原標題：壓殼鑄件的鑄造工藝設計及試生產(chǎn)

摘要：壓殼鑄件應用于許多流體工程領域中。根據(jù)壓殼鑄件的結(jié)構特點，首先基于其CAD圖利用UG軟件對該鑄件進行了三維建模，然后設計其鑄造工藝方案，并利用數(shù)值模擬軟件ProCAST進行了工藝方案優(yōu)化，分析了鑄件的充型過程、凝固過程及縮孔、縮松缺陷分布等，最終確定了壓殼鑄件的最佳鑄造工藝方案。再采用樹脂砂利用數(shù)字化無模精密鑄造成形機加工出砂型及砂芯，然后合型，熔煉金屬液，進行實際澆注，對壓殼鑄件進行了試生產(chǎn)。所獲得的鑄件完全符合圖紙的技術要求，為該壓殼鑄件采用重力鑄造方法進行下一步中試生產(chǎn)奠定了工藝基礎，同時也為其他壓殼類鑄件的鑄造工藝設計提供了一定參考。

壓殼鑄件在實際工程領域中有著廣泛應用，它的主要作用是通過將流體吸入其內(nèi)部，將流體的動能轉(zhuǎn)化為壓力，從而實現(xiàn)其整體的壓力平衡，因此壓殼鑄件需要具有一定的強度，并且在使用前要進行水壓強度實驗和氣壓滲漏性實驗。由于壓殼鑄件內(nèi)部中空，因此需要用砂芯來進行成形。數(shù)字化無模精密鑄造成形技術無需制造模具或模樣，具有生產(chǎn)周期短、工藝試制成本低、數(shù)字化程度高、綠色化程度好等特點，特別適合于鑄件的工藝開發(fā)和生產(chǎn)試制。文中利用CAD/CAE/CAM技術以及數(shù)字化無模精密鑄造成形技術，進行了鋁合金壓殼鑄件的三維造型、鑄造工藝設計及優(yōu)化，最終進行了生產(chǎn)試制。

1.鑄件的結(jié)構特點及要求

該壓殼鑄件的基本尺寸為157.8 mm×151.1 mm×64.6 mm，材質(zhì)為AlSi7Mg0.3，重量為0.91 kg，鑄件的三維模型及主要尺寸如圖1所示，屬于小型復雜件。其技術要求包括：未注鑄造公差應符合BS6615/ISO 8062及工程標準E3-20，缺陷需符合工程規(guī)范E4-05-006，鑄件需符合材料規(guī)范中的相關質(zhì)量要求。該鑄件的最小壁厚為4 mm，多個面要求不允許存在飛邊、毛刺和凸起，因此需要著重考慮好澆注位置和分型面；此外，該鑄件最大截面不在同一平面上，因此要合理設計好分型面。

圖1 鑄件的三維模型及輪廓尺寸

該壓殼鑄件的中間部位和垂直法蘭處壁厚相對較大，容易形成熱節(jié)，易在凝固過程中形成收縮缺陷，因此，在這兩個位置要添加冒口進行補縮。

2.鑄造工藝方案設計

2.1澆注位置及分型面

首先，確定其澆注位置及分型面。由于采用數(shù)字化無模鑄造精密成形機進行造型，因此，在設計其澆注位置及分型面時要考慮機器是否可以將相應的砂型和砂芯銑出。通過查閱鑄造工藝手冊及比較不同澆注位置的優(yōu)缺點之后，選擇如圖2所示的澆注位置和分型面，其優(yōu)點是壁厚最大處位于上部有利于實現(xiàn)順序凝固，測量基準面位于下部，易于保證鑄造質(zhì)量；分型面總體為平面，局部為曲面分型，造型相對簡單，且不存在影響圖紙技術要求的平面（多個面要求不允許存在飛邊、毛刺和凸起）。

圖2 澆注位置和分型面

2.2 砂芯及澆注系統(tǒng)設計

根據(jù)鑄件結(jié)構，設計了兩個砂芯，如圖3所示。

圖3 兩個砂芯的三維模型圖

由于該件為小型鑄鋁件，在查鑄造手冊和相關資料后得知，鑄鋁件主要采用開放式澆注系統(tǒng)。開放式澆注系統(tǒng)在充型時可以保證充型液流速度低，從而充型平穩(wěn)，還可以避免紊流和氧化膜卷入，從而保證進入型腔中的金屬液相對純凈，故本次工藝采用開放式澆注系統(tǒng)，各澆道截面比為ΣA直 ∶ΣA橫 ∶ΣA內(nèi) =1∶1.4∶1.3。而且，采用中注式澆注系統(tǒng)，金屬液從中部流入型腔。由于該件結(jié)構為渦輪殼體結(jié)構，易在充型過程中產(chǎn)生卷氣的現(xiàn)象，因此側(cè)邊注入式的內(nèi)澆道部分采用沿切線方向進行充型，這樣可以減輕卷氣，同時更有利于金屬液平穩(wěn)地進入型腔。澆注系統(tǒng)的形狀如圖4所示。

圖4 澆注系統(tǒng)設計

對于鋁合金的澆注時間，可采用如下經(jīng)驗公式進行計算：

式中：t 為澆注時間，s；s為系數(shù)，一般情況下取s=3；G為型內(nèi)金屬液總重，kg。

由此計算出澆注時間為 t=3.27s，為了在實際澆注中便于控制澆注時間，取澆注時間為3 s。

查閱鋁合金手冊，采用公式（2）計算直澆道截面積：

式中：∑A直為直澆道最狹窄處總截面積，cm²；η為系數(shù)，通常取0.04~0.07；H 為平均壓頭，cm，其計算公式見式（3）。

式中：H0 內(nèi)澆道以上的直澆道高度，cm；h0 內(nèi)澆道以上的鑄件高度，cm；h為鑄件高度，cm。

經(jīng)計算得直澆道橫截面積為2 cm²。最終通過計算獲得的澆注系統(tǒng)各部分的橫截面及其尺寸如圖5所示。

圖5 澆注系統(tǒng)各部分的橫截面及其尺寸

3.鑄造工藝的初步模擬與分析

利用ProCAST軟件對該壓殼鑄件的初步工藝進行了模擬，其充型凝固過程模擬結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 1.1 s時刻鑄件的充型速度場

圖7 3 s時刻鑄件的充型凝固溫度場

從圖中可以看出，金屬液沿著內(nèi)澆道貼型腔壁注入然后逐漸充滿型腔，在整個充型過程中，金屬液流動相對較平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)明顯的卷氣現(xiàn)象。該壓殼鑄件的縮松、縮孔模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 縮孔、縮松缺陷模擬結(jié)果

從圖8中可以看出，除了澆注系統(tǒng)中之外，縮孔、縮松缺陷主要集中在鑄件頂部與靠近中部的厚大部分處，法蘭下部和法蘭后凸臺處也出現(xiàn)少量缺陷。這些缺陷出現(xiàn)的原因主要是這幾處部位均壁厚相對較大且散熱不易。

4.鑄造工藝的優(yōu)化

根據(jù)壓殼鑄件的形狀特點以及上述模擬結(jié)果，對鑄造工藝進行了優(yōu)化，設計了明頂冒口，設置明頂冒口的目的是對鑄件頂部進行補縮，以消除鑄件頂部與靠近中部厚大部分處的縮孔、縮松缺陷。同時，在法蘭頂部添加了1個扁出氣冒口，可以對法蘭部位的液態(tài)及凝固收縮進行補縮，而且與法蘭底部放置的一塊半圓形隨形冷鐵相配合，可以調(diào)節(jié)法蘭部位的溫度場分布，以消除法蘭部位的少量縮孔、縮松缺陷。此外還添加了4個圓形出氣孔，主要是加強型腔內(nèi)氣體的排出。優(yōu)化后的鑄造工藝方案如圖9所示。用ProCAST軟件進行模擬，縮孔、縮松缺陷模擬結(jié)果如圖10所示。

圖9 優(yōu)化后的鑄造工藝方案

圖10 優(yōu)化工藝方案的縮孔縮松缺陷模擬結(jié)果

從圖10中可以看出，壓殼鑄件本體內(nèi)縮孔、縮松缺陷全部消除。因此，采用如圖9所示的最終鑄造工藝方案進行生產(chǎn)試制。

5.壓殼鑄件的實際生產(chǎn)

5.1 鑄型的加工處理

采用樹脂砂利用數(shù)字化無模精密鑄造成形機（型號為CAMTC-SMM2000）分別進行上型、下型和砂芯的數(shù)控加工。利用UG軟件的加工模塊生成砂型和砂芯的加工刀路，其中粗加工選用的刀具為Φ8 mm的平刀；精加工時，選用Φ6 mm的球刀，切削參數(shù)中的連接改為沿部件斜進刀，在層與層之間切削。

在加工好后的砂型和砂芯上分別涂刷醇基鋯英粉涂料，刷好涂料的砂型和砂芯如圖11所示。裝配好砂芯的下型如圖12所示。

圖11 刷好涂料的砂型和砂芯

圖12 裝配好砂芯的下型

5.2 鋁合金的熔煉澆注及鑄件的后處理

接 著 進 行 合 型 ， 準 備 澆 注 。將 所 需 重 量 的AlSi7Mg0.3（ZL101A）鑄造合金錠放入到坩堝電阻爐中進行加熱熔煉，設定熔煉溫度為750 ℃，澆注溫度為(730±5）℃。采用鋁合金專用除氣除渣劑進行熔體處理，采用Al-5Ti-1B對鋁合金熔體進行變質(zhì)處理。

鑄件冷卻1 h后進行打箱和落砂處理，用工具將鑄件分型面位置的飛邊毛刺清理掉，最后獲得的鑄件（帶鑄造工藝）如圖13所示。

對鑄件進行了質(zhì)量檢驗，尺寸符合BS6615/ISO8062及工程標準E3-20的要求，可見，缺陷符合工程規(guī)范E4-05-006的要求，化學成分符合《鑄造鋁合金》國家標準規(guī)范中的相關質(zhì)量要求。

圖13 試生產(chǎn)的實際鑄件（含鑄造工藝部分）

4.結(jié)論

（1）針對小型壓殼鑄件的結(jié)構特點，進行了完整的鑄造工藝設計，并利用數(shù)字化無模精密鑄造成形技術進行了試生產(chǎn)，所獲得的鑄件符合圖紙技術要求，為該壓殼鑄件采用重力鑄造方法進行下一步中試及大規(guī)模生產(chǎn)奠定了工藝基礎，同時也為其他壓殼類鑄件的鑄造工藝設計提供了一定參考。

（2）采用文中優(yōu)化工藝生產(chǎn)的壓殼鑄件，其工藝出品率為69%。如果需要進一步提高工藝出品率，則需要采用金屬型鑄造或低壓鑄造等特種鑄造方法。

（3）數(shù)字化無模精密鑄造成形技術具有砂型和砂芯加工精度高、可以進行曲面造型、無需制造模具、生產(chǎn)周期短等特點，特別適合于小批單件生產(chǎn)及鑄件的鑄造工藝開發(fā)和試制。

作者

馬玉琪 劉瑞祥 曾雯雯 史書考
王承云 張偉 向青春
沈陽工業(yè)大學材料科學與工程學院
于偉業(yè)
大連博斯特電機有限公司

本文來自:《鑄造》雜志