1导言薄壁筒形件通常采用铸造工艺制坯，然后通过热处理和机械加工保证产品的最终力学性能和尺寸精度。传统铸造工艺采用普通砂型重力铸造，由于铸件结构复杂，易产生欠铸、冷隔、缩孔缩松、变形和尺寸超差等缺陷，铸件合格率较低。而低压铸造是一种反重力铸造工艺，金属液在压力作用下充型并结晶凝固，这不仅提高了液态合金的流动性，而且延长了铸件的补缩距离。本文结合筒体铸件技术的重要指标，主要针对铝合金薄壁筒体铸件的低压铸造工艺优化措施进行了分析，以供参考。2筒体铸件技术的重要指标铸件表面及内部不允许有缩孔、疏松、气孔、裂纹、夹渣等影响使用性能的缺陷。表面进行荧光探伤检测，内部进行X光探伤，满足Ⅰ类铸件要求。另在精加工完成后需进行气压试验，不允许渗漏，这就对产品的各项技术指标提出了很高的要求。筒体铸件结构形状为圆柱筒体，壁厚从圆筒的两端向中间呈阶梯式递减，内部两侧各设立加强筋（隔板），内部有一圆形搭子；外形尺寸为准360mm×1385mm，主体壁厚8mm，最薄处4mm，最厚处24mm，属于壁厚不均匀的薄壁铸件。其技术难点为：尺寸精度和表面光洁度要求高，对铸件表面要全部荧光探伤；加强筋（隔板）与内壁交接的部位壁厚薄，受阻收缩时裂纹倾向大，容易出现内部组织疏松缺陷，造成打压渗漏；铸件全周身要进行X光探伤检测，其两端厚、中间薄的阶梯式过渡结构会造成过渡部位产生热节，增加了补缩时的难度；另壁厚不均匀易导致铝液充型过程产生紊流，形成氧化夹渣。3铝合金薄壁筒体铸件的低压铸造工艺分析3.1原工艺方案对于圆筒形薄壁铸件，4mm的最小壁厚为铝合金重力浇注的极限值，铝硅合金铸件的合理铸造壁厚在10mm左右。该产品属于薄壁件，且结构不规则。该筒体外壁壁厚呈阶梯式过渡，两端的厚大部位内圈设计有壁厚不均匀的隔板，这些都会增加铝液在补缩时的难度。ZL114A属于铝硅系合金，且镁含量较高，铸件在浇注过程易出现针孔、氧化夹渣等铸造缺陷，采用传统的重力砂型铸造工艺很难满足技术要求，故选择低压铸造浇注的工艺方案。低压铸造工艺使铸件在压力下充型、结晶和凝固，其充型平稳，组织致密，容易消除铸件针孔，能很好地解决铸件的夹渣、缩松等缺陷。采用树脂砂工艺制芯，因其具有强度好、精度高等特点，能有效提高内壁非加工表面的光洁度及尺寸精度。另在铸件厚壁部位放置冷铁，采取局部加强冷却，消除该部位的缩松、缩孔缺陷，确保铸件组织的致密性。工艺设计时，首先考虑到操作的方便及热节部位的补缩，采取了将筒体铸件垂直放置，中间垂直分型的工艺方案。这种垂直缝隙式浇注系统的主要优点是：充型平稳，有利于顺序凝固，可获得致密的组织；可做成整体芯子定位方便，减少多个芯子产生累计误差而影响尺寸精度。在内壁的搭子及隔板的内圈台阶上放置冷铁，加速厚大部位的凝固，在圆周方向均匀分布6根缝隙式内浇道以实现平稳充型及对上下两端厚壁部位的有效补缩。3.2充型模拟结果通过数值模拟可获得充型过程不同时刻的速度场、压力场和温度场，以及充型时间等模拟结果。具体的充型时间结果如图1所示。由图可知，整个铸件完全充满需43.35s。由图中云图分布状态可以看出，金属液充满环形横浇道需要10s，充型前期自由液面稳步均匀升高，但充型末期自由液面呈锯齿状。铸件充型过程不同充满度时的速度场模拟结果如图2所示。 由图2可知，当充满度为65%和75%时，自由液面处的速度范围为0.06～0.28m/s；当充满度为85%和95%时，自由液面处的速度范围为0.04～0.06m/s。由图8可知，当充满度为65%和75%时，自由液面处的温度大于608℃；当充满度为85%时，自由液面处的温度降至600℃左右；当充满度为95%时，自由液面处的温度降至595℃以下。
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图1 铸件充型时间分布(s)
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图2铸件不同充满度时的速度场(m/s)综合分析图1～2的模拟结果可知，充型刚开始时，金属液通过缝隙式内浇口进入铸件型腔，此时的金属液热量损失少，流动性好，金属液充型平稳，自由液面均匀升高。随着充型高度的增加，金属液散热加快，温度随之降低而粘度增加，特别是两个立柱内浇道之间的部位，降温最明显，流动性也最差，此处的自由液面上升速度相应变慢，因此在充型末期，自由液面呈现出锯齿状，使得铸件最上端圆周不同部位的充型时间存在一定差异。3.3优化后的工艺方案及结果优化后的工艺仍采用将筒体垂直对半分型，将铸件竖立浇注，开设6条沿外壁垂直均匀分布的缝隙内浇道，内壁的搭子壁厚部位仍加冷铁，采取局部加强冷却，消除该部位的缩松、缩孔缺陷。不同之处为：在筒体上下两端的厚大部位处，内浇道横截面积较中间薄壁处增大；在上下两端的加强筋（隔板）内圈处的厚大部位，各增设了3个内浇道，取消了该部位的冷铁。这样进一步增强了充型过程的平稳性，保证厚大部位有足够的铝液进补量，对热节部位进行有效补缩，确保铸件各部位的同时凝固，以达到消除缩松及裂纹缺陷，实现内部组织致密的技术要求。4结论综上可知，对壁厚不均匀且内部设有加强筋的薄壁筒体类铸件进行低压铸造工艺设计时，应充分考虑热节部位的补缩通道畅通，在不能确保热节部位先凝固的情况下，可在加强筋厚大部位开设内浇道对热节部位进行充分补缩，实现消除铸造缺陷的目的。同时选择浇注工艺参数应充分考虑浇注温度对最终凝固效果的影响，适当降低浇注温度，有利于减少裂纹缺陷的产生。参考文献：[1]许小娟.基于铝合金薄壁零件的机械加工工艺分析[J].科技展望,2016,26(08):53-54.
论文作者:王仁伟
论文发表刊物:《中国建筑知识仓库》2019年02期
论文发表时间:2019/8/13
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