鋁合金拐臂盒件鑄造工藝優(yōu)化

李勝君，姜 麗，劉 寧，王家文，于 程，孫曉莉，趙娜娜，程俊明

（新程（營(yíng)口）精密設(shè)備有限公司，遼寧營(yíng)口 115009）

1 拐臂盒鑄件的結(jié)構(gòu)分析與要求

某鋁合金拐臂盒類(lèi)鑄件見(jiàn)圖1，該鑄件是我公司為國(guó)內(nèi)某高壓電氣制造商配套生產(chǎn)的低壓252KV 產(chǎn)品上的重要零件，其外輪廓尺寸為?508 mm×509mm，均勻壁厚15mm，最大厚度60mm，機(jī)加后凈重39kg。該拐臂盒零件對(duì)軸孔處表面精度要求較高，要求表面無(wú)肉眼可見(jiàn)針孔、縮松等缺陷。

該零件最重要的部位是軸孔區(qū)域，不允許有針孔、縮松、夾雜等鑄造缺陷。該鑄件的工藝難點(diǎn)是軸孔區(qū)域較厚大，內(nèi)孔直徑較小，鑄件凝固過(guò)程中釋放出大量潛熱得不到有效的散失，以至鑄件凝固所需過(guò)冷度較小，易產(chǎn)生縮松及縮孔缺陷。

通過(guò)對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)的深入分析結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及鑄件凝固理論，先后采用不同熱導(dǎo)率的金屬材料的冷鐵對(duì)軸孔處進(jìn)行激冷，同時(shí)結(jié)合鑄件自身結(jié)構(gòu)通過(guò)增加工藝補(bǔ)貼的方式對(duì)軸孔處加強(qiáng)補(bǔ)縮，以及通過(guò)減少鑄件軸孔處加工余量等工藝方式，不斷深入優(yōu)化鑄造工藝，以獲得組織致密、機(jī)械性能優(yōu)良的無(wú)缺陷鑄件。

圖1 零件簡(jiǎn)圖

2 工藝方案

2.1 方案一

該工藝方案是軸孔處采用材質(zhì)為碳鋼的隨形冷鐵，以加強(qiáng)鋁液在凝固過(guò)程中的熱量傳導(dǎo)，增加該厚大區(qū)域凝固過(guò)程中的過(guò)冷度，同時(shí)在靠近軸孔厚大區(qū)域處開(kāi)設(shè)內(nèi)澆道，以便對(duì)該厚大區(qū)域在凝固過(guò)程中進(jìn)行補(bǔ)縮，軸孔內(nèi)加工余量為4～5mm，采取砂型低壓鑄造進(jìn)行澆注（圖2 為工藝方案簡(jiǎn)圖）。

采用鑄造凝固過(guò)程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)[1]對(duì)該工藝方案進(jìn)行模擬（如圖3 所示）。

通過(guò)模擬結(jié)果可以看出鑄件在凝固過(guò)程中靠近軸孔內(nèi)壁處存在縮松缺陷。經(jīng)分析是由于軸孔處屬于厚大熱節(jié)部位，在凝固過(guò)程中屬于晚凝固區(qū)域，同時(shí)軸孔孔徑較小，軸孔內(nèi)側(cè)散熱面積有限，且材質(zhì)為碳鋼的隨形冷鐵，其熱導(dǎo)率較小，同時(shí)隨著溫度的增加其熱導(dǎo)率下降，鑄件凝固過(guò)程中釋放出大量潛熱未得到有效的散失，加之內(nèi)澆道與軸孔處的補(bǔ)縮通道較窄,該厚大熱節(jié)區(qū)域在凝固過(guò)程中未得到鋁液的有效補(bǔ)縮，以至于在凝固過(guò)程中產(chǎn)生縮松。縮松位置示意圖見(jiàn)圖4、加工后縮松位置示意圖見(jiàn)圖5。

2.2 方案二

該工藝方案是軸孔處采用熱導(dǎo)率更大的鋁制隨形冷鐵；厚大熱節(jié)部位與內(nèi)澆道之間增設(shè)工藝補(bǔ)貼(經(jīng)與用戶設(shè)計(jì)部門(mén)溝通并經(jīng)客戶同意工藝補(bǔ)貼不去除)，以增強(qiáng)厚大熱節(jié)部位凝固過(guò)程中鋁液補(bǔ)縮效果（圖6 縮松位置示意圖）；將軸孔處原4～5mm 加工余量減少至2～3mm,采取砂型低壓鑄造進(jìn)行澆注（圖7 工藝方案簡(jiǎn)圖）。

圖2 工藝方案簡(jiǎn)圖

圖3 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬

圖4 縮松位置示意圖

圖5 加工后縮松位置示意圖

采用鑄造凝固過(guò)程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)該鑄造工藝方案進(jìn)行模擬(見(jiàn)圖8)。

經(jīng)過(guò)對(duì)該工藝方案模擬，軸孔處縮松問(wèn)題已經(jīng)解決，達(dá)到了工藝預(yù)期。經(jīng)分析由于軸孔處屬于厚大熱節(jié)區(qū)域，在凝固過(guò)程中會(huì)釋放大量的潛熱，鑄件凝固冷卻過(guò)程實(shí)質(zhì)上是鑄件內(nèi)部潛熱不斷向外散失的過(guò)程[2]。而潛熱的釋放與材料的導(dǎo)熱率密切相關(guān)，由于金屬材料鋁的熱導(dǎo)率要高于碳鋼，所以在鑄件凝固過(guò)程中潛熱能夠及時(shí)有效的散失傳導(dǎo)出去，使溫度場(chǎng)分布更合理，不易產(chǎn)生晚凝固；在熱節(jié)區(qū)域與內(nèi)交道之間增設(shè)工藝補(bǔ)貼，加強(qiáng)了凝固過(guò)程中鋁液的補(bǔ)縮效果；通過(guò)減少加工余量有效的增加加工表面的致密層厚度，降低重要加工面組織不致密的風(fēng)險(xiǎn)（圖9 鑄件加工后示意圖）。

圖6 縮松位置示意圖

圖7 工藝方案簡(jiǎn)圖

圖8 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬

圖9 鑄件加工后示意圖

此工藝生產(chǎn)出的鑄件經(jīng)過(guò)X 光實(shí)時(shí)成像檢測(cè)及機(jī)加工，鑄件軸孔處無(wú)任何鑄造缺陷，截止目前為止已經(jīng)生產(chǎn)500 余件，質(zhì)量穩(wěn)定（批量合格品見(jiàn)圖10）。

圖10 批量合格品

3 結(jié)論

（1）選用熱導(dǎo)率大的材質(zhì)冷鐵，在鑄件凝固冷卻過(guò)程中潛熱能夠順利的散失出去，能夠有效的建立起溫度梯度，利于鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固。

（2）根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)合理設(shè)置工藝補(bǔ)貼，能夠有效加強(qiáng)凝固過(guò)程中鋁液的補(bǔ)縮效果。

（3）通過(guò)減少加工余量，有效的增加加工表面的致密層厚度，降低重要加工面組織不致密的風(fēng)險(xiǎn)。