薄壁鋁合金鑄件鑄造工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化

趙磊 李金津

四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司 四川綿陽 621000

薄壁鋁合金外殼鑄件在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中往往會(huì)存在縮孔、縮松和夾雜等缺陷，不能夠滿足所需要的壓力滲透要求。所以要對(duì)鑄件進(jìn)行金屬型鑄造工藝設(shè)計(jì)，并且采用相應(yīng)的工藝手段進(jìn)行優(yōu)化，期望制定出較為合理的鑄造方案，以改善鑄造時(shí)鋁合金紊流、溫度場(chǎng)不均勻和防止縮孔、縮松等嚴(yán)重的缺陷，提高鑄件的綜合性能，從而提高裝備的安全性和可靠性。鑄件選用的鑄造材料為ZL101A，產(chǎn)品最大外形尺寸長(zhǎng)600mm，寬548mm，高201mm，而整體壁厚只有5mm，重量為5.6Kg，這是中型薄壁類鋁合金鑄件，鑄件要求質(zhì)地均勻，毛坯面要無孔洞、裂痕等缺陷，這樣才能夠使加工后的設(shè)備整體結(jié)構(gòu)不變形。

1 鑄造工藝存在的問題

金屬型鑄造又稱硬模鑄造或永久性鑄件，這種工藝是將熔化好的鋁合金澆入金屬制作的模具中在重力或加壓狀態(tài)下凝固獲得鑄件的方法，鋁合金金屬型鑄造大多數(shù)采用的是金屬芯，也可以采用砂芯和革新的方法來鑄造。在實(shí)際的鑄造過程當(dāng)中，由于金屬型鑄造它本身存在缺陷，需要采取工藝措施進(jìn)行優(yōu)化。金屬鑄型導(dǎo)熱系數(shù)大、充型能力差以及金屬本身是無透氣性的，所以必須要采用相應(yīng)的措施才能夠有效的排氣，而且金屬型的鑄型它是無退讓性，鋁合金在凝固時(shí)有產(chǎn)生裂痕和變形的風(fēng)險(xiǎn)，這些問題無疑給工藝和技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)。就拿排氣、排渣性能來說，許多鋁合金鑄件在凝固后，毛坯零件的表面容易形成大量的渣氣孔，而且偶爾我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有單個(gè)孔徑超過10mm的空洞。鋁合金鑄件在其形成的過程當(dāng)中是熔融金屬和金屬鑄型相互作用的一個(gè)過程，當(dāng)將大量的高溫鋁合金液注入鑄型后，鋁合金液與鑄型之間發(fā)生激烈的熱交換，金屬鑄型比砂模鑄型具備更優(yōu)良的激冷效果，可以獲得更致密的鑄造表面，但也容易造成過快凝固，內(nèi)部氣體不能有效排除，為了能夠獲得優(yōu)質(zhì)的鋁合金鑄件就必須要嚴(yán)格的去設(shè)計(jì)和控制鑄造工藝[1]。

2 薄壁鋁合金鑄件鑄造工藝設(shè)計(jì)

2.1 改善澆注系統(tǒng)

鋁合金鑄件在實(shí)際生產(chǎn)過程當(dāng)中，壓力滲透試驗(yàn)中廢品率較高，報(bào)廢的原因主要是內(nèi)部縮孔、縮松和氧化夾渣，造成鑄件不夠致密，所以根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特征和生產(chǎn)批量要求，制定了采用金屬型的鑄造方案，內(nèi)部型芯采用樹脂砂芯。為了改善鑄件溫度分布，提高排氣效率，零件采用側(cè)注式澆注系統(tǒng)，直澆道傾斜30°布置，整個(gè)澆注過程30S完成，冒口設(shè)計(jì)在頂端，澆注前把模具烘烤至170℃。這樣設(shè)計(jì)出來的澆注系統(tǒng)，能夠有效避免縮孔、縮松、氧化夾渣等情況。

2.2 改善排氣系統(tǒng)

薄壁鋁合金進(jìn)行澆注時(shí)，由于其壁厚相對(duì)均勻，所以有利于鋁液充型凝固，建立自上而下由高到低的溫度梯度，在澆注過程當(dāng)中，采用了傾斜式測(cè)注系統(tǒng)，鋁液從底部進(jìn)入型腔，型腔中的氣體隨鋁液從澆注系統(tǒng)上升而不斷的排出，能夠順利的讓鋁液充型。實(shí)踐表明，型腔內(nèi)設(shè)計(jì)的排氣槽可以達(dá)到較好的排氣效果，且排氣槽越多越有利于型腔排氣，排氣槽的寬20mm，深為0.5mm，各槽的間隔為20mm，共設(shè)計(jì)6個(gè)排氣槽；如果排氣不暢的話，就會(huì)導(dǎo)致型腔當(dāng)中的氣體不能隨鋁液上升至液面，而是被擠壓到鑄件的內(nèi)部以及內(nèi)表面形成氣孔。

2.3 增加拉筋工藝

由于金屬的協(xié)調(diào)度小，而造成的鑄件表面拉傷的痕跡，嚴(yán)重的時(shí)候就會(huì)成為拉傷面，為了避免薄壁鋁合金鑄件產(chǎn)生變形和拉傷裂紋，增加拉筋工藝。，首先是分析零件各部位尺寸、壁厚及壁厚的變化，找到應(yīng)力集中點(diǎn)，設(shè)置合適的拉筋，拉筋要小于5mm，以免產(chǎn)生新的應(yīng)力集中點(diǎn)。還要求研磨模具表面，提高表面光潔度，減少零件拉傷。在使用涂料的時(shí)候要使用量薄而均勻的涂料，不能夠直接弄干涂料，這樣也會(huì)減少一定程度上零件拉傷。在實(shí)際的澆注過程當(dāng)中，需要避免局部過熱或要減少內(nèi)應(yīng)力[2]。

2.4 改進(jìn)模具

改進(jìn)模具要從模具的材料和結(jié)構(gòu)選擇上來進(jìn)行改進(jìn)。首先，對(duì)于模具的材料通常應(yīng)該選擇優(yōu)質(zhì)模具鋼H13或3Cr2W8V，以保持模具的剛度和尺寸精度，外模整體結(jié)構(gòu)應(yīng)該為六面整體拼接結(jié)構(gòu)，上下底板中間有一根支撐柱連接，前后左右側(cè)板用沉頭螺釘，兩兩固定以保證模具的整體結(jié)構(gòu)性，分型面配備銷釘和導(dǎo)向柱，而為了消除鑄件四周的平衡，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證足夠的工藝圓角。為了保證外模的強(qiáng)度，避免配件變形，要確保整體模具的厚度，在模板背面對(duì)模具設(shè)計(jì)出相應(yīng)的減重槽進(jìn)行工藝減重，并且能夠平衡模具受熱區(qū)間。為使配件全部滿足要求，要在CNC數(shù)控機(jī)床上直接用三維造型圖進(jìn)行配件的編程和加工，所有的加工定位螺紋孔由數(shù)控機(jī)床一次性的加工完成；模具型腔加工粗糙要求達(dá)到Ra3.2以上，加工過程中一般得分為粗加工和精加工，粗加工之后必須去除應(yīng)力熱處理，熱處理工藝為200±5℃保溫時(shí)間4個(gè)小時(shí)，隨爐冷卻[3]。

3 結(jié)語

簡(jiǎn)而言之，為了優(yōu)化薄壁鋁合金鑄件鑄造工藝。首先，應(yīng)該完善澆注系統(tǒng)，根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)選擇適當(dāng)?shù)墓に?，建立平穩(wěn)澆注系統(tǒng)，有效排渣排氣，還要采取工藝措施控制鑄件變形收縮，防止開裂。其次，要控制選擇模具材料和加工工藝，提高表面光潔度和加工精度，消除內(nèi)應(yīng)力。這樣可以有效地保持模具的穩(wěn)定性，提高模具的使用壽命。