。在鑄造過程中，鋁合金液被注入模具，并將其熱、機械、化學等作用于模具。因此，要得到高質量的鑄件，除了要嚴格控制鑄造技術，還要對型砂的配比、造型、澆注等進行合理的設計。對所有的原料及冶煉工具進行認真的清洗，包括銹跡、油污、熔渣等，并嚴格控制中間合金及回爐的品質，并加強對工藝的監督[4]。

3.2 重力鑄造

重力鑄造是利用地球引力將金屬液體注入到鑄模中，又稱為重力澆注。采用鋁合金重力澆注，其鑄件的厚度會非常大。在生產的時候，如果不小心操作，或者是其他的原因，都會對生產產生不安全的影響，甚至會對鑄件的質量產生很大的影響。

3.3 金屬型鑄造

鑄件澆注位置的確定、澆冒系統的設計以及模具工作溫度的控制與調整是金屬型鑄造工藝的關鍵[5]。鑄件的澆注位置與金屬型芯、分型面的數目、金屬液的導入位置、排氣的通透、金屬型的復雜度等因素有關。采用金屬模鑄造的鑄造工藝，其力學性能優于砂鑄造。在相同的條件下，其拉伸強度平均增加了25%左右，屈服強度增加了20%左右，耐蝕性和硬度也得到了明顯的改善。目前，金屬鑄件的質量和形狀都受到了一些限制，比如，對于黑色金屬，只能用簡單的鑄件，鑄件的重量也不能過大。

3.4 低壓鑄造

低壓鑄造是將液態金屬通過加壓填充模腔而制成鑄件的一種工藝。因為使用的壓強比較低，因此稱為低壓鑄造。低壓鑄造工藝包括升液、充型、結殼（鑄型）、增壓、保壓（結晶凝固）、排氣（卸壓）[6]。加壓-在一個密閉的坩堝中，通過澆道將金屬液體輸送到模具的流道，然后將液體注入模具。低壓鑄造的澆注工藝參數可以通過人工調節，并根據鑄件的結構及選擇的材質來決定。隨著時間的推移，除氣裝置的作用也會隨著溫度的變化而改變，在使用除氣裝置的過程中，還必須要考慮到液態鋁合金的溫度。

4 鋁合金鑄造生產技術

4.1 模具的設計和制作

模具的設計和制作是鑄造工藝的關鍵。在低溫鑄造過程中，鑄件的大小幾乎沒有改變。溫度低于700 ℃時，不會產生氧化，也不會產生脫碳。隨著科學技術的進步，鑄造行業的技術水平也隨之提高。例如，在鑄造行業中，柔性控制已基本步入了自動化的發展。它的制造技術也在不斷的被廣泛的運用，不僅僅是航空、汽車、家電、電子等行業，更是各國的支柱產業。因此，只要變形能處于成形能的范圍之內，冷鑄工藝可以獲得較高的尺寸精度和表面質量[7]。

4.2 半固體鑄造工藝

半固體鑄造工藝是鑄造生產的核心與基礎，其目標是得到一種類似于球狀的半固體晶體，該晶體結構具有觸變性，對半固體鑄造來說是必不可少的。這種工藝具有較低的成型溫度（例如，可使鋁合金降低1200 ℃），從而節約了能耗。同時，提高了模具的使用壽命。在制備半固體合金時，應先將液態金屬溶液冷卻至約40%的固相，同時冷卻速率對一次相的形成有一定的影響，在一次相結晶冷卻速率高時，液態過冷度高，形核速率明顯提高，而長大速率則很小，因此晶粒變得更細。

4.3 粉末鑄造生產技術

粉末鑄造工藝主要有：閉模鑄造，成形后的坯料具有更簡單的外形，并且其外徑遠小于模具的內徑，而且在鑄造過程中會出現飛邊，這是一種與傳統的鑄造工藝相似的工藝。在制造高致密部件時，通常采用無飛邊鑄造和閉模鑄造。在粉末鑄造中，預成形坯料的設計與制作是一個重要的環節。無飛邊鑄造，此鑄造是在模具內進行的，物料沿水平方向流動，鑄件不會出現飛邊。

5 鋁合金鑄造工藝優化技術的實踐應用研究

在進行鋁合金澆注時，澆注工藝的選擇是關鍵，它的好壞將影響到產品的成敗。比如，澆注的溫度會對鑄造過程中的內壁形狀有一定的影響，如果澆注的溫度過高，則會增加鑄坯的內壁和內壁出現偏析、收縮的可能性。如果充模的溫度太低，會使薄壁的品質下降，從而產生空隙等問題。以下對鋁合金澆注過程中的關鍵技術進行了詳細的論述。

5.1 正確地選取鋁合金的澆注工藝

在實際生產中，許多鋁合金鑄造產品盡管其組織性能較為簡單，但其許多部分厚度分布不均勻，且由于各熱節的分布比較密集，所以其對產品的外觀和內在品質的要求也比較高，所以其制造過程非常困難。在中、大尺寸的薄壁鋁材中，如何選取合適的加工工藝是一個重要問題。

5.2 對鑄造體系進行適當的定位

由于鋁合金鑄造工藝復雜，需要對鑄造體系的定位進行適當的調整，以防止出現縮松和氣孔等問題。在其凸緣的一頭，應該有一個流入內部和橫向的澆注，達到迅速進料而不是冷卻的目的，從而保證鑄造過程的連續性，進而保證了法蘭處力學性能。

5.3 3D 模擬鑄造

對鋁合金鑄造進行3D 造型，其目標在于為工藝參數和工藝實現過程的管理和控制搭建了一個平臺。在進行工藝仿真時，保溫棉、模具、型心等都是加工組件，具有不同的特性，所以模型時要盡量保證每個零件與實際位置、尺寸一致。特別是對某些不規則的表面，要盡可能地進行恢復。另外，在仿真過程中，相互孤立及分散的部件應該是不連接的，而在過程仿真中，必須將同一材質的零件加工成一個完整的部件。

5.4 決定過程仿真與過程的最佳化

在對鋁合金澆注工藝進行仿真與優選時，采用了三種不同的方法對其進行了仿真。在此基礎上，采用CAD 界面進行預置，主要由模擬計算、孤立熔池計算、澆注系統計算3 部分組成，最后將其整合到模具設計的最后進行后加工，再由3D 軟件生成。另外，利用CAE 軟件對鑄造過程進行預加工，根據這些參數進行流場和溫度場的計算，然后進行鑄造過程的分析和預熱，最后再進行鑄造過程的分析和預加工。如果有，就將其輸出到實際的制造中；如果沒有，就返回到最初的步驟，用差分軟件對過程進行分析，并對所有的參數進行再計算。在建立模具和仿真的過程中，要根據模具設計的需要加入低壓澆注的相關技術。

6 鋁合金鑄造工藝優化技術的發展分析

以上所述的工藝是基于三維建模和工藝模擬的工藝優化技術，可以在工藝選擇前預先做出工藝的預報，并根據工藝條件的變化來改進工藝，從而達到改善鑄坯的品質。隨著科學技術的進步，使用的高技術手段也日益增多。目前，在鋁合金工藝優化中有很大發展空間的是一種具有極高潛力的計算機輔助制造技術，該技術在故障診斷、缺陷分析、工藝編制、仿真等方面具有很好的實用價值。其實質是以知識基礎為中心，依據現實問題的需求，選擇適當的控制戰略，并利用邏輯機制解決問題。

目前，在鑄造行業中，專家系統的使用越來越普遍。由于現代鑄造技術需要各種生產工藝的協同作用，因此，對于鑄造技術人員的經驗、技能和專業知識水平都有很高的要求，因此，專家體系是一個很好的選擇。許多生產過程中出現的問題，都可以由專家體系來解決。就當前而言，有關鑄造工藝的專家體系，包括鑄造工藝選擇、鑄造工藝設計、鑄件缺陷的分析。

當前，鑄造過程專家體系的發展方向是：首先是加強、完善和拓展已有的領域。由于技術發展的局限性，目前鑄造技術的發展重點是鑄造方法的選擇和缺陷分析，而在生產管理、產品質量跟蹤、成本預算等領域的推廣。其次，由于高精度、高速度的生產和高效率的需求，會導致大量的高科技生產技術出現，而隨著鑄造技術的不斷發展，鑄造技術的發展必將與這種技術相結合，從而克服傳統技術的局限，從而使其在實踐中的應用得到極大的提高。最后，基于大數據技術，可以使專家體系的知識庫自動生成，從而提高設計的工作效率。開發應用范圍更廣、功能更強大、開發工具更完善、開發更完善的鑄件過程技術人員系統。

在鑄造工藝法選取模組的設計階段，采用了基于知識基礎的邏輯結構，對所含的知識進行整理、過濾，這是一種積極的推論。也就是說，當使用者將流程的資料錄入到系統中，然后由知識庫來判定是否符合規定，如果不符合，就會重新錄入新的流程，如果沒有，則將其記錄下來，然后將其輸出。在鑄造過程中，需要輸入尺寸精度、表面粗糙度、壁厚、鑄造圓角、形狀復雜度等因素，以此來選擇出滿足要求的鑄造工藝。

7 結語

常規的鋁合金澆注技術大多依賴于技術工人的經驗與知識，如果出現嚴重的質量問題，很容易導致工藝的生產工作白白地進行，從而導致大量的時間和金錢的損失。采用現代的計算機技術，經過多次實驗，找準了最優的澆注工藝，并利用計算機仿真來解決問題，從而達到改善產品的質量和縮短生產時間的目的。