郗 旸 董方濤 王中華 王 鵬 校武武 何 明

鋁合金復雜箱體類鑄件成型研究

郗 旸 董方濤 王中華 王 鵬 校武武 何 明

（西安航天精密機電研究所, 西安 710100）

針對具有典型復雜結(jié)構(gòu)的某型號箱體，設計了頂注式澆注方案、底注式澆注方案和縫隙式澆注方案，采用常壓砂型鑄造進行試驗。鑄件試驗結(jié)果表明，縫隙式澆注輔以冷鐵、冒口的鑄造方案可有效防止縮孔縮松、氣孔和欠鑄等鑄造缺陷，提高鑄件質(zhì)量。

鋁合金；澆注系統(tǒng)；常壓砂型鑄造

1 引言

鋁合金密度較小而強度較高，且材料成本相對低廉，是航空航天領(lǐng)域使用較為廣泛的合金材料之一[1]。箱體類零件整體尺寸較大，結(jié)構(gòu)復雜，壁厚差別大，零件上存在多處裝配重點部位，承受外力和承受載荷的要求較高，增加了砂型鑄造生產(chǎn)難度。

通過對某型號箱體結(jié)構(gòu)特點的分析，結(jié)合鑄造工藝理論和生產(chǎn)實踐，制定了三種鑄造工藝方案進行實驗，以期得到較好的生產(chǎn)方案，并在此基礎(chǔ)上進行一定程度的優(yōu)化和改進。

2 鑄件結(jié)構(gòu)及質(zhì)量要求

選取的某型號箱體的鑄件三維模型如圖1所示。從圖中可以觀察到：首先，該箱體上部是一個厚度為4mm帶加強筋的平板結(jié)構(gòu)，該平板的平面尺寸為390mm×400mm，當以大平面結(jié)構(gòu)作為鑄件頂部時，在澆注過程中很容易出現(xiàn)欠鑄現(xiàn)象；其次，鑄件四周較薄部分的壁厚為4mm，而底部安裝平面厚度為17mm，底部四角安裝臺和頂部前兩角安裝臺厚度均為28mm，最厚處和最薄處壁厚相差7倍，在鑄造過程中容易出現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷；最后，該鑄件底部安裝面是一個向上凸起的平面，而鑄件四周是中空結(jié)構(gòu)，加之薄壁的存在，使得鋁液在底部流動時其中的氣體和雜質(zhì)等很難順利排出，鑄件底部較容易出現(xiàn)氣孔和夾雜等缺陷。

圖1 某型號箱體鑄件模型

根據(jù)圖紙要求，前文提到的該箱體厚度為28mm的六個安裝臺均須通過透視檢驗，而底部安裝平面等同樣需要透視檢驗，并且鑄件不宜補焊。這些結(jié)構(gòu)特點和質(zhì)量要求均不同程度地增加了鑄造工藝難度。

3 鑄造工藝方案設計

該箱體的生產(chǎn)原材料采用的是強度、塑性和流動性較為均衡的Al-Si合金——ZL107，合金成分如表1所示。鑄造方法選用常壓砂型鑄造，利用的是其結(jié)構(gòu)適用性強、透氣性好的優(yōu)勢。鋁液澆注溫度采用685℃。

表1 ZL107的主要成分表

3.1 頂注式澆注方案

圖2為該箱體的頂注式鑄造方案的示意圖。該方案采用對稱式頂注澆注系統(tǒng)，橫澆道采用梯形截面，將雜質(zhì)收集在橫澆道頂部；橫澆道兩端超出內(nèi)澆口邊沿的部分長度約為60mm，其主要作用是擋渣；內(nèi)澆口采用壓邊式，金屬液流經(jīng)的截面積較小，充型速度較慢，有一定的擋渣和補縮作用[2]；冒口位置在鑄件頂部平面上的內(nèi)澆口末端，可以防止內(nèi)澆口附近過熱出現(xiàn)縮孔、縮松，對頂部大平面也有一定的金屬液補充作用。

圖2 某型號箱體的頂注式鑄造方案

在鑄件底部四個安裝臺處設置了冷鐵，因為此處壁厚較大，冷卻速度較慢，其他薄壁處先冷卻后對厚大處難以補縮，設冷鐵后加快冷卻速度，防止縮松缺陷。

3.2 底注式澆注方案

圖3為該型號箱體的底注式澆注方案示意圖。底注式方案的優(yōu)勢在于內(nèi)澆道在澆注時處于被金屬液體充滿的狀態(tài)，充型狀態(tài)較為平穩(wěn)，對于零件結(jié)構(gòu)較為復雜、有一定充型難度的鑄件效果較好；此外，無論是何等澆口比，其橫澆道在工作時基本處于被淹沒狀態(tài)，有利于擋渣；金屬液體從下部注入的方式也有利于氣體和雜質(zhì)上浮[3]。

圖3 某型號箱體的底注式鑄造方案

此箱體鑄件由于高度較大，采用底注時，金屬液從直澆道進入后落差較大，為了防止液體撞擊橫澆道產(chǎn)生卷氣和卷渣現(xiàn)象，在橫澆道底端設置了緩流窩；除了橫澆道截面采用梯形之外，橫澆道的末端也以立體梯形作為雜質(zhì)上浮的通道[3]；內(nèi)澆口正對著底端四個壁厚較大的安裝凸臺，可以有效利用澆注系統(tǒng)內(nèi)的金屬液對其進行補縮，一定程度上降低其縮松傾向；但與之相反的，按照鑄件體積計算，約20kg高溫鋁液從內(nèi)澆口經(jīng)過進入型腔內(nèi)，容易引起內(nèi)澆口附近的過熱，造成縮松，為此，在底部四周棱臺下方設置了一圈厚度約30mm的冷鐵。

底注式的缺點在于型腔內(nèi)鑄件的溫度場分布不利于順序凝固，利用冒口補縮時其效用也不能充分發(fā)揮，于是在鑄件頂部大平面上靠近厚大部位的一側(cè)設置較大冒口，點冒口時也必須采用較高溫度的金屬液。

3.3 縫隙式澆注方案

圖4 某型號箱體的縫隙式鑄造方案左側(cè)斜視圖

該箱體鑄件壁厚的薄厚尺寸差異較大，為了保證充型，并且有效控制凝固順序，提出了有色合金鑄造中較為典型的縫隙式澆注方案，如圖4和圖5所示。

圖5 某型號箱體的縫隙式鑄造方案右側(cè)斜視圖

該澆注方案和底注式采用的橫澆道形式相似，通過緩流窩、梯形截面和梯形末端起到擋渣作用；內(nèi)澆道通向中間直澆道，經(jīng)過中間直澆道底部的集渣包可以有效二次除氣除渣[2]；縫隙口與鑄件縱向四壁的外沿接觸，可對小壁厚部分有效充型，防止欠鑄現(xiàn)象，增加了補縮作用。

由于橫澆道在靠近底部，金屬液反復流經(jīng)的底部安裝臺下方設置了冷鐵，促進順序凝固作用；安裝臺上方也增設了冷鐵，目的是防止鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)拐角處出現(xiàn)縮孔、縮松。箱體鑄件頂部設置方形冒口，為頂部平面補充金屬液的同時防止稍大壁厚處出現(xiàn)縮孔、縮松；中間直澆道頂部設置圓形冒口，主要用于通過中間直澆道補縮鑄件側(cè)面和底部厚大部分。另外，在頂部蓋箱中排布了出氣孔，促進頂部大平面結(jié)構(gòu)部分內(nèi)部金屬液的流動，氣體排出后可防止欠鑄缺陷。

4 試驗結(jié)果分析

圖6 箱體鑄件底部清理后的縮孔

檢驗試驗結(jié)果時發(fā)現(xiàn)，采用頂注式澆注時，鑄件內(nèi)腔靠下部結(jié)構(gòu)復雜處出現(xiàn)縮孔，縮孔位置連通至底面，圖6所示為經(jīng)清理打磨后的底面縮孔。縮孔的出現(xiàn)說明此處補縮效果不足，分析原因為雖然在鑄件上設置冒口，但冒口的位置在頂部大平面，冒口的有效補縮距離不足；并且此處是壁厚相差較大部分的拐角處，冷鐵的激冷效果有限，后冷卻的部分沒有充足的金屬液為其補充，兩方面共同導致了縮孔的產(chǎn)生。

另外，從透視檢驗的結(jié)果觀察可知，鑄件底部的較大安裝平面存在氣孔和夾雜缺陷。分析原因為從頂部澆注鑄件時，金屬液從較高位置直擊型腔底部，不僅有充分的時間與空氣接觸產(chǎn)生表面氧化現(xiàn)象，并且在流動中協(xié)同直澆道的吸氣作用，卷入更多氣體[4]，最終導致鑄造缺陷。

采用底注式澆注系統(tǒng)澆注后檢驗發(fā)現(xiàn)，在鑄件頂部大平面出現(xiàn)了很明顯的欠鑄缺陷，這是底注式澆注的主要缺陷。金屬液體從下部的內(nèi)澆口進入后，雖然液面在型腔內(nèi)部上升平穩(wěn)，有利于雜質(zhì)和氣體的上浮，但金屬液上升速度較慢，鋁液溫度下降較快，并且容易結(jié)皮，對于高大類的鑄件的薄壁部分，特別是選取的薄壁大平面，較難保證充滿，容易造成澆不到和冷隔等缺陷，雖然冒口對于頂部型腔中金屬液有補充作用，但底注式澆注系統(tǒng)本身已很難做到順序凝固。

觀察圖7所示的縫隙式澆注鑄造方案的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，鑄件頂部大平面在方形頂部冒口和密布的出氣孔的共同作用下，成型效果較好，無鑄造缺陷。縫隙口對于鑄件內(nèi)部薄厚不均處的補縮效果也較為明顯；在底部四個安裝臺上方設置的冷鐵為鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復雜處提供了激冷作用，有效減少了縮孔、縮松缺陷的產(chǎn)生幾率。

圖7 箱體鑄件頂部冒口與出氣孔

5 鑄造方案優(yōu)化

檢查鑄件質(zhì)量較好的縫隙式澆注方案的結(jié)果時，在鑄件底部與縫隙澆道口接觸的部分發(fā)現(xiàn)了過熱現(xiàn)象，雖沒有造成縮孔、縮松缺陷，卻是不能忽視的問題之所在。分析此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，縫隙澆道口雖然貫通鑄件上下，但內(nèi)澆口的位置固定在底部，此處流經(jīng)的高溫金屬液較多，引發(fā)局部過熱。

圖8 箱體鑄件澆注系統(tǒng)優(yōu)化

如圖8所示，在后續(xù)的縫隙式澆注鑄造方案試驗中，將圖8a中寬度不變的縫隙澆道口改為圖8b中局部擴大的縫隙口，不僅可以減少金屬液流經(jīng)的時間，并且可以更加有效地利用中間直澆道的金屬液對底部安裝臺進行補縮，防止縮松缺陷的產(chǎn)生。

6 結(jié)束語

試驗驗證了在該型號箱體的三種鑄造方案中，縫隙式澆注系統(tǒng)的鑄造方案效果最佳，不僅可以有效避免頂部大平面的欠鑄缺陷，還可以改善底部安裝平面的氣孔和夾雜，下部壁厚不均、結(jié)構(gòu)復雜處的縮孔、縮松問題也得以解決，為此類壁厚差異較大、鑄件尺寸較大、形狀結(jié)構(gòu)較為復雜的航空航天類鑄件的常壓砂型鑄造技術(shù)提供了經(jīng)驗，達到了工藝技術(shù)創(chuàng)新，提升產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

1 中國機械工程學會鑄造分會. 鑄造手冊第3卷 · 鑄造非鐵合金[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2001

2 李榮德，米國發(fā). 鑄造工藝學[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2003

3 周永江，左強，范學燚，等. ZL205A合金鑄件中偏析的形成機理與預防措施[J]. 特種鑄造及有色合金，2018，38(2)：125～127

4 李慶春. 鑄件形成理論基礎(chǔ)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1980

Research on Molding of Aluminum Alloy Complex Box Part Casting

Xi Yang Dong Fangtao Wang Zhonghua Wang Peng Xiao Wuwu He Ming

(Xi’an Aerospace Precision Mechatronics Institute, Xi’an 710100)

The casting schemes as top gating system, bottom gating system and slot gating system were designed for a certain type of box part with typical complex structure, and were tested by normal pressure sand casting. The results showed that the casting scheme of slot gating system with cold irons and risers could prevent the defects of shrinkage, blowhole and misrun, and improve the quality of castings.

aluminum alloy；gating system；atmospheric sand casting

郗旸（1990），碩士，材料工程專業(yè)；研究方向：鋁合金鑄造工藝設計。

2018-07-24