鋁合金反重力鑄造成型熱芯盒澆注系統(tǒng)的研究

李勝君，程俊明，呂永強，王家文，孫曉莉

（新泰（遼寧）精密設(shè)備有限公司，遼寧營口115009）

目前鑄鋁行業(yè)生產(chǎn)的鋁合金鑄件很大一部分采用反重力鑄造（即低壓鑄造）的工藝方式生產(chǎn)。采用金屬型樹脂砂芯(樹脂砂芯內(nèi)開設(shè)澆注系統(tǒng))低壓鑄造工藝方法，生產(chǎn)大型鋁合金罐體，質(zhì)量高性能好[1]，這種工藝方式生產(chǎn)的鑄件，鋁液在一定的壓力下平穩(wěn)通過澆注系統(tǒng)進入鑄件型腔，由于鑄件的內(nèi)澆道很難涂刷涂料導(dǎo)致澆注系統(tǒng)粘砂嚴重，給后續(xù)澆注系統(tǒng)切割和清理帶來很多困難，同時由于粘砂導(dǎo)致回爐料的品位非常差，直接影響了后續(xù)的生產(chǎn)。

1 原反重力鑄造砂芯澆注系統(tǒng)

1.1 制作過程

澆注系統(tǒng)按工藝要求由成型的澆道棒帶出或由水鉆鉆出，制芯前將成型澆道棒插入左右芯盒預(yù)留定位處固定好，后放入型砂舂實，待型砂固化后，將澆道棒撤出，砂芯內(nèi)澆道制作完成，如圖1所示。

圖1 成型澆道棒制作內(nèi)澆道

1.2 工藝分析

采用成型內(nèi)澆道棒制作反重力鑄造砂芯內(nèi)澆道，通過在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，存在以下幾方面問題：

（1）內(nèi)澆道涂刷涂料困難導(dǎo)致內(nèi)澆道粘砂嚴重，合金液流動速度及流動狀態(tài)不好控制，澆注過程中易產(chǎn)生氣孔、夾雜等鑄造缺陷，如圖2所示。

（2）內(nèi)澆道與鑄件熱節(jié)區(qū)域連接根部采用開放式垂直連接，鑄件凝固過程中熱節(jié)沿著內(nèi)澆道浸入鑄件，同時內(nèi)澆道受合金液沖刷，砂芯強度下降，以致內(nèi)澆道的形狀及尺寸達不到工藝預(yù)設(shè)要求，導(dǎo)致鑄件內(nèi)澆口區(qū)域存在縮松、縮孔等問題，如圖3所示。

圖2 成型內(nèi)澆道棒制作內(nèi)澆道生產(chǎn)的鑄件

圖3 內(nèi)澆道與鑄件熱節(jié)區(qū)域連接根部產(chǎn)生縮松、縮孔

采用鑄造凝固過程計算機數(shù)值模擬技術(shù)[2]對成型內(nèi)澆道棒制作內(nèi)澆道進行模擬，如圖4所示。通過模擬結(jié)果反映出鑄件在凝固過程中內(nèi)澆道與熱節(jié)連接區(qū)域存在縮松的傾向。

（3）由于鑄件質(zhì)量及生產(chǎn)效率得不到有效的保障，且內(nèi)澆道粘砂嚴重導(dǎo)致回爐料品位差。

綜上所述，急需研究一種更為合理的澆注系統(tǒng)，來滿足反重力鑄造生產(chǎn)方式的要求。

2 成型熱芯盒澆注系統(tǒng)

2.1 理論依據(jù)

內(nèi)澆道是液態(tài)金屬進入鑄型型腔的最后一段通道，控制金屬液充填鑄型的速度和方向，調(diào)節(jié)鑄型各部分的溫度和鑄件的凝固順序，并對鑄件起到一定的補縮作用。而反重力鑄造內(nèi)澆道作用更加突出，起到補縮通道、調(diào)節(jié)鑄件凝固組織的形成與控制的作用[3]，所以要求內(nèi)澆道的設(shè)計能使合金液平穩(wěn)充型，有利于排氣，減少二次氧化夾雜，而且要求內(nèi)澆道滿足鑄件凝固過程中對鑄件補縮的要求。

2.2 工藝設(shè)計

筆者依據(jù)鑄造工藝及現(xiàn)代模具設(shè)計方法結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，確定了成型熱芯盒澆注系統(tǒng)實施方案，該成型熱芯盒澆注系統(tǒng)模具采用覆膜砂生產(chǎn)，同時內(nèi)澆道與鑄件連接處做成收口型設(shè)計的拼接式組裝結(jié)構(gòu)（如圖5）；根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的鑄件及工藝設(shè)計要求，成型內(nèi)澆道長度設(shè)計成150～300mm；預(yù)制成型后放入左右芯盒預(yù)留定位區(qū)域，然后放入型砂舂實，待型砂固化后，砂芯按工藝設(shè)計制作完成。

圖4 計算機數(shù)值模擬示意圖

圖5 成型熱芯盒澆注系統(tǒng)示意圖

圖6 內(nèi)澆道收口型設(shè)計凝固后期示意圖

采用熱芯盒覆膜砂生產(chǎn)，能夠解決合金液流動過程中粘砂問題，同時熱芯盒覆膜砂表面光潔度高，鋁液流動速度平穩(wěn)，減少了卷氣及二次氧化夾雜的問題；內(nèi)澆道結(jié)構(gòu)依據(jù)鑄件凝固原理做成收口設(shè)計，確保鑄件與內(nèi)澆道連接處組織致密，在凝固后期熱節(jié)遠離鑄件（如圖6），避免了內(nèi)澆口與鑄件接觸部位產(chǎn)生縮松的傾向；內(nèi)澆道采用拼接組裝及不同長度的結(jié)構(gòu)方式，不僅有利于模具開模及模具加工，而且在操作過程中根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的鑄件，按照工藝要求可采取不同的擺放方式，方便操作。

2.3 工藝模擬

采用鑄造凝固過程計算機數(shù)值模擬技術(shù)對該成型澆注系統(tǒng)進行模擬優(yōu)化，如圖7所示。從計算機數(shù)值模擬情況來看，采用該成型澆注系統(tǒng)的凝固過程和結(jié)果與預(yù)期想法吻合。

3 實際生產(chǎn)驗證

到目前為止采用成型熱芯盒澆注系統(tǒng)生產(chǎn)的罐體類鑄件數(shù)千件，經(jīng)過嚴格的尺寸檢測和加工檢驗以及X光實時成像無損探傷檢測等，鑄件外觀、內(nèi)部質(zhì)量、機械性能以及氣密性符合設(shè)計的相關(guān)要求，鑄件合格率均在95%以上；同時減輕了后道工序的工作量，回爐料的品位明顯提高，如圖8所示。（注：該成型熱芯盒澆注系統(tǒng)，已經(jīng)申報國家實用新型專利。）

圖7 計算機數(shù)值模擬示意圖

圖8 成型熱芯盒澆注系統(tǒng)生產(chǎn)的鑄件

4 結(jié)論

（1）反重力鑄造采用成型熱芯盒澆注系統(tǒng)，既保證補縮又避免了熱節(jié)浸入鑄件。

（2）鑄件組織致密，鑄件合格率在95%以上。

（3）內(nèi)澆道粘砂問題大幅度減少，回爐料品位明顯提高。