■ 王華僑，李玉勝，王永鳳，劉泳伸，宋豫娟

一、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝特點

某大型薄壁鋁合金殼體外形屬于不規(guī)則形狀（見圖1），壁厚3.5mm，內(nèi)腔為鑄造表面不加工，外表面加工；精加工后尺寸精度為（3.5±0.5）mm，鑄件重量60kg，公差為±5%，屬于典型薄壁鑄件。此類鑄件國內(nèi)通常采用鍛坯機械加工，或機械加工-組焊等工藝方法成形，傳統(tǒng)工藝方法加工周期長，成本高。國外普遍采用鑄造方法制造。目前國內(nèi)也有部分廠家能夠生產(chǎn)此類鑄件，但僅局限于圓筒類結(jié)構(gòu)、直徑＜800mm、高度＜1000mm的鑄件，像這種直徑和高度均大于1000mm的非軸對稱異形鑄件目前國內(nèi)還為首次。

鑄件材料為ZL114A，該鋁合金為鋁硅合金系列中力學(xué)性能指標(biāo)最高，其材料純度要求高，合金熔煉工藝復(fù)雜，尤其要保證鑄件整體性能均勻一致，因此熔煉工藝和鑄造工藝必須采取特殊的手段加以保證。精加工后壁厚公差要求需在模具設(shè)計、加工、鑄造過程和熱處理等幾個方面采取措施加以控制，才可能保證尺寸精度。

鑄件內(nèi)部質(zhì)量要求較高，內(nèi)部鑄造缺陷級別要求嚴(yán)。鑄件要求整體全部無損檢測，級別按HB963—2005標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的I類鑄件驗收，內(nèi)外表面進行100%熒光檢測。這給鑄造過程的控制增加了很大難度，必須對鑄造過程進行計算機模擬，對鑄件充型和凝固過程進行優(yōu)化設(shè)計，從而保證鑄件充型過程平穩(wěn)可控，不卷氣造渣，消除氣孔和夾雜缺陷，保證鑄件的順序凝固，消除縮松、縮孔等缺陷。

二、工藝總體方案

根據(jù)薄壁殼體鑄件的結(jié)構(gòu)特征和鑄造工藝難點分析，決定選擇樹脂砂型、低壓鑄造澆注方法作為該大型薄壁殼體研制的成形工藝手段。低壓鑄造也稱為反重力澆注，澆注工藝參數(shù)可根據(jù)鑄件的不同結(jié)構(gòu)和鑄型的不同材料而確定。澆注時，合金液在可控壓力的作用下充型，能有效地控制充型速度，合金液充型平穩(wěn)。減少或避免充型時的翻騰、沖擊及飛濺現(xiàn)象，從而減少氧化夾渣和氣孔等鑄造缺陷的形成，提高鑄件質(zhì)量。此外，合金液在壓力下充型，可以提高合金液的流動性，有利于獲得輪廓清晰的鑄件。同時鑄件在壓力作用下結(jié)晶凝固，可獲得組織致密的鑄件，提高鑄件的力學(xué)性能。

樹脂砂造型具有很高的工藝靈活性，可以使用強化激冷、加強補縮、充分過濾等工藝措施，創(chuàng)造有利的溫度梯度，形成較好的凝固順序，也有利于獲得組織致密、性能優(yōu)良的高強韌性鑄件。

圖1 薄壁殼體

因此，將兩者結(jié)合能夠達到薄壁殼體的技術(shù)要求。

采取如下具體工藝方案和工藝參數(shù)：

鑄件外形模樣選用木質(zhì)結(jié)構(gòu)，采用自硬樹脂砂以保證鑄件外形具有較高的強度及整體性，有利于保證鑄型精度；鑄件內(nèi)腔芯盒選用鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)芯也采用自硬樹脂砂制作，可較好地保證鑄件的尺寸精度；采用均布縫隙澆口，鋁液自下而上充型平穩(wěn)且干凈，各澆道流量均勻，防止過熱和紊流，鑄件沿圓周方向均衡凝固，軸向方向自上而下順序凝固，從而保證力學(xué)性能一致；縫隙澆口間和鑄件上下法蘭處放置隨形冷鐵，提高鋁液凝固時過冷度，進一步細化晶粒，以提高其力學(xué)性能；機械加工余量外表面設(shè)計8～10mm，內(nèi)表面不留余量；鑄件收縮率軸向按0.8%、徑向按0.5%控制設(shè)計。

對于如此大的鑄件要保證其尺寸及重量公差要求，采用通常木質(zhì)結(jié)構(gòu)芯盒難以保證其尺寸精度和重量公差，故采用了金屬芯盒裝配結(jié)構(gòu)，材質(zhì)選用經(jīng)穩(wěn)定化處理的鑄鋁材料，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，為兩半對開結(jié)構(gòu)，整個芯盒內(nèi)表面通過數(shù)控加工中心加工成形，從而保證其尺寸精度。為方便起型，筋條部分做成活塊，如圖3所示。

三、關(guān)鍵技術(shù)措施

如前所述，薄壁殼體關(guān)鍵鑄造工藝技術(shù)主要通過三個方面進行控制，包括鑄件內(nèi)部質(zhì)量、材料性能及本體切取性能、鑄件尺寸精度。

1. 鑄件內(nèi)部質(zhì)量控制

鋁合金鑄件常見缺陷有夾雜、氣孔、縮孔、縮松及針孔等，通過下列手段分別加以控制和解決。

其一，低壓鑄造工藝充型平穩(wěn)，避免充型過程中卷氣造渣，可以消除夾雜和氣孔等鑄造缺陷。

其二，縫隙澆口配合冷鐵保證鑄件合理的凝固次序?？p隙澆口保證鑄件自上而下的凝固順序，縫隙澆口之間放置冷鐵形成橫向溫度梯度，建立了凝固的橫向補縮通道，即通過低壓鑄造加壓過程實現(xiàn)縫隙澆口的橫向補縮作用，從而消除了鑄件縮孔、縮松等鑄造缺陷。

其三，針孔的消除主要通過三個途徑解決：爐前采用復(fù)合精煉工藝，并配合檢測儀器控制鋁液中渣、氣含量，提高鋁液的冶金質(zhì)量；采用低壓澆注工藝方法，避免充型過程吸氣，另外低壓澆注溫度可比普通重力澆注溫度低30～40℃，也大幅減少吸氣傾向；增強鑄件激冷條件，使其快速冷卻，抑制針孔析出。鑄件上下法蘭、厚大部位及縫隙澆口之間放置冷鐵正是基于此點所考慮。

2. 材料性能和本體性能

（1）原材料選購 鋁錠選用重熔精鋁，純度為99.99%；中間合金嚴(yán)格控制有害雜質(zhì)元素含量，入廠進行復(fù)檢。

（2）優(yōu)化熔煉工藝 盡量不使用或少用鐵質(zhì)熔煉工具，避免鋁液增鐵；嚴(yán)格執(zhí)行ZL114A熔煉工藝規(guī)程。

（3）冶金質(zhì)量的控制 爐前密度法檢測鋁液中渣、氣含量；澆注前取樣觀察斷口形貌，判斷變質(zhì)效果。

3. 鑄件尺寸精度控制

精度要求采用普通砂型鑄造方法是無法達到的，為了滿足設(shè)計要求，在設(shè)計合理的收縮率的前提下需從如下四個方面進行工藝和質(zhì)量控制。

第一，優(yōu)化芯盒結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用數(shù)控加工中心加工芯盒，以保證其尺寸精度。

第二，型砂及粘結(jié)劑種類、砂芯緊實度、鑄造收縮率、澆注溫度、澆注速度等鑄造工藝參數(shù)需通過試驗選定（某些參數(shù)可根據(jù)經(jīng)驗確定）。

圖2 內(nèi)芯金屬芯盒結(jié)構(gòu)

圖3 內(nèi)芯內(nèi)腔結(jié)構(gòu)

第三，凝固收縮變形的控制，主要通過在鑄件薄弱部位增置鑄造工藝?yán)钜栽黾悠湔w剛度，從而使鑄件線收縮時的收縮阻力均勻，以達到減小鑄件變形的目的。

第四，熱處理淬火變形的控制，主要是通過優(yōu)化設(shè)計的限位、校正工裝和精確測量檢具加以保證。

4. 鑄造工藝過程模擬仿真

根據(jù)計算并結(jié)合實際經(jīng)驗初步確定了低壓鑄造工藝參數(shù)，但是否合理尚需進一步驗證，為此應(yīng)用計算機數(shù)值模擬計算對薄壁殼體鋁合金鑄件充型和凝固過程進行了模擬試驗，并且對工藝方案進行改進和優(yōu)化。計算機模擬情況如下。

（1）初始及邊界條件的建立 ①根據(jù)鑄件毛坯圖樣和鑄造工藝圖樣建立鑄件、冷鐵、砂型的三維模型，如圖4所示。②對立體圖形進行網(wǎng)格剖分，單元格總數(shù)為4 838 130個。③鑄型及內(nèi)芯選用呋喃樹脂砂，冷鐵按位置對應(yīng)擺放，材質(zhì)為鋁質(zhì)材料，調(diào)用數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)參數(shù)進行邊界條件設(shè)定。④設(shè)定工藝參數(shù)：澆注溫度720℃；充型時間161s；鑄型、冷鐵溫度26℃。

（2）鑄造工藝模擬仿真結(jié)果 根據(jù)確定的鑄造工藝方案和澆注、補縮系統(tǒng)的初步設(shè)計，應(yīng)用AnyCasting鑄造成形工藝過程模擬軟件進行工藝仿真。對鑄件的充型、凝固過程進行多次模擬（見圖5、圖6），對澆注系統(tǒng)、補縮冒口及冷鐵的尺寸、形狀、位置等進行了反復(fù)調(diào)整，形成了有利的充型及凝固順序，消除了潛在的溫度場不均勻、補縮效果不良等不利因素。

圖4 鑄件及流道三維示意

圖5 鑄液充型過程模擬示意

圖6 鑄件凝固過程模擬示意

由充型模擬結(jié)果可見，金屬液經(jīng)縫隙澆道平穩(wěn)進入型腔，未發(fā)現(xiàn)渦流卷氣現(xiàn)象。同時，充型過程中鑄件的各部分區(qū)域溫度分配比較合理。凝固模擬結(jié)果可觀測到，鑄件的凝固次序比較理想，鑄件上縫隙澆道之間的部分最先凝固，并且鑄件上下部基本同時凝固；鑄件各縫隙澆道附近區(qū)域凝固遲于縫隙澆道中間部分，縫隙澆道遲于鑄件本體凝固。鑄件整體溫度分布合理，處于較好的整體同時凝固、局部順序凝固狀態(tài)，鑄件整體凝固和補縮次序比較合理。但鑄件本體局部順序凝固的溫度梯度是否合理，能否滿足鑄件補縮要求，鑄件指定區(qū)域的絕對凝固速度是否合適，能不能確保該處力學(xué)性能控制在規(guī)定范圍之內(nèi)還不能確定，尚需實際生產(chǎn)驗證，并做優(yōu)化調(diào)整。

5. 生產(chǎn)效果

根據(jù)薄壁殼體鋁合金鑄件尺寸大、形狀復(fù)雜的特點，結(jié)合鋁合金鑄件生產(chǎn)經(jīng)驗及計算機數(shù)值模擬結(jié)果，采用低壓澆注，樹脂砂精密制芯及組芯組型技術(shù)，獨特合金熔煉技術(shù)和熱處理技術(shù)，合理的工藝流程，可以獲得優(yōu)質(zhì)合格的薄壁殼體鋁合金鑄件。鑄件的力學(xué)性能合格，見附表。

鑄件三維掃描內(nèi)外形檢測數(shù)據(jù)如圖7所示。艙段殼體外形加工余量6mm，實測6～7.5mm；內(nèi)形輪廓度1mm，實測-0.7～0.4mm。①內(nèi)部型腔非加工表面整體輪廓度較好-0.7～0.4mm，加強筋對普遍偏小，比理論值低1～1.5mm。②外表面加工余量6mm，實測6～7. 5mm，個別偏離數(shù)據(jù)較大點是實物表面有凹坑類缺陷，不參與判讀。③前端面余量實測3～4.5mm，前端面內(nèi)表面余量偏大2～3mm。④后端面余量實測值6～7mm，后端面內(nèi)表面應(yīng)沒有余量，但實際存在5～6mm余量。

6. 鑄件數(shù)控加工

鑄件熱處理后基本不變形，變形量小于0.2mm；在鑄造后已進行了兩次熱處理，第一次是矯形，第二次是大余量粗加工后退火處理。產(chǎn)品數(shù)控機械加工后實物如圖8所示。零件的壁厚值不滿足設(shè)計要求，尺寸3.5mm處實測3.07～7.79mm（鑄造內(nèi)表面局部有凹坑），共測514點，滿足壁厚（3.5±0.5）mm尺寸點134個，占28.3% ，壁厚大或小的點主要集中在加強筋側(cè)面。3D掃描外形曲面輪廓度，以小端+兩銷孔對齊，-0.2～0.35mm，局部0.66mm。端框內(nèi)表面應(yīng)該是非加工表面，但是由于余量太大，現(xiàn)已進行了機械加工，局部機械加工不到的位置端框厚度比理論值厚大3～6mm。

圖7 鑄件三維掃描點示意

圖8 產(chǎn)品實物

艙段鑄件力學(xué)性能檢測結(jié)果

四、結(jié)語

大型薄壁鋁合金殼體鑄造成形工藝總體方案基本合理，通過鑄造仿真模擬優(yōu)化了澆注系統(tǒng)設(shè)計。產(chǎn)品鑄造實物無力學(xué)性能缺陷，無鑄造缺陷；鑄件軸向和徑向的收縮率設(shè)置基本可控，鑄造后期所采取的熱處理及矯形控制措施有效，可基本滿足鑄造內(nèi)形面整體輪廓度要求和最終壁厚要求，實現(xiàn)了研制的產(chǎn)品質(zhì)量目標(biāo)。