某異形框架鑄件的凝固過程控制及其成型工藝研究

何紹付，謝 懿，林 翰，張智鋮，李翔光，楊明軍

砂型鑄造具有成本低、生產(chǎn)周期短、適用范圍廣等優(yōu)點，被廣泛應用于汽車、航空航天、船舶等重要領域。隨著科技的快速發(fā)展，各領域對鑄件的成型質量要求越來越高，傳統(tǒng)的試錯法+重力澆注工藝所生產(chǎn)的鋁合金鑄件難以保證鑄件的成型質量，從而導致企業(yè)生產(chǎn)成本較高，且鑄件合格率和生產(chǎn)效率較低。近年來，國內砂型鑄造逐漸開始大面積采用模擬仿真+低/差壓澆注的工藝方法來提高鋁合金鑄件成型質量。澆注模擬仿真技術能夠提前預測鑄件可能產(chǎn)生的缺陷和模擬鑄件凝固過程，以便技術人員及時做出工藝調整，在很大程度上確保了鑄件澆注前的工藝設計合理性。相比于傳統(tǒng)的重力澆注，低/差壓澆注制得的鑄件組織致密度更高，鑄件針孔、縮孔、疏松等質量缺陷較少。因此，采用模擬仿真+低/差壓澆注的工藝方法在很大程度上降低了鑄件報廢率，提高了鑄件成型質量，對企業(yè)降本增效起到了關鍵性作用。

雖然模擬仿真+低/差壓澆注的工藝方法確實對砂型鑄造起到了很大改善作用，但是傳統(tǒng)手工造型質量極其不穩(wěn)定，導致砂型尺寸精度及砂型質量或多或少存在不足，甚至在生產(chǎn)某些結構較為復雜鑄件時，可能存在無法造型等困難。隨著3DP砂型打印技術的快速發(fā)展，此類問題得到了有效解決。

在成型箱尺寸允許條件下，3DP砂型打印技術基本可以實現(xiàn)任意形狀的砂型打印，其成型原理大致是通過采用多通道噴頭將樹脂噴射到平整的砂層上，然后通過樹脂與固化劑發(fā)生膠聯(lián)反應，從而使固化層堆積成砂型。本文使用的3DP砂型打印設備可實現(xiàn)的最大砂型尺寸為2000mm×1000mm×1000mm，打印所用時間約14h。

鑄件尺寸偏差是鑄件報廢率較高的關鍵因素之一，特別是在砂型鑄造行業(yè)，鑄件成型尺寸往往難以把控，而傳統(tǒng)的劃線技術方法存在人為誤差，且某些結構復雜部位難以實現(xiàn)人工劃線，導致鑄件的尺寸測量不夠精準，對鑄件工藝的調整造成了很大困擾。三維掃描設備（SCANTECH）的應用在很大程度有效解決了該問題，三維掃描設備（SCANTECH）的結構由掃描儀+主機構成，通過在鑄件表面及型腔部位粘貼高反光標記點，然后由掃描儀發(fā)出激光識別鑄件，以此構建鑄件三維模型。本文使用的三維掃描設備測量精度可達到0.01mm，掃描過程只需一人即可完成，設備的裝卸和使用十分簡便，掃描效率較高。

先進鑄造設備的應用確實使鑄件的成型質量得到了提升，但在生產(chǎn)某些結構復雜鑄件時仍會產(chǎn)生疏松、縮孔等鑄造缺陷，分析其主要原因是鑄件的澆注系統(tǒng)設計不合理和鑄件凝固過程控制不當所引起。由于異形結構鑄件的結構一般較為復雜，鑄件外形不規(guī)則，鑄件壁厚不均勻，導致在設計鑄件澆注系統(tǒng)時存在澆道設計困難，且鑄件在充型過程中金屬液的充型質量不夠平穩(wěn)。此外，因異形結構鑄件的各部位厚度大多不一致，導致設計的冷鐵在鑄件凝固過程中難以建立凝固溫度梯度，使鑄件的凝固順序較為混亂。因此，本文以材料為ZL114A的框架鑄件為研究對象，結合NovaFlow&Solid仿真軟件、3DP砂型打印設備、三維掃描設備及低壓澆注設備，重點探究鑄件澆注系統(tǒng)和冷鐵設計工藝對異形結構鑄件成型質量的影響，為類似結構鑄件的生產(chǎn)和工藝優(yōu)化提供一定的參考意見。

1 工藝設計分析

1.1 鑄件結構特點

本文研究的對象為結構較為復雜的框架鑄件，其中框架鑄件外形類似于梯形框架結構，并且在各面上均分布著大量通孔，通孔尺寸有40mm×40mm、95mm×105mm、150mm×98mm及277mm×109mm四種形狀，通孔之間最小間距為20mm，最大間距為85mm；在鑄件型腔中存在四根形狀一致的連接筋，連接筋的厚度為30mm，形狀類似于“L”結構，連接筋用于連接鑄件斜面和底面；在鑄件斜面上分布著尺寸為90mm×90mm×40mm的9個三角形凸臺，9個凸臺可分為三組，一組凸臺中有三個形狀大小均一致的凸臺，三個凸臺分別位于鑄件斜面上中下三個位置，其中兩組凸臺的側面分別與鑄件兩端框面在同一水平面上，另一組凸臺位于鑄件斜面中部位置；此外，在框架鑄件的背面還存在直徑為φ180mm的圓形凸臺，圓形凸臺的高度為25mm，并且凸臺中心為通孔結構，其通孔直徑為φ95mm；框架鑄件的最薄處尺寸為4mm，最厚部位尺寸為270mm，框架鑄件的外形尺寸約為1035mm×555mm×360mm。

1.2 鑄件成型難點分析

通過對框架鑄件結構特點進行分析，認為鑄件在澆注成型過程中鑄件各個面上的通孔存在成型困難，即可能存在欠鑄、縮孔、疏松等鑄造缺陷。另外，鑄件型腔內部的加強筋在充型過程中作為金屬液流通的主要通道之一，因此加強筋的冷鐵厚度很難把控。加強筋冷鐵厚度設計太厚，雖然可以保證加強筋的成型質量，但是容易導致鑄件其它部位欠鑄。

鑄件變形不易控制。由于鑄件的壁厚不夠均勻，且多數(shù)凸臺及加強筋是無規(guī)律分布在鑄件各部位，因此在凝固收縮過程中各方向的收縮比例不一致，使得成型鑄件的尺寸與圖紙尺寸要求相差較大，不符合鑄件尺寸公差要求。此外，鑄件在凝固收縮過程中，可能導致某些部位的應力集中較大，但由于鑄件凸臺及加強筋的作用，使得應力并未引起毛坯鑄件產(chǎn)生裂紋缺陷，但經(jīng)熱處理后，鑄件應力的釋放可能會導致鑄件發(fā)生二次變形和產(chǎn)生裂紋。

鑄件分型困難。雖然3DP砂型打印技術可以解決傳統(tǒng)手工造型存在的造型困難問題，但是對于結構較為復雜的異形結構鑄件，其鑄件的分型面選擇也至關重要。分型面不宜過多，分型面的位置盡量避開鑄件精度要求較高，且分型面要盡量考慮鑄件砂型的裝配簡單、冷鐵的粘貼方便、涂料涂刷易操作等關鍵因素。

1.3 鑄件成型難點控制方法

針對鑄件可能存在的欠鑄問題，本文在對鑄件進行三維模型設計時，對厚度低于或等于5mm的部位進行工藝增厚，其增厚量為5～6mm，后續(xù)通過機加去除余量，而對于不能使用機加去除余量的部位，在設計工藝時采用冷鐵和冒口確保該部位的成型質量；對鑄件直徑小于10mm的通孔進行填補，對高度差小于3mm的面進行填補，保證多個面處于同一水平面。在加強筋相交處及厚大部位設置冒口，加強該部位的補縮效果。在網(wǎng)狀通孔的底面放置冷鐵，以此確保該區(qū)域的成型效果，其中冷鐵厚度的設計為通孔厚度的0.8倍。此外在澆注時適當提高澆注溫度，以此提高金屬液在型腔中的流動性，確保鑄件充型質量。

針對鑄件可能存在的變形問題，本文在設置鑄件縮放比例時參考了同類型結構鑄件的縮放比例，并且在鑄件澆注成型后使用三維掃描設備（SCANTECH）對成品鑄件進行掃描，然后將掃描模型與鑄件三維模型進行比對，以此確定鑄件尺寸超差情況，及時對超差部位做出工藝調整。對于熱處理可能引起鑄件變形的問題，本文澆注成型鑄件在切割時只切除鑄件冒口和部分橫澆道，內澆道需熱處理結束后才進行切除，并且在容易產(chǎn)生熱節(jié)的部位放置冷鐵，避免該部位因應力集中而出現(xiàn)裂紋。

針對鑄件存在的分型困難問題，本文在對框架鑄件進行分型時，采用了“Z型”分型面拆分砂芯，并且砂型與底板采用滑槽對接，砂芯在裝配過程中通過左右滑動完成裝配，并且砂型之間采用兩個及兩個以上定位裝置，以此確保砂芯的裝配精度。

2 澆注系統(tǒng)設計及鑄件成型

2.1 試制方案

由于框架件的結構比較復雜，導致鑄件的凝固過程和收縮率不易控制。經(jīng)分析后，認為先進行工藝探索試驗，其試制方案中鑄件的澆注系統(tǒng)采用的是縫隙式澆道+側注式澆道組合，其中縫隙澆道位于鑄件的兩個端框面上，側注澆道位于鑄件斜面凸臺的外端面?？p隙澆道采用直徑為φ60mm的立筒，側注式澆道的橫截面與凸臺外端面面積一致。鑄件的縮放比例按YC（高度）方向放大1.2%、XC和ZC（徑向）方向放大1.5%，而冷鐵的厚度是根據(jù)鑄件部位壁厚值按0.4～1.2比例設計，但在設計過程中往往會根據(jù)實際情況做出一定的調整。試制方案中凸臺冷鐵的整體布局采用的是全包冷鐵結構。此外，在兩個冒口的中間部位放置了末端冷鐵，以此增加末端部位的激冷效果。

在設計砂型過程中，采用了兩種及兩種以上不同形狀的定位裝置來確保砂型的配合精度，并且在砂芯與砂芯、砂芯與底板、砂芯與外模的接觸面下端設計了3mm深的集砂槽，避免因裝配摩擦而引起落砂進入鑄件型腔中。砂型定位裝置的形狀有圓形凸臺、梯形凸臺及半球形凸臺，并且凸臺的拔模斜度在8°～10°之間，凸臺與凹槽之間預留一定間隙，其間隙的寬度在0.5mm～1mm之間，確保鑄型在裝配時能夠順利完成。鑄件的砂型制備是采用3DP砂型打印設備完成，在使用3DP砂型打印設備制備砂型時，砂型排版間隙設置在5mm～10mm之間，不僅避免了成型砂型之間發(fā)生擠壓或碰撞等問題，砂型的清理和吊裝也更加便利。另外，在3DP砂型打印前，對砂型進行了檢查，確保吊裝孔的位置滿足吊裝要求，凸臺及易損部位的清理和吊裝滿足要求。

砂型打印結束后，對砂型進行了烘烤，以此確保砂型強度。打印砂型在使用前檢查了砂型外觀質量，查看砂型無打印缺陷，對凸出部位進行了打磨，缺失部位采用樹脂砂或濕砂進行了填補。砂型與金屬液的接觸面涂刷了涂料，以此確保鑄件成型質量。

鑄件澆注前進行了模擬仿真實驗，其仿真結果顯示鑄件滿足澆注要求。框架鑄件的澆注是采用低壓澆注完成，其中關鍵參數(shù)為：升液壓力25Kpa、充型壓力為60Kpa、澆注溫度為715±5℃、結晶時間為160s，鑄件澆注完成后1.5h進行開箱。在開箱過程中，因異形結構件的外形不規(guī)則，開箱工具難以將附著在鑄件表面的砂清理干凈，因此，砂芯在設計過程中設計了開箱通孔，在修型結束后開箱通孔用干砂進行填充，開箱時干砂通過振動自然脫離鑄件型腔，從而提高了鑄件開箱速度和降低了開箱難度。

澆注成型鑄件冷卻結束后，利用切割設備將位于鑄件上端面的冒口進行切除，對鑄件存在的飛邊毛刺進行了打磨，然后采用三維掃描設備（SCANTECH）對成品鑄件進行三維掃描，將掃描結果與鑄件三維模型進行比對，其比對結果顯示試制鑄件與鑄件模型基本吻合，且絕大部分尺寸偏差在-0.5mm～0.5mm之間，符合鑄件HB6103-2004 CT10 的公差要求，故可以判定，鑄件的縮放比例滿足鑄件成型要求。

雖然試制鑄件的尺寸滿足了技術要求，但在對鑄件進行三維掃描時，發(fā)現(xiàn)位于鑄件底端面的凸臺存在縮孔缺陷，并且縮孔區(qū)域的面積約150mm2。從縮孔產(chǎn)出的部位來看，凸臺縮孔缺陷所在位置主要集中在鑄件凸臺根部，且該凸臺與鑄件內澆道連接。經(jīng)初步分析后，認為引起凸臺縮孔缺陷的主要原因有兩個方面：一是連接該凸臺的內澆道較為狹窄，導致在凝固過程中澆道無法對凸臺起到較好的補縮，甚至可能出現(xiàn)凸臺反補澆道的情況；二是澆注參數(shù)中設定的結晶時間較短，在卸壓后該部位仍處于未凝固狀態(tài)，導致凸臺周圍的金屬液回流澆道，進而使凸臺得不到補縮?；谠囍畦T件存在的以上問題，認為對試制鑄件的澆注系統(tǒng)進行優(yōu)化或更改是十分有必要的。

2.2 成品方案

通過對試制方案的結果分析，在設計新澆注系統(tǒng)時采用了縫隙式澆道+底注式澆道組合方式，其中縫隙澆道仍然位于鑄件的兩端框面上，底注式澆道位于鑄件底部，且與鑄件底端面加強筋相連?？p隙澆道仍然采用φ60mm的立筒，底注式澆道的橫截面等于鑄件底端面加強筋的底面面積。對鑄件的冷鐵布局進行了更改，其中凸臺的底面冷鐵厚度按凸臺從下往上依次減薄，即δ冷鐵下＞δ冷鐵中＞δ冷鐵上（δ為冷鐵厚度）關系進行設計，凸臺側面冷鐵按該部位壁厚的0.9倍設計，凸臺冷鐵的整體布局采用的是半包式冷鐵。在鑄件頂部凸臺的端面上設計了冒口，冒口高度約120mm，并且在距離冒口50mm的區(qū)域放置了末端冷鐵。

為了確保鑄件的成型質量，在鑄件澆注前仍進行了模擬仿真實驗，并且對易產(chǎn)生缺陷部位進行了凝固仿真分析，其結果顯示新澆注系統(tǒng)在充型過程中液面上升較為平穩(wěn)，并且在觀察凸臺部位的凝固情況時，發(fā)現(xiàn)該部位在充型過程中處于優(yōu)先凝固部位，說明冷鐵的厚度設計符合預期要求。此外，在對鑄件凸臺進一步分析后，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的凝固順序是至下而上，且液相線的收縮并未形成孤立區(qū)域，液相線與固相線之間的溫差也符合補縮要求。當凝固進行一段時間后，將上中下凸臺液相線進行大致連線后，發(fā)現(xiàn)液相線與鑄件內壁面基本保持平行，并且液相區(qū)的寬度符合補縮要求。這種凝固方式在一定程度上可有效增加金屬液對底端凸臺的補縮效果，頂端凸臺端面上的冒口補縮范圍也會大大加強。在鑄件凝固結束后，觀察鑄件模擬仿真軟件中的Niyama疏松分析結果，發(fā)現(xiàn)疏松主要分布在澆道上，而鑄件本體上基本無疏松，進一步說明了鑄件凝固過程符合要求，鑄件成型質量可以得到保障。

在進行試制方案試驗過程中，當澆注結束后，利用轉移設備將澆注完成的砂型調離澆注區(qū)時，發(fā)現(xiàn)鑄型底端澆注口有金屬液滴向下滴落，且液滴的下落量較大。根據(jù)澆注現(xiàn)場金屬液滴落現(xiàn)象，可以判斷保壓結束后鑄件某些區(qū)域并未完全凝固，從而導致砂型型腔中的金屬液回流量較多。由于金屬液的回流，導致未凝固區(qū)得不到足夠的金屬液補縮，引起鑄件產(chǎn)生縮孔、欠鑄等缺陷。因此，為了消除凸臺形成的縮孔缺陷，對鑄件的澆注參數(shù)進行了部分調整，即結晶時間延長至260s。

綜上分析，新方案主要更改了三處：一是將鑄件的澆注系統(tǒng)從縫隙式澆道+側注式澆道組合更改為縫隙式澆道+底注式澆道組合；二是將凸臺冷鐵從全包式冷鐵更改為半包式冷鐵，且凸臺底端面的冷鐵厚度設計采用從下往上增厚的方式；三是將鑄件澆注參數(shù)中的保壓時間從160s延長至260s。

經(jīng)過上述工藝調整后，新工藝澆注成型鑄件的外形輪廓比較清晰，凸臺及鑄件各個面上的通孔充型質量較好。在對鑄件凸臺部位進一步核查后，確定凸臺各部位無縮孔缺陷形成。三維掃描比對結果顯示，鑄件尺寸符合HB6103-2004 CT10公差要求，以上結果說明了新的澆注系統(tǒng)和澆注參數(shù)滿足了鑄件成型要求。

3 結論

在對框架鑄件進行工藝設計時，通過對薄壁增加工藝補貼、填補機加孔等措施，可有效提高鑄件的充型能力。鑄件的澆注系統(tǒng)對鑄件的成型質量至關重要，本文框架鑄件采用縫隙式澆道+側注式澆道成型易使鑄件局部產(chǎn)生縮孔缺陷，但在采用縫隙式澆道+底注式澆道組合后缺陷可以得到消除，其中冷鐵的合理設計和凝固仿真軟件的應用對鑄件的高質量成型起到了至關重要。本文框架鑄件的尺寸約為1035mm×555mm×360mm，外形類似于梯形框架結構，其砂型的縮放比例按高度方向放大1.2%，徑向放大1.5%進行設計，成品鑄件經(jīng)三維掃描比對后確定鑄件尺寸滿足HB6103-2004 CT10公差要求。在澆注過程中，通過觀察升液管中金屬液的回流情況，將鑄件的結晶時間從160s延長至260s，確保了鑄件在卸壓后處于完全凝固狀態(tài)，防止了因卸壓過早而引起的質量缺陷。