某异形框架铸件的凝固过程控制及其成型工艺研究

何绍付，谢 懿，林 翰，张智铖，李翔光，杨明军

砂型铸造具有成本低、生产周期短、适用范围广等优点，被广泛应用于汽车、航空航天、船舶等重要领域。随着科技的快速发展，各领域对铸件的成型质量要求越来越高，传统的试错法+重力浇注工艺所生产的铝合金铸件难以保证铸件的成型质量，从而导致企业生产成本较高，且铸件合格率和生产效率较低。近年来，国内砂型铸造逐渐开始大面积采用模拟仿真+低/差压浇注的工艺方法来提高铝合金铸件成型质量。浇注模拟仿真技术能够提前预测铸件可能产生的缺陷和模拟铸件凝固过程，以便技术人员及时做出工艺调整，在很大程度上确保了铸件浇注前的工艺设计合理性。相比于传统的重力浇注，低/差压浇注制得的铸件组织致密度更高，铸件针孔、缩孔、疏松等质量缺陷较少。因此，采用模拟仿真+低/差压浇注的工艺方法在很大程度上降低了铸件报废率，提高了铸件成型质量，对企业降本增效起到了关键性作用。

虽然模拟仿真+低/差压浇注的工艺方法确实对砂型铸造起到了很大改善作用，但是传统手工造型质量极其不稳定，导致砂型尺寸精度及砂型质量或多或少存在不足，甚至在生产某些结构较为复杂铸件时，可能存在无法造型等困难。随着3DP砂型打印技术的快速发展，此类问题得到了有效解决。

在成型箱尺寸允许条件下，3DP砂型打印技术基本可以实现任意形状的砂型打印，其成型原理大致是通过采用多通道喷头将树脂喷射到平整的砂层上，然后通过树脂与固化剂发生胶联反应，从而使固化层堆积成砂型。本文使用的3DP砂型打印设备可实现的最大砂型尺寸为2000mm×1000mm×1000mm，打印所用时间约14h。

铸件尺寸偏差是铸件报废率较高的关键因素之一，特别是在砂型铸造行业，铸件成型尺寸往往难以把控，而传统的划线技术方法存在人为误差，且某些结构复杂部位难以实现人工划线，导致铸件的尺寸测量不够精准，对铸件工艺的调整造成了很大困扰。三维扫描设备（SCANTECH）的应用在很大程度有效解决了该问题，三维扫描设备（SCANTECH）的结构由扫描仪+主机构成，通过在铸件表面及型腔部位粘贴高反光标记点，然后由扫描仪发出激光识别铸件，以此构建铸件三维模型。本文使用的三维扫描设备测量精度可达到0.01mm，扫描过程只需一人即可完成，设备的装卸和使用十分简便，扫描效率较高。

先进铸造设备的应用确实使铸件的成型质量得到了提升，但在生产某些结构复杂铸件时仍会产生疏松、缩孔等铸造缺陷，分析其主要原因是铸件的浇注系统设计不合理和铸件凝固过程控制不当所引起。由于异形结构铸件的结构一般较为复杂，铸件外形不规则，铸件壁厚不均匀，导致在设计铸件浇注系统时存在浇道设计困难，且铸件在充型过程中金属液的充型质量不够平稳。此外，因异形结构铸件的各部位厚度大多不一致，导致设计的冷铁在铸件凝固过程中难以建立凝固温度梯度，使铸件的凝固顺序较为混乱。因此，本文以材料为ZL114A的框架铸件为研究对象，结合NovaFlow&Solid仿真软件、3DP砂型打印设备、三维扫描设备及低压浇注设备，重点探究铸件浇注系统和冷铁设计工艺对异形结构铸件成型质量的影响，为类似结构铸件的生产和工艺优化提供一定的参考意见。

1 工艺设计分析

1.1 铸件结构特点

本文研究的对象为结构较为复杂的框架铸件，其中框架铸件外形类似于梯形框架结构，并且在各面上均分布着大量通孔，通孔尺寸有40mm×40mm、95mm×105mm、150mm×98mm及277mm×109mm四种形状，通孔之间最小间距为20mm，最大间距为85mm；在铸件型腔中存在四根形状一致的连接筋，连接筋的厚度为30mm，形状类似于“L”结构，连接筋用于连接铸件斜面和底面；在铸件斜面上分布着尺寸为90mm×90mm×40mm的9个三角形凸台，9个凸台可分为三组，一组凸台中有三个形状大小均一致的凸台，三个凸台分别位于铸件斜面上中下三个位置，其中两组凸台的侧面分别与铸件两端框面在同一水平面上，另一组凸台位于铸件斜面中部位置；此外，在框架铸件的背面还存在直径为φ180mm的圆形凸台，圆形凸台的高度为25mm，并且凸台中心为通孔结构，其通孔直径为φ95mm；框架铸件的最薄处尺寸为4mm，最厚部位尺寸为270mm，框架铸件的外形尺寸约为1035mm×555mm×360mm。

1.2 铸件成型难点分析

通过对框架铸件结构特点进行分析，认为铸件在浇注成型过程中铸件各个面上的通孔存在成型困难，即可能存在欠铸、缩孔、疏松等铸造缺陷。另外，铸件型腔内部的加强筋在充型过程中作为金属液流通的主要通道之一，因此加强筋的冷铁厚度很难把控。加强筋冷铁厚度设计太厚，虽然可以保证加强筋的成型质量，但是容易导致铸件其它部位欠铸。

铸件变形不易控制。由于铸件的壁厚不够均匀，且多数凸台及加强筋是无规律分布在铸件各部位，因此在凝固收缩过程中各方向的收缩比例不一致，使得成型铸件的尺寸与图纸尺寸要求相差较大，不符合铸件尺寸公差要求。此外，铸件在凝固收缩过程中，可能导致某些部位的应力集中较大，但由于铸件凸台及加强筋的作用，使得应力并未引起毛坯铸件产生裂纹缺陷，但经热处理后，铸件应力的释放可能会导致铸件发生二次变形和产生裂纹。

铸件分型困难。虽然3DP砂型打印技术可以解决传统手工造型存在的造型困难问题，但是对于结构较为复杂的异形结构铸件，其铸件的分型面选择也至关重要。分型面不宜过多，分型面的位置尽量避开铸件精度要求较高，且分型面要尽量考虑铸件砂型的装配简单、冷铁的粘贴方便、涂料涂刷易操作等关键因素。

1.3 铸件成型难点控制方法

针对铸件可能存在的欠铸问题，本文在对铸件进行三维模型设计时，对厚度低于或等于5mm的部位进行工艺增厚，其增厚量为5～6mm，后续通过机加去除余量，而对于不能使用机加去除余量的部位，在设计工艺时采用冷铁和冒口确保该部位的成型质量；对铸件直径小于10mm的通孔进行填补，对高度差小于3mm的面进行填补，保证多个面处于同一水平面。在加强筋相交处及厚大部位设置冒口，加强该部位的补缩效果。在网状通孔的底面放置冷铁，以此确保该区域的成型效果，其中冷铁厚度的设计为通孔厚度的0.8倍。此外在浇注时适当提高浇注温度，以此提高金属液在型腔中的流动性，确保铸件充型质量。

针对铸件可能存在的变形问题，本文在设置铸件缩放比例时参考了同类型结构铸件的缩放比例，并且在铸件浇注成型后使用三维扫描设备（SCANTECH）对成品铸件进行扫描，然后将扫描模型与铸件三维模型进行比对，以此确定铸件尺寸超差情况，及时对超差部位做出工艺调整。对于热处理可能引起铸件变形的问题，本文浇注成型铸件在切割时只切除铸件冒口和部分横浇道，内浇道需热处理结束后才进行切除，并且在容易产生热节的部位放置冷铁，避免该部位因应力集中而出现裂纹。

针对铸件存在的分型困难问题，本文在对框架铸件进行分型时，采用了“Z型”分型面拆分砂芯，并且砂型与底板采用滑槽对接，砂芯在装配过程中通过左右滑动完成装配，并且砂型之间采用两个及两个以上定位装置，以此确保砂芯的装配精度。

2 浇注系统设计及铸件成型

2.1 试制方案

由于框架件的结构比较复杂，导致铸件的凝固过程和收缩率不易控制。经分析后，认为先进行工艺探索试验，其试制方案中铸件的浇注系统采用的是缝隙式浇道+侧注式浇道组合，其中缝隙浇道位于铸件的两个端框面上，侧注浇道位于铸件斜面凸台的外端面。缝隙浇道采用直径为φ60mm的立筒，侧注式浇道的横截面与凸台外端面面积一致。铸件的缩放比例按YC（高度）方向放大1.2%、XC和ZC（径向）方向放大1.5%，而冷铁的厚度是根据铸件部位壁厚值按0.4～1.2比例设计，但在设计过程中往往会根据实际情况做出一定的调整。试制方案中凸台冷铁的整体布局采用的是全包冷铁结构。此外，在两个冒口的中间部位放置了末端冷铁，以此增加末端部位的激冷效果。

在设计砂型过程中，采用了两种及两种以上不同形状的定位装置来确保砂型的配合精度，并且在砂芯与砂芯、砂芯与底板、砂芯与外模的接触面下端设计了3mm深的集砂槽，避免因装配摩擦而引起落砂进入铸件型腔中。砂型定位装置的形状有圆形凸台、梯形凸台及半球形凸台，并且凸台的拔模斜度在8°～10°之间，凸台与凹槽之间预留一定间隙，其间隙的宽度在0.5mm～1mm之间，确保铸型在装配时能够顺利完成。铸件的砂型制备是采用3DP砂型打印设备完成，在使用3DP砂型打印设备制备砂型时，砂型排版间隙设置在5mm～10mm之间，不仅避免了成型砂型之间发生挤压或碰撞等问题，砂型的清理和吊装也更加便利。另外，在3DP砂型打印前，对砂型进行了检查，确保吊装孔的位置满足吊装要求，凸台及易损部位的清理和吊装满足要求。

砂型打印结束后，对砂型进行了烘烤，以此确保砂型强度。打印砂型在使用前检查了砂型外观质量，查看砂型无打印缺陷，对凸出部位进行了打磨，缺失部位采用树脂砂或湿砂进行了填补。砂型与金属液的接触面涂刷了涂料，以此确保铸件成型质量。

铸件浇注前进行了模拟仿真实验，其仿真结果显示铸件满足浇注要求。框架铸件的浇注是采用低压浇注完成，其中关键参数为：升液压力25Kpa、充型压力为60Kpa、浇注温度为715±5℃、结晶时间为160s，铸件浇注完成后1.5h进行开箱。在开箱过程中，因异形结构件的外形不规则，开箱工具难以将附着在铸件表面的砂清理干净，因此，砂芯在设计过程中设计了开箱通孔，在修型结束后开箱通孔用干砂进行填充，开箱时干砂通过振动自然脱离铸件型腔，从而提高了铸件开箱速度和降低了开箱难度。

浇注成型铸件冷却结束后，利用切割设备将位于铸件上端面的冒口进行切除，对铸件存在的飞边毛刺进行了打磨，然后采用三维扫描设备（SCANTECH）对成品铸件进行三维扫描，将扫描结果与铸件三维模型进行比对，其比对结果显示试制铸件与铸件模型基本吻合，且绝大部分尺寸偏差在-0.5mm～0.5mm之间，符合铸件HB6103-2004 CT10 的公差要求，故可以判定，铸件的缩放比例满足铸件成型要求。

虽然试制铸件的尺寸满足了技术要求，但在对铸件进行三维扫描时，发现位于铸件底端面的凸台存在缩孔缺陷，并且缩孔区域的面积约150mm2。从缩孔产出的部位来看，凸台缩孔缺陷所在位置主要集中在铸件凸台根部，且该凸台与铸件内浇道连接。经初步分析后，认为引起凸台缩孔缺陷的主要原因有两个方面：一是连接该凸台的内浇道较为狭窄，导致在凝固过程中浇道无法对凸台起到较好的补缩，甚至可能出现凸台反补浇道的情况；二是浇注参数中设定的结晶时间较短，在卸压后该部位仍处于未凝固状态，导致凸台周围的金属液回流浇道，进而使凸台得不到补缩。基于试制铸件存在的以上问题，认为对试制铸件的浇注系统进行优化或更改是十分有必要的。

2.2 成品方案

通过对试制方案的结果分析，在设计新浇注系统时采用了缝隙式浇道+底注式浇道组合方式，其中缝隙浇道仍然位于铸件的两端框面上，底注式浇道位于铸件底部，且与铸件底端面加强筋相连。缝隙浇道仍然采用φ60mm的立筒，底注式浇道的横截面等于铸件底端面加强筋的底面面积。对铸件的冷铁布局进行了更改，其中凸台的底面冷铁厚度按凸台从下往上依次减薄，即δ冷铁下＞δ冷铁中＞δ冷铁上（δ为冷铁厚度）关系进行设计，凸台侧面冷铁按该部位壁厚的0.9倍设计，凸台冷铁的整体布局采用的是半包式冷铁。在铸件顶部凸台的端面上设计了冒口，冒口高度约120mm，并且在距离冒口50mm的区域放置了末端冷铁。

为了确保铸件的成型质量，在铸件浇注前仍进行了模拟仿真实验，并且对易产生缺陷部位进行了凝固仿真分析，其结果显示新浇注系统在充型过程中液面上升较为平稳，并且在观察凸台部位的凝固情况时，发现该部位在充型过程中处于优先凝固部位，说明冷铁的厚度设计符合预期要求。此外，在对铸件凸台进一步分析后，发现该区域的凝固顺序是至下而上，且液相线的收缩并未形成孤立区域，液相线与固相线之间的温差也符合补缩要求。当凝固进行一段时间后，将上中下凸台液相线进行大致连线后，发现液相线与铸件内壁面基本保持平行，并且液相区的宽度符合补缩要求。这种凝固方式在一定程度上可有效增加金属液对底端凸台的补缩效果，顶端凸台端面上的冒口补缩范围也会大大加强。在铸件凝固结束后，观察铸件模拟仿真软件中的Niyama疏松分析结果，发现疏松主要分布在浇道上，而铸件本体上基本无疏松，进一步说明了铸件凝固过程符合要求，铸件成型质量可以得到保障。

在进行试制方案试验过程中，当浇注结束后，利用转移设备将浇注完成的砂型调离浇注区时，发现铸型底端浇注口有金属液滴向下滴落，且液滴的下落量较大。根据浇注现场金属液滴落现象，可以判断保压结束后铸件某些区域并未完全凝固，从而导致砂型型腔中的金属液回流量较多。由于金属液的回流，导致未凝固区得不到足够的金属液补缩，引起铸件产生缩孔、欠铸等缺陷。因此，为了消除凸台形成的缩孔缺陷，对铸件的浇注参数进行了部分调整，即结晶时间延长至260s。

综上分析，新方案主要更改了三处：一是将铸件的浇注系统从缝隙式浇道+侧注式浇道组合更改为缝隙式浇道+底注式浇道组合；二是将凸台冷铁从全包式冷铁更改为半包式冷铁，且凸台底端面的冷铁厚度设计采用从下往上增厚的方式；三是将铸件浇注参数中的保压时间从160s延长至260s。

经过上述工艺调整后，新工艺浇注成型铸件的外形轮廓比较清晰，凸台及铸件各个面上的通孔充型质量较好。在对铸件凸台部位进一步核查后，确定凸台各部位无缩孔缺陷形成。三维扫描比对结果显示，铸件尺寸符合HB6103-2004 CT10公差要求，以上结果说明了新的浇注系统和浇注参数满足了铸件成型要求。

3 结论

在对框架铸件进行工艺设计时，通过对薄壁增加工艺补贴、填补机加孔等措施，可有效提高铸件的充型能力。铸件的浇注系统对铸件的成型质量至关重要，本文框架铸件采用缝隙式浇道+侧注式浇道成型易使铸件局部产生缩孔缺陷，但在采用缝隙式浇道+底注式浇道组合后缺陷可以得到消除，其中冷铁的合理设计和凝固仿真软件的应用对铸件的高质量成型起到了至关重要。本文框架铸件的尺寸约为1035mm×555mm×360mm，外形类似于梯形框架结构，其砂型的缩放比例按高度方向放大1.2%，径向放大1.5%进行设计，成品铸件经三维扫描比对后确定铸件尺寸满足HB6103-2004 CT10公差要求。在浇注过程中，通过观察升液管中金属液的回流情况，将铸件的结晶时间从160s延长至260s，确保了铸件在卸压后处于完全凝固状态，防止了因卸压过早而引起的质量缺陷。