陳映東，丁 旭，沈 剛

（1.貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025；2.中國航發(fā)貴州紅林航空動力控制科技有限公司，貴州 貴陽 550009）

鋁合金有著質(zhì)量輕、比強度高、導熱性能好等優(yōu)點，是實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化設(shè)計的重要合金材料，在各行各業(yè)有著廣泛的應用。同時鋁合金本身化學性質(zhì)活潑，易氧化吸氣，產(chǎn)生夾雜物；體收縮率和線收縮率大，易產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷；吸氣傾向大，易產(chǎn)生氣孔[1]，所以對于中大型復雜薄壁鋁合金鑄件，鑄造工藝的合理設(shè)計是保證鑄件質(zhì)量的重要條件。本文針對某設(shè)備上的鋁合金橫梁件進行鑄造工藝方案分析及優(yōu)化，確定其最佳砂型鑄造工藝方案。

1 鑄件結(jié)構(gòu)

該零件的外形輪廓尺寸為2 480 mm×540 mm×278 mm，零件整體結(jié)構(gòu)相對對稱，內(nèi)部為空腔和多條保證剛度的縱橫筋板結(jié)構(gòu)，橫梁的受力工況為大平面的底部受拉應力，而小平面的頂部受壓應力；該件形狀比較復雜，而且細節(jié)特征比較多。底板壁厚40 mm，余下最薄壁厚為6mm，壁厚差異較大，但多為薄壁結(jié)構(gòu)，屬于中型薄壁復雜件，鑄件的加工面為小平面的突出細長面、前側(cè)面以及鑄件兩端的支座面，三維造型如圖1 所示。

圖1 橫梁的三維造型

2 鑄造工藝設(shè)計

2.1 鑄造工藝選擇

鑄件材質(zhì)為ZL114A，單件小批生產(chǎn)，鑄件內(nèi)部有多條保證剛度的縱橫筋板；表面上不允許有冷隔、裂紋、欠鑄、穿透性縮松等缺陷，表面磨平后噴砂處理，需要保證外觀質(zhì)量，內(nèi)部需打磨清理。為滿足鑄件要求，本工藝方案選擇優(yōu)先保證鑄件質(zhì)量要求，并在此基礎(chǔ)上充分考慮工藝簡單和成本優(yōu)勢，綜合分析鑄件結(jié)構(gòu)及工藝性，確定采用強度及精度高的樹脂砂冷芯盒精密組芯造型的方法進行造型，采用木模造型，造型無需專門金屬砂箱。

2.2 澆注位置及分型面的選擇

通過對鑄件結(jié)構(gòu)的分析，按照澆注位置的選擇原則[2]，可選擇如下兩種澆注位置方案。

方案一如圖2a）所示，其優(yōu)點是下表面的鑄造質(zhì)量容易保證，但是缺點明顯：1）鑄件厚大的底面朝上，氣孔、夾渣上浮，非加工面精度不容易得到保證；2）大平底面除了兩端的固定板外都屬于非加工面，冒口位置不好設(shè)置，切除后會影響鑄件外觀；3）圓形孔直徑較小，此種澆注位置砂芯不好固定。

方案二如圖2b）所示，此方案優(yōu)點為：1）下表面的非加工面鑄造質(zhì)量容易得到保證；2）上表面最高突起的細長面屬于加工平面，可在此次設(shè)置冒口，且去除后不影響鑄件外觀和質(zhì)量；3）底部的方形孔較大，砂芯容易固定?？紤]到橫梁的受力工況為大平面的底部受拉應力，為重要受力面，此種澆注位置有利于保證重要受力面的鑄造質(zhì)量。

圖2 澆注位置

綜合上述分析，采用圖2b）的澆注位置。確定澆注位置后，按照分型面選取原則，分型面選擇于鑄件的最大截面處，便于起模。分型面選擇如圖3 所示。

圖3 方案二分型面選取

2.3 澆注系統(tǒng)的設(shè)計

由于鋁合金材質(zhì)的特點，鑄件對澆注系統(tǒng)的要求是保證充型過程平穩(wěn)，不發(fā)生渦流、飛濺和沖擊現(xiàn)象，最好以近乎層流的方式充型；盡可能縮短充型時間，并且有利于補縮[2]。澆注系統(tǒng)方案采用開放式澆注系統(tǒng)，澆口橫截面之和的比為S內(nèi)澆道∶S橫澆道∶S直澆道=3∶2∶1，根據(jù)澆注系統(tǒng)的設(shè)計原則，內(nèi)澆道可以選擇圖4a）和4b）兩種澆注方案。如圖4a），將橫澆道設(shè)置在橫梁的側(cè)邊，直澆道可設(shè)置一到兩個，保證兩邊充填的均勻和金屬液快速平穩(wěn)地充滿型腔，澆注系統(tǒng)處于加工面，去除后不影響鑄件的外觀。此方案缺點一是內(nèi)澆道與鑄件之間由于冷卻速率的不同步會產(chǎn)生使鑄件側(cè)彎的鑄造熱應力，不能保證鑄件的直線度；二是此處壁厚較薄，金屬液會直接沖刷到砂芯；三是橫澆道較長、金屬液易氧化吸氣。

綜合上述分析，圖4b）采用方案二：兩端面同時澆注，本方案中內(nèi)澆道和橫澆道短，且兩端同時澆注充型迅速，金屬液氧化吸氣較少。內(nèi)澆道與鑄件之間的鑄造熱應力不會影響道鑄件的質(zhì)量，且內(nèi)澆道切割痕跡處于加工面上，切除后不會影響鑄件外觀。澆注系統(tǒng)各組元尺寸應用阻流截面設(shè)計法計算而得[3]。同時在澆注系統(tǒng)下端放置過濾網(wǎng)，減少非金屬夾雜物。

圖4 澆注系統(tǒng)選擇

2.4 鑄件的模擬優(yōu)化

鑄件采用UG NX 進行三維造型，結(jié)合Anycasting 軟件模擬鑄造過程。從圖5 澆注情況模擬可以看到方案二澆注系統(tǒng)充型順序理想，用近乎層流的方式充滿整個型腔，但是內(nèi)部筋板和外壁的交匯處有熱節(jié)，熱節(jié)處其冷卻速率較周圍慢，得不到周圍鋁合金液的補縮，故缺陷會很大概率在此處產(chǎn)生，因此需在此添加方形鐵以加快此處冷卻速率，使其與周圍冷卻速率保持相對的同步。

圖5 初始澆注情況

在靠近鑄件下部筋板與外壁連接的位置添加冷鐵，在鑄件頂部位置設(shè)置便于制作的圓形冒口對鑄件進行優(yōu)化，如圖6、圖7 所示：

圖6 補縮系統(tǒng)示意圖

圖7 冷鐵位置示意圖

優(yōu)化后結(jié)果如圖8 所示，可以看到設(shè)置相應的冷鐵后，之前會產(chǎn)生熱節(jié)的部分冷卻速率加快，使其與周圍冷卻速率保持一致，產(chǎn)生缺陷的概率也就大為降低，在鑄件頂部的最高處設(shè)置冒口后，由于冒口的補縮作用，頂部產(chǎn)生熱節(jié)的部分也得到了很大的改善，綜合上述方法使得鑄件的鑄造質(zhì)量有了很大改善。

2.5 砂型（芯）設(shè)計

分析橫梁鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，橫梁內(nèi)部共有九個空腔，其中七個空腔結(jié)構(gòu)相同，另外處于兩端的空腔結(jié)構(gòu)也相同。若設(shè)計型芯過長，雖然型芯定位精度較高，但是筋板的抽芯會變得困難?？紤]到搬運和制作取模的方便，現(xiàn)在設(shè)計將中間五個較大空腔設(shè)計成相同型芯結(jié)構(gòu)標為1#型芯；由于兩端的型芯定位不方便，于是將其與相鄰的較大型芯整體成型標為2#型芯；兩類型芯都利用其底部的方形孔作為填砂孔，最后再將其組合起來。1#、2#型芯制作如圖9 所示。

圖8 優(yōu)化后概率缺陷圖

圖9 組合型芯制作

將型腔和型芯按順序組合起來，同時為了增加型芯的強度，還需在拼接的型芯上涂上粘接劑。最后的合箱如圖10 所示。

圖10 合箱示意圖

3 結(jié)論

1）針對鑄件整體結(jié)構(gòu)較長、壁厚較薄的特點，設(shè)置合理的澆注系統(tǒng)時既要考慮鑄件鑄造充填性，同時還需考慮澆注系統(tǒng)的設(shè)置會不會對鑄件外形及精度產(chǎn)生影響。把澆注系統(tǒng)設(shè)置在鑄件兩端，產(chǎn)生的鑄造熱應力不會影響鑄件直線精度；同時把要加工的小端細長面朝上，受力要求高的大平面朝下的澆注位置，保證了大平面組織性能，且不影響鑄件外觀。

2）根據(jù)鑄件型腔的特點，型芯的設(shè)計兼顧制芯方便和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定兩個特點，同時結(jié)合鑄件的單件小批量生產(chǎn)，采用型芯的結(jié)構(gòu)組合方式進行定位，無需砂箱。

3）采用鑄造CAE 軟件對工藝進行模擬分析，對鑄件的充型過程、凝固過程以及缺陷概率進行分析。通過軟件模擬，確定方案的合理型，降低生產(chǎn)制造成本，為企業(yè)的生產(chǎn)提供相應技術(shù)參考。