徐加平
中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 150066
摘要：薄壁铝合金铸件一直是铸造界的难题，低压铸造是最佳的工艺方法，介绍了低压铸造充型的原理及其工艺特点，重点介绍了铝合金薄壁铸件低压铸造充型工艺及其优化。
关键词：薄壁；低压铸造；充型
复杂薄壁铸件的成形工艺应该满足充型要平稳、充型速度要快、铸型中具有尽可能小的背压、具有很强的补缩能力、具有合适的铸型材料等条件。目前，多采用特种铸造法，比如低压铸造、差压铸造、真空吸铸等。低压铸造的优点是具有经济性好、充型能力强、平稳可控等，因此在大型机械、汽车和飞机铝合金铸件，尤其是在复杂薄壁、优质铝合金铸件上一般都采用低压铸造。
1低压铸造充型原理及其工艺特点
1.1低压铸造充型基本原理
低压铸造是在装有金属液密封容器中，通入压缩空气使金属液沿着升液管从下而上的通过浇注系统，平稳地进入型腔，并且金属液凝固在型腔的过程中，适当增加压力并保持金属液面上的气体压力的铸造方法。这种铸造方法在很久的时候就申请了专利，是由英国人提出来的。
1.2 低压铸造的工艺特点
①低压铸造中，金属液在升液管中自下往上流动，坩埚金属液表面氧化渣不会被带入铸件内部。
②浇注过程中，金属液在可控压力作用下自下而上平稳地充型，可避免重力浇注过程中出现的卷气、飞溅、冲砂等缺陷，提高铸件质量，加上冷铁工艺的优化设计，使铸件厚大部分能够充分补缩，减少或消除铸件的缩孔和缩松等缺陷。
③在气体压力的作用下，金属液在充型过程中流动性提高，因此这种方法广泛应用于不同壁厚，不同高度与不同结构的铸件，并且有利于获得轮廓清晰和组织致密的铸件。
2薄壁铸件低压铸造工艺
2.1 薄壁复杂铝铸件的特点
①铸件轮廓结构复杂，薄、壁、厚断面过渡突然且内部多腔。
②铸件的内部型腔部分大多数是薄壁部位，这些铸件一般都是小于4mm最小壁厚，局部壁厚甚至薄至2mm以下，这些自由复杂曲面和平面构成的薄壁和型腔部分是无法通过后期加工成形的。
2.2 薄壁铝合金铸件的低压铸造解决的主要问题
①浇注系统设计问题：在铝合金低压铸造浇注系统的设计过程中，首先要根据铸件的材质特征和铸件的结构特征选择合适的浇注系统，其次合理的内浇口及横浇尺寸设计和分布也比较重要。
②补缩系统设计问题：薄壁铝合金铸件表面积大、平均壁厚较小，且又有局部厚大处，内部有较多曲面，热节部位复杂，对于这些部位的补缩是很困难的，因此常会形成缩孔、缩松等缺陷。
③变形问题：铸件在低压铸造成型过程中，由于铸件形状复杂，残余应力必然会导致铸件变形。铸件变形就会直接导致铸件的强度、疲劳极限、刚性、耐腐蚀性等重要性能达不到性能指标，同时还会导致零件的尺寸精度的不足，降低了铸件的使用寿命。薄壁铸件的壁厚一般为1.0-1.5mm，形状又很复杂，因此铸件在凝固过程中产生变形。
④铸型的问题：复杂的薄壁件的铸型一般都比较厚大，而型腔比较狭小，型腔表面几毫米厚的型砂在合金液浇注后很容易被烧焦，铸型表面的型砂的残留很多，这样就会影响铸件的收缩，而且铸件在施工过程中也显得比较困难。
3低压铸造充型工艺的研究现状
3.1气压式低压铸造充型
自从20世纪初期开始研究并应用低压铸造工艺，气压式低压铸造已经由实验转入生产，从生产简单件发展到生产复杂件，从生产铝、铜合金铸件发展到黑色金属和轻量化的镁合金铸件，从起初的单件、小批量发展到大批量、机械化生产，从砂型发展到金属型、消失模等精密度更高的低压铸造。
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面向21世纪，铸造技术正在向更轻、更薄、更精、更强的方向发展。大型化轻量化、精确化、数字化、网络化是未来铸造技术的重要发展方向。近年来，我国的一些高校及科研院所对低压铸造充型进行了研究，并取得了大量的成功，主要表现在基础研究、薄壁件和铸件精确化等方面。
①基础研究和薄壁件：在西北工业大学的就采用了低压铸造方法对A357合金的充型过程进行了研究。那么结构研究表明，当充型压力低于30kPa时，随着充型压力增大可以得到表面质量比较优的铸件，达到30kPa以上时，就出现粘砂、夹杂、气孔等缺陷。
②铝合金铸件精确化：华中科技大学教授等人试验研究了反重力浇注条件下，铝合金消失模真空低压铸造的充型流动特性。通过采用电极触点测定不同条件下铝合金液体流动前沿的变化规律，获得了不同条件下液态ZL101的充型等时曲线。证明了负压、浇注温度、浇注系统的尺寸、气体流量、模样的壁厚，涂料的性能等对铝合金消失模真空低压铸造的充型形态及充型速度都有比较大的影响。
3.2电磁低压铸造充型
电磁低压铸造技术是一种生产效率高、近无余量精确成型方法之一。它不仅具有充型平稳、流量精确可控、电磁作用提高铸件性能等优点，还能克服传统气压低压铸造过程中液面波动、铝液吸气及氧化夹杂等缺点。因此，近年来，人们对电磁低压铸造的研究越来越深入。
3.3计算机在低压铸造充型过程中的应用
随着计算机技术的发展，铸造过程中的充型模拟也得到了快速的发展。低压铸造充型过程数值模拟就是采用数值技术手段和一定的新型手段，根据低压铸造的工艺特点和充型流动的特点来模拟分析低压铸造生产过程中各因素对铸件成型过程的影响，预测缺陷，为进一步改进工艺提供合理和准确的依据，从而达到降低铸件缺陷、提高产品质量和工艺出品率的目的。
4薄壁铸件低压铸造工艺优化
4.1浇注系统设计的优化
通过对充型过程和凝固过程的数值模拟，比较采用不同浇注系统设计对铸件质量及生产效率的影响。优化浇注系统的设计是铸造工艺设计的首要任务，主要考察几个方面：铝液是否能够充满铸型型腔，获得轮廓清晰、形状完整、棱角清晰的铸件。是否满足铸件补缩的顺序凝固条件。铸件是否会产生缩孔、缩松等缺陷。
4.2浇注温度的优化
根据铸件在不同浇注温度条件中金属液面的温度高低对铸件的充型过程影响很大。对于复杂薄壁铝合金铸件而言采用725℃浇注温度是合理的。
4.3补缩系统设计的优化
铸型底部一般是在逐渐厚度大端面处，为了保证铝合金逐渐凝固过程的补缩能力，内浇道要尽量开设在铸件的热节部位；冷铁设置是根据热节部位结构特点而设计的，将冷铁设计成等截面结构和变截面结构，在冷铁和内浇道的共同作用下使铸件实现顺序凝固。
4.4反变形设计的优化
在补缩系统优化完成以后，通过铸件的应力及变形可以为设计人员提供改进、优化供应与的科学依据，保证铸件的尺寸精度和稳定性、减少铸件的加工余量、提高铸件的内在质量，对于受拉应力产生的内凹变形，所加的反变形比如是外凸的，而对于受到压应力产生的外凸的变形，所加的反变形比如是内凹的。
小结
以上所述，金属液在浇注系统和铸型中流动状态的模拟分析，可以优化浇注系统设计，保证金属液在型腔内有足够的上升速度，避免形成夹砂结疤、冷隔、皱皮等缺陷，防止液态金属在浇道中的吸气，减轻浇注系统挡渣，使金属液流在多个横浇道和内浇道实现均匀分配，减轻液态金属对铸型的侵蚀和冲击。
参考文献：
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[2]闫庆斌，王月琴，李世嘉，庞尔楠.?薄壁铝合金铸件低压铸造工艺优化及设计[J].?铸造技术，2014，35（01）：206-208.?
[3]赵信毅.?曲轴箱体金属型低压铸造过程数值模拟及工艺研究[D].哈尔滨工业大学，2013.?
论文作者:徐加平
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/29
标签：铸件论文; 低压论文; 薄壁论文; 铸型论文; 铝合金论文; 工艺论文; 金属论文; 《防护工程》2018年第13期论文;