薄壁铝合金横梁铸造工艺设计及优化

崔立文 杨波

摘要：铝合金横梁应用范围非常广，深入应用在工业工程、建筑建材乃至医疗设备等各行各业方方面面，铝合金横梁铸件的结构复杂，整体较薄。为保证金属液的充型，避免产生浇不足和冷隔等铸造缺陷，运用垂直缝隙式浇注系统，采用磷酸盐无机树脂砂造型;利用华铸CAE软件对设计的工艺进行模拟，并根据缺陷预测对工艺方案进行优化，最终得到了最佳的工艺方案，本文就此展开分析。

关键词：薄壁横梁;造型材料;缝隙式浇道;工艺优化

近年来在科技经济持续发展的促进下，我国工业技术取得了不俗成效，工业中横梁最为常见，它作为一种重要的结构零件，在许多机床、行车等大型机械设备中都可见到其身影，由于横梁在工作时会受到较大的载荷，因此要求其力学性能要高，铸件的质量要能够得到保证。某铝合金横梁要求采用普通的砂型铸造生产，但铸件的壁厚差异较大，最小壁厚仅为5mm，如何在保证金属液充型的同时又确保铸件的质量是设计的最大难点。为解决上述问题，本文设计了一套铸造工艺方案，并利用模拟软件对其进行工艺模拟，根据模拟结果研究了缺陷产生的原因，进一步优化工艺，从而得到一理想的铸造方案。

一、铸件特点

横梁整体为一空壳结构，两端有厚大的支耳，内部有较多交叉纵横的加强筋。横梁材质是ZL114A，最大轮廓尺寸为2505.0mm×565.0mm×299.5mm，最大壁厚49mm，最小壁厚为5mm，主要壁厚5～7mm，较薄。技术要求中指出：质量不少于74kg，铸件外表面无冷隔、裂纹和缩松等缺陷，内部需X光检验，不能有裂纹、气孔和偏析等缺陷。横梁的设计难点在于：①整体较薄，铝液充型阻力大，易产生冷隔和浇不足;②壁厚差异过大，易导致凝固时间差异大，从而产生裂纹、缩松等缺陷;③为保证薄壁部位完整，需提高充型速率，但可能会造成充型紊乱，产生气孔和夹渣。

二、铸造工艺设计

该横梁铸件壁薄且结构复杂，在选取铸造收缩率时，应视其为受阻收缩;技术要求中规定质量公差的下偏差为0，因此在设置起模斜度时，最好选取增加铸件壁厚的形式;而针对工艺设计中存在的难点，本文着重从造型材料选择和浇注系统设计方面来解决。

（一）造型材料的选择

由于铸件壁厚较薄，金属液易受到型腔中气体的阻隔而生产冷隔等缺陷，为保证金属液能顺利地充填型腔，造型材料的发气量必须要小。造型材料一般可划分为无机粘结剂砂和有机粘结剂砂两大类，其中，无机粘结剂砂因成本低廉且不含有害物质、符合现今的绿色环保理念而被广泛使用。在无机粘结剂中，磷酸盐粘结剂以其较高的强度、好的溃散性和旧砂再生回用性好等特点，得到了越来越多的重视。荆金龙等发明了一种铝合金铸造用新型改性磷酸盐无机粘结剂，该粘结剂的强度高、粘结性能优良、溃散性好，并且发气量低，因此本文选用该粘结剂作为造型材料的粘结剂，造型制芯均用磷酸盐无机树脂砂。

（二）浇注及分型面

横梁的支耳是厚壁部位，为了更好地实现顺序凝固、方便补缩，厚壁支耳必须位于顶部;为保证铸件的尺寸精度，最终将分型面选在了横梁的顶面，并随铸件外形开设。

（三）砂芯设计

横梁内腔结构复杂，需使用砂芯成型。为保证内腔品质、节约工装设备，共设计了3种砂芯。其中，1#砂芯共7个，用于形成铸件的7个大内腔;2#砂芯为镜像对称的两个砂芯，用于形成两端被筋板隔断的两个小内腔以及支耳上的方孔，为增加砂芯的强度，加大了2#砂芯芯头的尺寸;3#砂芯用于成型侧壁加强筋的圆孔。

（四）浇注系统的设计

ZL114A的力学性能高、铸造性能好，其中，流动性好这一特点有利于保证充填5mm的壁厚，但铝液化学性质活泼，因此浇注系统要能保证铝液充型平稳，避免出现冲击和飞溅，从而减少铝液氧化;横梁壁薄，为获得完整铸件，金属液充型时间要短。针对这些要求，设计了垂直缝隙式浇注系统，直浇道和横浇道、分配浇道和集渣筒分别采用准45mm和准65mm的陶瓷管成型，经计算，共设计了8个16mm厚的缝隙浇道，分别从对应于内部环形加强筋的位置引入。

三、数值模拟

利用华铸CAE软件对工艺方案进行模拟，模拟时划分的网格数约为318.6万个;浇注温度设置为730℃，浇注速度为100cm/s。

（一）工艺模拟及分析

通过数值模拟，得到垂直缝隙式浇注系统的铝液进入型腔的时间为2.91s，充型时间为23.06s，符合所分析的快速充型要求;铝液充型过程液面平稳上升，未发现卷气、喷射等现象，证明该浇注系统同样符合充型平稳要求。

模拟得到的缺陷表现，两端支耳产生了大量的缩孔、缩松，中间壳体上表面以及底部厚壁部位同样也产生了较多的缩松，这是由于支耳是最厚的部位，凝固较慢，但其周围薄壁结构凝固快，支耳会向这些部位提供补缩金属液而自身却得不到补缩，因此产生了大量的缺陷;中间壳体上表面以及底部也因较厚而凝固得慢，进而出现较多缩松。为保证铸件质量，需对方案进行优化。

（二）工艺优化

为消除横梁铸件中出现的缺陷，本文通过在两端支耳各设计3个明冒口、在中间壳体上表面设计6个小明冒口来进行补缩;底部厚壁处虽不便安放冒口对其进行补缩，但垂直缝隙式浇注系统配合使用冷铁，可发挥补缩的作用，实现顺序凝固，因此在底部和浇道一端的侧壁厚大部位设计了石墨冷铁;由于支耳较厚，为更好地发挥冒口的补缩效果，在支耳底部也增设了石墨冷铁。为验证优化方案是否能消除缺陷，对其进行了二次模拟。原方案中出现缩孔、缩松的部位已无缩孔和缩松，并且在铸件的其余部位未发现缺陷，证明优化方案是合理的。

四、结语

（1）为减小金属液充型阻力，造型材料采用发气量低的磷酸盐无机树脂砂。

（2）设计了垂直缝隙式浇注系统来保证金属液充型，避免薄壁部位出现浇不足和冷隔等缺陷。

（3）利用華铸CAE對工艺方案进行了数值模拟，证明了方案能保证充型平稳，预测到铸件的缺陷。根据模拟结果进行了工艺优化，通过冒口和冷铁的设计，成功地消除了铸造缺陷。

参考文献：

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