铝合金薄壁底座铸造工艺改进

呼应海

摘 要：通过分析底座铸件壁厚不匀、易出现冷隔、铸造皮缝大清理易产生裂纹、表面夹渣气孔等缺陷的产生原因，对浇注工艺进行了优化，并将木模改进为金属模。结果表明，通过改善浇口类型、增加工艺拉筋、增设玻璃纤维过滤网和排气冒口，应用通过三维造型和CNC机床设计加工的金属模等措施，有效解决了薄壁底座的各种铸造缺陷，将毛坯合格率从60%提高到了95%以上。

关键词：金属模 渣气孔 缝隙浇道 三维造型

中图分类号：TG146.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）05（b）-0033-02

底座是笔者所在公司雷达产品中重要的结构部件，装配在操控机柜中，具有优良的整体性能和轻质化特点。该铸件铸造材料为ZL101A，最大外形尺寸600 mm×548 mm×201 mm，整体壁厚只有5 mm，重量5.6 kg，为中型薄壁类铝铸件。铸件毛坯要求壁厚均匀，毛坯面无冷隔、孔洞、裂纹等铸造缺陷，加工后必须保证四周安装凸台高出毛坯面，整体结构不能有变形。

1 铸造工艺及存在问题

底座原铸造工艺见图1，两对侧同时浇注，浇注系统由横浇道、内浇道和排气孔组成。采用红砂手工造型制芯，型腔表干，重力浇注成型。熔炼设备为电阻式坩埚炉，吹氩精炼除气，钠盐变质，出炉温度控制在720 ℃～730 ℃。模具全部采用红松制作，外模使用框架结构，3个芯盒为底板加挡板、螺杆锁紧机构。

铸件和模具存在问题如下。

（1）铸件浇注时排气、排渣性能不好，抛丸后毛坯表面易形成大量的渣气孔，偶尔以单个大气孔出现，孔洞直径有时大于10 mm[1]。

（2）铸件浇注后透孔的皮缝很大，手工清理容易产生变形，热处理校正过程中产生裂纹报废。划线加工后凸台高度和加工壁厚不能有效保证，产生加工报废。

（3）木模精度不高，使用寿命很短，往往在新模具制作完成后就开始产生变形，以致拼芯精度不高，铸件壁厚差异大，最薄的地方仅为3 mm左右，易形成浇注不足，冷隔等铸造缺陷。

以上缺陷问题造成底座的成品率只有60%左右，严重制约了公司的零件齐套和整机装配进度。

2 铸造工艺问题分析

2.1 浇注系统

原浇注系统虽采用两侧同时浇注，提高了浇注速度，但铸件“翅膀”处高度较高，顶注式易产生熔液飞溅，造成紊流，形成二次氧化夹渣和卷气，使得铸件表面产生气孔和渣孔。

2.2 排气系统

由于铸件上表面全部为不加工表面，原浇注工艺只是在表面上扎出排气孔，排气效果较差，铸件中部两股液流的交汇处由于排气不畅而造成憋气现象。

2.3 模具问题

该铸件为拼芯造型，型芯直接形成壁厚和大量透孔。红松材质的木模随着环境温度、空气湿度的变化产生干缩和湿涨，外模和芯盒产生变形，变形超过1 mm就会对拼芯后的壁厚和皮缝产生影响，导致铸件产生清理变形和壁厚不均等质量问题。

2.4 工艺方案

铸件整体为易变形结构，在铸造工艺方案设计时，未考虑增加防变形措施，铸件浇注后易产生收缩变形。

3 铸造工艺改进过程

为消除底座的壁厚不匀、变形和表面质量问题，试验采取以下4个措施进行改进。

3.1 改善浇注系统

（1）将原“翅膀”底部的两处内浇口更改为两处缝隙浇口（见图2），缝隙宽度为10 mm（1.0倍壁厚），缝隙浇口长度为160 mm，并在浇道底部设置缓冲槽，以减少铝液顶注时产生的飞溅，降低二次氧化夹渣的产生和卷气。

（2）在横浇道和内浇口、缝隙浇道的连接处设置玻璃纤维过滤网（规格1.6 mm×1.6 mm），起过滤夹渣、防止卷气的作用[2]。

3.2 改进排气系统

在保留原工艺上箱扎排气孔的同时，在铸件中部的透孔位置将壁厚连通，增加冒口一处（图2），增强浇注系统的排气功能，消除铸件的皮下气孔。冒口在清理时手工去除。

3.3 增加工艺拉筋

根据铸件的整体结构，在“翅膀”顶端设置一处防变形工艺拉筋（图2），宽度25 mm，厚度10 mm，可显著增强底座的结构性，改善铸件的收缩变形。

3.4 改进模具为金属模

（1）模具材料和结构的选择：模具材料选用较为常见的2A12（CZ态）硬铝合金，以保持模具零件的易加工性和经济实用性。外模整体结构为6面整体拼接结构，上下底板中间用7处支撑柱连接，前后左右侧板侧面用沉头螺钉两两固定，以保证模具整体的结构性（图3）。芯盒结构基本与原木模保持一致。

（2）为消除铸件四周的皮缝，结构设计时，将A、B两面的拔模斜度去除，外模出模时，造型工可向A、B面相反的方向活动，不仅可保证顺利拔出模具，也能消除这两面和1#芯拼对产生的皮缝。铸件其他两个方向的皮缝可由1#芯和2#、3#拼对后消除。

（3）为保证外模和芯盒配件的强度，避免配件变形造成的砂型砂芯尺寸变化，部件整体厚度全部保证在25～30 mm，并根据减重需要在不使用一侧设计出减重槽。加工装配完成的外模总重量为45.6 kg，只比原木模重量增加约75%，完全符合造型需求。

（4）金屬模配件加工工艺：为提高金属模设计和加工精度，模具全部用三维造型软件造型，并模拟装配验证合格后释放加工，全部配件要求在CNC数控机床上直接用三维造型图进行编程加工，所有螺钉定位孔由机床一次加工完成。模具型腔等使用面加工粗糙度要求在Ra3.2以上。加工过程分为粗加工和精加工，粗加工后必须进行去应力热处理。热处理使用箱式时效处理炉进行，热处理温度200 ℃±5 ℃，保温时间4 h，后随炉冷却。后经过验证，模具配件加工完成后变形量均未超过0.1 mm。

4 工艺改进效果

（1）通过对金属模零配件的装配，外模和芯盒拼接后未发现明显的错位和变形，金属模配合良好（图4），造型工翻出的型腔、砂芯形状和尺寸精度满足精度需求，铸件壁厚差异不大于0.8mm，透孔无明显皮缝和毛刺。经超过三个批次的生产验证发现，底座金属模结构稳定，无明显翘曲和变形，翻出的底座铸件毛坯尺寸稳定。

（2）工艺改进后，底座毛坯变形量明显变小，降低了校正的工作量，防止了铸件开裂现象。铸件表面质量有所提高，抛丸后毛坯上表面极少出现气孔和夹渣现象，铸件毛坯合格率达到了95%以上（图5）。

5 结论

（1）采用完善的顶注式浇注系统，增加缝隙浇道的缓冲，以及玻璃纤维过滤网的使用，可有效降低熔液产生的飞溅，防止二次氧化和气孔的形成。排气孔和排气冒口结合使用，可使型腔迅速排气，降低皮下气孔的发生几率。

（2）根据铸件结构，适当的工艺筋可有效防止薄壁铸件的收缩变形，提高铸件尺寸精度，防止清理变形开裂。

（3）使用金属模外模和芯盒，拼芯造型时可有效消除透孔皮缝，减少清理工作量。中型薄壁铸件外模使用拼接式结构，能有效保持模具尺寸稳定，提高模具使用寿命。

（4）使用三维造型和CNC数控机床相结合的方式加工，可保证金属模加工和装配精度。金属模配件壁厚要求30 mm以上，工作面粗糙度Ra3.2以上，粗加工后必须进行去应力热处理，以保证模具配件加工完成以后不变形。

参考文献

[1] 史鉴开，史小雨.渣气孔的实际观察[J].现代铸铁，2003 （3）：45-46.

[2] 陈国祯，肖柯则，姜不屈.铸件缺陷和对策手册[M].北京：机械工业出版社，1996.