原標題：某鋁合金橫梁半金屬型低壓鑄造工藝設計

摘要：以某鋁硅合金橫梁為研究對象，分析機床橫梁的結構特點、工作條件、材料特性及工藝要求，對橫梁進行了合理的半金屬型低壓鑄造工藝設計，在此基礎上，設計和制定了相應工藝參數，并運用Any-Casting進行了模擬分析。結果表明，該工藝不僅能滿足品質要求，還能通過在不同位置處增設冷卻水道并控制水流的進出順序及時間，對工藝進行改進，設計出利于最終鑄件綜合性能的順序凝固，減少鑄件中的缺陷，并且保證鑄件有較高的工藝出品率，成型鑄件品質好。

隨著制造業技術的發展，機床工況和結構越來越復雜，同時對各零部件的質量及精度要求也越來越高。橫梁作為滑板、主軸箱、滑枕等零部件的支撐結構，其好壞直接影響著機床的工作性能，這對制造工藝提出了較高的要求。由于低壓鑄造及金屬型鑄造的工藝特點，常用于要求較高的場合，其具有較好的充型及補縮效果，可用于較薄件及有色金屬件的鑄造。本課題結合低壓鑄造、金屬型鑄造、砂型鑄造的各工藝特點，對機床用橫梁進行了工藝設計并通過Any-Casting軟件進行分析模擬，為機床橫梁鑄件的生產提供參考。

1、橫梁結構特點及要求

橫梁鑄件三維造型及內部結構見圖1。最大外形尺寸為2480 mm×553 mm×278 mm，質量為78 kg，屬于中型鑄件；鑄件最小壁厚為6 mm，最大壁厚處達10 mm，鑄件整體壁厚較均勻，主要壁厚為6 mm，其壁厚基本均勻；頂部具有多個圓柱孔，小圓柱孔直徑為60 mm，大圓柱孔直徑為80 mm；底座具有階梯型方孔及通孔特征，底座與梁身之間具有加強筋。從圖1b可知，各壁面具有等距分布的加強筋，且上下面之間的加強筋與各壁面加強筋相錯連接，底部具有多個等距排列的方孔。因此是形狀復雜、壁厚均勻的薄壁鑄件。

圖1：橫梁三維圖

橫梁材質為ZL114A，化學成分見表1。體收縮率為 4.0%~4.5%。要求采用低壓鑄造，外型面采用鋼制模具。

表1：ZL114A化學成分  w_b/%

2、鑄造工藝設計

2.1 工藝特性分析及工藝方案

該鑄件是機床用橫梁結構復雜，內部各交錯的加強筋之間不易成形，鑄件分型困難；長寬高比率大。根據鑄件技術要求及毛坯的尺寸，選取鑄件尺寸公差等級CT8；選取鑄件的質量公差為6級；起模斜度為0.5°。采用金屬型造型時，機械加工余量等級為D～F級，考慮到方便加工，根據零件圖紙各個加工面粗糙度要求均為Ra12.5及低壓鑄造的自上而下凝固，確定加工面的尺寸分別為：橫梁梁身垂直面加工余量為2 mm，水平方向上加工余量為3 mm；橫梁底座方槽及方孔部分的垂直面加工余量定位為3 mm，水平方向上加工余量為5 mm。

由于加強筋上有兩個Φ50 mm×15 mm的圓柱孔，若鑄造出來，則需要在上模中設計抽芯機構，這使得模具結構復雜，增加了設計成本，故兩個孔為不鑄出孔，采用機加工完成。

根據橫梁的結構特點和技術要求，最終確定采用金屬型低壓鑄造。橫梁的材質為ZL114A。鋁合金有嚴重的氧化和吸氣傾向，容易產生析出性氣孔、針孔，主要是水蒸氣分解產生的氣體造成的，因此一般需要提高鑄芯的剛度。芯部由于有交錯的加強筋，若采用無退讓性金屬型芯成型，型芯不能取出，故芯部采用砂芯成型。綜上所述，橫梁采用金屬型低壓鑄造，內部型腔采用砂芯成型，即半金屬型低壓鑄造。

2.2分型面選擇

結合低壓鑄造及金屬型鑄造的工藝特點及橫梁的結構特點，在最大平面處階梯分型，見圖2。該分型面的選擇方便造芯和砂芯的穩固定位，起模后鑄件留于包緊力較大的的上型中，便于鑄件的取出，方便下芯，降低工藝難度。

圖2：分型面的位置

2.3鑄型設計

橫梁的上下模采用H13熱作模具鋼。鑄型采用水平的階梯分型，模具分為上模、下模，其結構見圖3。

圖：3鑄型結構

金屬型的厚薄影響鑄型的強度、剛度、質量、壽命和鑄型的蓄熱、鑄件的冷卻速度等。對于熔點較低的輕合金鑄件，鑄件壁厚一般較薄，此時鑄件冷卻速度主要決定于金屬型的蓄熱能力，因此，增加金屬型的壁厚可提高鑄件的凝固速度，但增加到一定厚度后，凝固速度逐漸減弱甚至消失，一般約為20 mm，金屬型的蓄熱能力對鑄件的凝固速度沒有多大影響了。鑄型壁厚選取參考值見表2，根據δ_型=（2.5~3）δ_件件計算得出壁厚為21 mm，綜合考慮其他因素，取δ_型=40 mm。

表2：鑄型壁厚選取參考值  mm

2.4澆冒系統設計

根據鑄件的結構特點、尺寸、質量、技術要求、鑄造合金特性等，澆口位置設置見圖4（圖上部分），澆口位置位于橫梁底座，有利于鑄件兩側面的成型，減小澆不足、冷隔等缺陷，充型較快，縮短周期；橫梁工作面放置側面，以防這些表面上產生砂眼、氣孔和夾渣等缺陷。

圖4：澆口位置

由于鑄件體積較大，長高比大，且對鑄件質量要求較高，結合金屬型鑄造及低壓鑄造的工藝特點，橫梁采用底注式澆注系統，1個升液管、1個橫流道、16個分流道、16個內澆道的澆注系統澆注。金屬液通過布置在橫梁底部中心位置處的升液管進入橫流道，橫流道布置于橫梁底部中間，分流道別對應澆口位置設計。經計算，得出澆注時間為34.12 s，充型時間為12.6 s；內澆道形狀為圓形，內澆道出口的速度取12 cm/s，則內澆道的截面尺寸為523 cm2，截面圓的直徑為25.3 cm；內澆道截面尺寸確定后，根據截面積比A_升：A_橫：A_內=（2～2.3）:（1.5～1.7）：1，得A_升為1 203 cm2，A_橫為889 cm2。橫澆道的截面為梯形，梯形上下底邊分別為24 cm、28.4 cm，高度為34 cm。升液管下部在金屬液中，上部與鑄型連接，是金屬液體流入型腔的通道，升液管的截面形狀為圓形，在靠近橫澆道位置處減小截面積提高充型壓力；截面圓直徑為40.6 cm，靠近截面處的錐形錐度為18°。對于鋁合金，升液管離坩堝底部的距離一般為50~100 mm。設計的升液管與澆道的連接方式見圖5。

圖5：升液管與澆道的連接方式

3、砂芯設計

3.1砂芯方案設計

橫梁內部采用呋喃樹脂自硬砂制砂芯。砂芯的整體三維形狀見圖6。由于砂芯較長，為使砂芯具有一定的剛度，從而避免砂芯在搬運過程中損壞，采用可拆卸式砂芯，將整個砂芯分為3部分，將3部分砂芯組裝起來。若整體采用芯骨支撐，從實際考慮芯骨放在距離分型面近的一側比較符合實際生產，這樣距離分型面遠的一側容易變形，也可能剛度不足；因此，為了滿足砂芯的剛度要求，并且能夠實現砂芯的相互定位，提高鑄型的成型精度，利用孔軸配合原理將整個砂芯分為3部分，其中中間部分兩邊設計出圓柱軸，與砂芯成型部分一體，左右兩部分砂芯的中心設計出圓柱孔與圓柱相配合，設計的砂芯見圖7。

圖6：砂芯三維圖

圖7：各段砂芯圖

3.2砂芯芯頭及芯骨設計

為保證砂芯的安放穩固及定位準確，本次設計了兩個芯頭定位。分別對稱布置，芯頭形狀見圖11。對于長度小于1 000 mm的中型、小型砂芯，水平芯頭的長度一般在20~100 mm之間。水平芯頭的長度為40 mm，芯頭與芯座的間隙一般為0.2 mm，水平芯頭能從芯盒中順利取出，芯頭可不留斜度，而由芯座留斜度。

圖8：芯頭設計

在砂芯中埋置芯骨，以提高其強度和剛度，材質選用圓鋼。

3.3砂芯的排氣

由于樹脂自硬砂制芯，因此，在設計、制造砂芯過程中，要注意砂芯的排氣，使砂芯中產生的氣體能夠從砂芯芯頭排出，見圖9。在管道砂芯內部埋入隨型的蠟線，蠟線熔出后得到彎曲的排氣道；中間砂芯部分用通氣針扎出排氣道。

圖9：砂芯排氣道的形式

4、鑄造工藝參數及模擬分析

橫梁的低壓鑄造工藝的加壓過程，一般分為：升液、充型、增壓結晶、保壓以及卸壓放氣5個階段，經過計算得出加壓過程中各階段參數見表3。綜合鋁合金橫梁的結構及工藝特點，選擇澆注溫度為710 ℃，模具預熱溫度為360 ℃。

表3：加壓過程各階段參數 (MPa)

模擬分析采用Any-casting 軟件進行，主要包括鑄件充型過程中的溫度場，充型時間，充型順序分析；凝固過程中溫度場、凝固時間、凝固順序分析，以及鑄件缺陷查看。導入橫梁、澆注系統的stl文件，進行三角形網格劃分，初次模擬的澆注溫度為710 ℃，模具預熱溫度為360 ℃。按表4設置充型的壓力，冷卻狀態為自然冷卻。模擬結果見圖10.

可以看出，鋁液由下向上充型，直到充滿型腔，充型時間為13.33 s。從鑄件充型順序可以看出，鋁液經升液管進入橫澆道，再經分流道，最后由16個內澆口進入型腔內。鋁液首先從內澆口部位進入橫梁的底部，然后逐漸往上充填。充型過程直接影響鑄件的質量，如果鋁液在充型過程中充型順序不合理、充型過程不平穩及其時間太長等問題會導致鑄件產生澆不足、卷氣等缺陷，從而使鑄件缺陷范圍增大。由鑄件充型順序模擬過程可知，鑄件的充型順序是合理的。

圖10：充型模擬過程

鑄件凝固過程模擬見圖11。可以看出，鑄件從上往下凝固，剛剛開始時，鑄件凝固較快，但整個梁身的冷卻時間比較集中，可能造成補縮不能順利進行，從而造成鑄件的不完整以及梁身的內應力達不到要求；到后期，由于鑄型的溫度有所增加，凝固較慢，靠近澆注系統處最后凝固；根據鑄件凝固過程模擬分析，鑄件內澆道處最先開始凝固，說明鑄件可以通過自身膨脹實現補縮；鑄件從頂部壁薄處開始凝固，壁厚處最后凝固。因此鑄件的凝固復合低壓鑄造原理，由此凝固順序及凝固時間可以驗證改工藝較合理。

圖11：鑄件凝固過程

鑄件模擬概率缺陷參數見圖12。可以看出，此種方案設計澆注產生的缺陷較少，主要集中在距離澆口較遠處，該處可能出現澆不注、縮孔、縮松等缺陷，但內部加強肋板基本沒有缺陷。通過以上模擬結果分析，鑄件壁最薄處鑄件最先凝固，壁較厚及最后靠近澆口位置處較后凝固，整體缺陷比較少。

圖12：鑄件缺陷結果分析

為使鑄件的凝固時間縮短，防止鑄造缺陷，故鑄型的不同位置增設冷卻水道。橫梁頂部最先凝固，得不到補縮，容易產生縮孔，所以為了防止縮孔，需要加速輪緣部分的冷卻速度，在壁較厚的階梯處，也容易產生缺陷，也需要加快冷卻速度以防止鑄造缺陷，為此設計的冷卻水道的位置圖見圖16。

圖16：冷卻水道位置

冷卻水道的條件設置見表3。

表4：冷卻水道參數

5、結語

對某機床用橫梁進行結構特點分析，設計了其鑄造工藝。采用半金屬型低壓鑄造工藝進行制造，橫梁外部采用金屬型成型，內部采用砂芯組芯造型；設計了底注開放式無冒口澆注系統，并運用Any-casting對已計算好的工藝參數進行模擬驗證，并在此工藝基礎上進行改進，在不同位置增加直徑不等的冷卻水道，并控制進出水的順序及時間，生產出合格的鋁合金機床橫梁。

作者：
吳巧 梅益
貴州大學機械工程學院