铝合金箱体铸造工艺设计及数值模拟

孟凡奇

摘要：随着社会的发展，我国的各行各业的发展也有了很大的改善。铸造铝合金因具有密度小、比强度高等优点，在现代航空、飞机制造、汽车、拖拉机、仪器仪表、电力等行业得到了广泛应用，但铝合金质轻、热容量小、导热快、极易氧化和吸气，在铸造时有较多工艺难点。根据模拟结果分析了铸件产生缺陷的部位和原因，进而改进原始方案，通过工艺优化，消除了铸件缺陷，克服了砂型铸造铝合金的许多工艺难点，提高了铸件品质。

关键词：铝合金箱体 铸造工艺设计 数值模拟

铸件充型凝固过程计算机模拟已经成为铸造行业以及材料加工工程学科发展的前沿领域，也是改造传统铸造产业的必由之路。经过几十年的努力，铸件充型凝固过程计算机模拟发展已经进入工程实用化阶段，铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导。铸件充型凝固过程的数值模拟可以帮助工程技术人员在进行铸造投产前对铸件可能出现的各种缺陷及其大小、部位和发生的时间予以有效地预测，以便在制定铸造工艺方案和浇注前采取对策，确保铸件质量，缩短试制周期，降低生产成本。

1零件铸造工艺性分析

箱体的最大壁厚为40mm，要求精度高，为防止零件厚大部位在铸造过程中出现缩孔和缩松等铸造缺陷，需要结合铝合金铸造特点进行补缩系统设计，这是一处难点。由于树脂砂具有较好的流动性、易紧实、脱模时间可调节、硬化后强度高、在其后的搬运及合箱过程中不变形;并且树脂砂的刚度高，在浇注和凝固过程基本上无形壁位移现象，因此树脂砂工艺能使砂型（芯）达到高的尺寸精度;同时树脂砂不用烘干，缩短了生产周期，节省了能源。省去了烘干工序，型砂易紧实，溃散性好易清理等。因此我们选择呋喃自硬树脂砂来造型和制芯。壳体零件的材质是ZL101合金，铸件要求组织致密，不能有缩松、缩孔、裂纹等缺陷，在0.5MPa煤油的压力下进行气密性试验，保持5min不渗透。

2铸造工艺设计

2.1浇注位置与分型面

壳体的重量约为810g，属于小型铸铝件，内部结构复杂，最小壁厚为3mm，最大壁厚为8mm，且薄壁部分占较大比例，整体零件属于薄壁件。采用自硬呋喃树脂砂水平造型，一模两件，冷芯盒制芯，倾转浇注工艺。由图1可见，该件在轴向是对称结构，因此，为了形成铸件的内腔，设计铸件有四个需要铸出的孔。

2.2浇注系统设计

铸铝件的浇注系统通常推荐使用底注开放式结构，以避免铝液浇注时发生飞溅而氧化，同时底注式能够确保充型平稳，减少铝液的吸气。阻流截面设置在直浇道下方，采用浇注系统的水力学方法，得到单个铸件的阻流截面积的理论值为3.4cm2。由铝铸件的浇注重量与直浇道截面积的经验关系，得到直浇道的直径范围为14～20mm，实际取20mm。浇注时间为6.2s。根据铝合金浇注系统各组元常用截面比，选择F直：F横：F内=1：2：2。由于是一模两件，所以单个铸件的内浇道和横浇道的理论截面积都为3.4cm2。因扁平内浇道能有效防止金属液吸渣，并能调节铸件温度和凝固顺序，所以内浇道采用扁平型。设计内浇道的高度为9mm，上、下宽为38mm。将横浇道设计为圆形，直径为20mm。

2.3冒口的设计

壳体铸件的不均匀壁厚有三个热节部位。但因产生的热节部位都在下箱，且集中在铸件两端。因此在壳体远离浇口末端设置一个明冒口，直径为64mm，高度为90mm，冒口的斜度按照1：10设计。在靠近横浇道末端设置一个暗冒口，在浇注时也可起到集渣作用，其直径为38mm，高度为60mm。由于采用倾转浇注工艺，在浇注完成后将砂箱直立起来，铸件末端的冒口可以补缩热节部位。

3铸造过程数值模拟

采用Pro/E软件分别画出铸件、浇注系统和冒口三维图，并将其装配在一起，然后导入ProCast中划分网格，铸件和浇注系统的网格大小为15mm，砂箱和砂型的网格大小为30mm，然后在ProCast中进行充型模拟。通过模拟发现，在充型过程中，金属液在重力的作用下由浇口杯通过直浇道、横浇道和内浇道，然后进入了型腔，液面从下向上依次充满型腔，实现了缓流的目的。但厚大部位热量过于集中，容易形成缩孔、缩松等缺陷。因此，在厚大部位处增设冒口，将缩松转移至冒口。随着浇注的进行，铸型由水平位置转动到竖直位置，金属液平稳充填型腔，6.2s完成充型。充型结束时液态金属温度都在结晶温度以上，并未出现浇不足和冷隔现象。在倾转浇注过程中金属液的充型动力除了自身的重力外，主要来自于倾转引起的静压头的增加。然而，与重力浇注最大的区别在于倾转浇注时金属液的充型速度是缓慢增加的，因此金属液流充型平稳，对型腔的冲刷力较小，能实现金属液流在型腔中的层流充填和顺序排气，避免了金属液流在型腔内的紊流或飞溅。表面缺陷主要集中分布在铸件顶部的冒口区，这些表面缺陷是由于铝液在充型过程中流动前沿被氧化形成的氧化物留在了充型末端区。由于该铸件上的冒口区均为充型末端区，因此表面缺陷主要集中在冒口中。铸件上的两处冒口区的温度最高，铸件温度较低，表明铸件是按照顺序凝固的方式进行，冒口能够起到补缩作用。收缩类缺陷都留在冒口中，只有极少的收缩缺陷分布于铸件中。由此可见，本文中设计的倾转浇注工艺方案较为合理，达到了铸件的质量要求。采用开放式浇注系统，使用集渣包进行挡渣及排气，能使铸件平稳充型。通过充型模拟可以看到，采用此浇口形式，既避免了金属液对铸件型芯的冲击，同时分散了浇注过程热量，充型平稳，冒口也起到了很好的补缩效果。

4结语

分析了铸件的结构及铸造特点，采用砂型铸造，对浇注系统进行了设计，运用AnyCasting软件对铸件的充型过程、凝固过程以及缺陷分布进行了数值模拟分析，根据模拟结果，分析铸件产生缺陷的部位和原因，通过设置冷铁和冒口，改进浇注系统等方法，有效的减少了缩松、缩孔等缺陷，达到了工艺优化的目的。

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（作者单位：中國航发哈尔滨东安发动机有限公司）