鋁合金橫梁樹脂砂鑄造工藝設(shè)計(jì)及模擬優(yōu)化

陳映東，丁 旭，沈 剛

（1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.中國(guó)航發(fā)貴州紅林航空動(dòng)力控制科技有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550009）

鋁合金有著質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)的重要合金材料，在各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。同時(shí)鋁合金本身化學(xué)性質(zhì)活潑，易氧化吸氣，產(chǎn)生夾雜物；體收縮率和線收縮率大，易產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷；吸氣傾向大，易產(chǎn)生氣孔[1]，所以對(duì)于中大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件，鑄造工藝的合理設(shè)計(jì)是保證鑄件質(zhì)量的重要條件。本文針對(duì)某設(shè)備上的鋁合金橫梁件進(jìn)行鑄造工藝方案分析及優(yōu)化，確定其最佳砂型鑄造工藝方案。

1 鑄件結(jié)構(gòu)

該零件的外形輪廓尺寸為2 480 mm×540 mm×278 mm，零件整體結(jié)構(gòu)相對(duì)對(duì)稱，內(nèi)部為空腔和多條保證剛度的縱橫筋板結(jié)構(gòu)，橫梁的受力工況為大平面的底部受拉應(yīng)力，而小平面的頂部受壓應(yīng)力；該件形狀比較復(fù)雜，而且細(xì)節(jié)特征比較多。底板壁厚40 mm，余下最薄壁厚為6mm，壁厚差異較大，但多為薄壁結(jié)構(gòu)，屬于中型薄壁復(fù)雜件，鑄件的加工面為小平面的突出細(xì)長(zhǎng)面、前側(cè)面以及鑄件兩端的支座面，三維造型如圖1 所示。

圖1 橫梁的三維造型

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

2.1 鑄造工藝選擇

鑄件材質(zhì)為ZL114A，單件小批生產(chǎn)，鑄件內(nèi)部有多條保證剛度的縱橫筋板；表面上不允許有冷隔、裂紋、欠鑄、穿透性縮松等缺陷，表面磨平后噴砂處理，需要保證外觀質(zhì)量，內(nèi)部需打磨清理。為滿足鑄件要求，本工藝方案選擇優(yōu)先保證鑄件質(zhì)量要求，并在此基礎(chǔ)上充分考慮工藝簡(jiǎn)單和成本優(yōu)勢(shì)，綜合分析鑄件結(jié)構(gòu)及工藝性，確定采用強(qiáng)度及精度高的樹脂砂冷芯盒精密組芯造型的方法進(jìn)行造型，采用木模造型，造型無需專門金屬砂箱。

2.2 澆注位置及分型面的選擇

通過對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)的分析，按照澆注位置的選擇原則[2]，可選擇如下兩種澆注位置方案。

方案一如圖2a）所示，其優(yōu)點(diǎn)是下表面的鑄造質(zhì)量容易保證，但是缺點(diǎn)明顯：1）鑄件厚大的底面朝上，氣孔、夾渣上浮，非加工面精度不容易得到保證；2）大平底面除了兩端的固定板外都屬于非加工面，冒口位置不好設(shè)置，切除后會(huì)影響鑄件外觀；3）圓形孔直徑較小，此種澆注位置砂芯不好固定。

方案二如圖2b）所示，此方案優(yōu)點(diǎn)為：1）下表面的非加工面鑄造質(zhì)量容易得到保證；2）上表面最高突起的細(xì)長(zhǎng)面屬于加工平面，可在此次設(shè)置冒口，且去除后不影響鑄件外觀和質(zhì)量；3）底部的方形孔較大，砂芯容易固定?？紤]到橫梁的受力工況為大平面的底部受拉應(yīng)力，為重要受力面，此種澆注位置有利于保證重要受力面的鑄造質(zhì)量。

圖2 澆注位置

綜合上述分析，采用圖2b）的澆注位置。確定澆注位置后，按照分型面選取原則，分型面選擇于鑄件的最大截面處，便于起模。分型面選擇如圖3 所示。

圖3 方案二分型面選取

2.3 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于鋁合金材質(zhì)的特點(diǎn)，鑄件對(duì)澆注系統(tǒng)的要求是保證充型過程平穩(wěn)，不發(fā)生渦流、飛濺和沖擊現(xiàn)象，最好以近乎層流的方式充型；盡可能縮短充型時(shí)間，并且有利于補(bǔ)縮[2]。澆注系統(tǒng)方案采用開放式澆注系統(tǒng)，澆口橫截面之和的比為S內(nèi)澆道∶S橫澆道∶S直澆道=3∶2∶1，根據(jù)澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，內(nèi)澆道可以選擇圖4a）和4b）兩種澆注方案。如圖4a），將橫澆道設(shè)置在橫梁的側(cè)邊，直澆道可設(shè)置一到兩個(gè)，保證兩邊充填的均勻和金屬液快速平穩(wěn)地充滿型腔，澆注系統(tǒng)處于加工面，去除后不影響鑄件的外觀。此方案缺點(diǎn)一是內(nèi)澆道與鑄件之間由于冷卻速率的不同步會(huì)產(chǎn)生使鑄件側(cè)彎的鑄造熱應(yīng)力，不能保證鑄件的直線度；二是此處壁厚較薄，金屬液會(huì)直接沖刷到砂芯；三是橫澆道較長(zhǎng)、金屬液易氧化吸氣。

綜合上述分析，圖4b）采用方案二：兩端面同時(shí)澆注，本方案中內(nèi)澆道和橫澆道短，且兩端同時(shí)澆注充型迅速，金屬液氧化吸氣較少。內(nèi)澆道與鑄件之間的鑄造熱應(yīng)力不會(huì)影響道鑄件的質(zhì)量，且內(nèi)澆道切割痕跡處于加工面上，切除后不會(huì)影響鑄件外觀。澆注系統(tǒng)各組元尺寸應(yīng)用阻流截面設(shè)計(jì)法計(jì)算而得[3]。同時(shí)在澆注系統(tǒng)下端放置過濾網(wǎng)，減少非金屬夾雜物。

圖4 澆注系統(tǒng)選擇

2.4 鑄件的模擬優(yōu)化

鑄件采用UG NX 進(jìn)行三維造型，結(jié)合Anycasting 軟件模擬鑄造過程。從圖5 澆注情況模擬可以看到方案二澆注系統(tǒng)充型順序理想，用近乎層流的方式充滿整個(gè)型腔，但是內(nèi)部筋板和外壁的交匯處有熱節(jié)，熱節(jié)處其冷卻速率較周圍慢，得不到周圍鋁合金液的補(bǔ)縮，故缺陷會(huì)很大概率在此處產(chǎn)生，因此需在此添加方形鐵以加快此處冷卻速率，使其與周圍冷卻速率保持相對(duì)的同步。

圖5 初始澆注情況

在靠近鑄件下部筋板與外壁連接的位置添加冷鐵，在鑄件頂部位置設(shè)置便于制作的圓形冒口對(duì)鑄件進(jìn)行優(yōu)化，如圖6、圖7 所示：

圖6 補(bǔ)縮系統(tǒng)示意圖

圖7 冷鐵位置示意圖

優(yōu)化后結(jié)果如圖8 所示，可以看到設(shè)置相應(yīng)的冷鐵后，之前會(huì)產(chǎn)生熱節(jié)的部分冷卻速率加快，使其與周圍冷卻速率保持一致，產(chǎn)生缺陷的概率也就大為降低，在鑄件頂部的最高處設(shè)置冒口后，由于冒口的補(bǔ)縮作用，頂部產(chǎn)生熱節(jié)的部分也得到了很大的改善，綜合上述方法使得鑄件的鑄造質(zhì)量有了很大改善。

2.5 砂型（芯）設(shè)計(jì)

分析橫梁鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，橫梁內(nèi)部共有九個(gè)空腔，其中七個(gè)空腔結(jié)構(gòu)相同，另外處于兩端的空腔結(jié)構(gòu)也相同。若設(shè)計(jì)型芯過長(zhǎng)，雖然型芯定位精度較高，但是筋板的抽芯會(huì)變得困難?？紤]到搬運(yùn)和制作取模的方便，現(xiàn)在設(shè)計(jì)將中間五個(gè)較大空腔設(shè)計(jì)成相同型芯結(jié)構(gòu)標(biāo)為1#型芯；由于兩端的型芯定位不方便，于是將其與相鄰的較大型芯整體成型標(biāo)為2#型芯；兩類型芯都利用其底部的方形孔作為填砂孔，最后再將其組合起來。1#、2#型芯制作如圖9 所示。

圖8 優(yōu)化后概率缺陷圖

圖9 組合型芯制作

將型腔和型芯按順序組合起來，同時(shí)為了增加型芯的強(qiáng)度，還需在拼接的型芯上涂上粘接劑。最后的合箱如圖10 所示。

圖10 合箱示意圖

3 結(jié)論

1）針對(duì)鑄件整體結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)、壁厚較薄的特點(diǎn)，設(shè)置合理的澆注系統(tǒng)時(shí)既要考慮鑄件鑄造充填性，同時(shí)還需考慮澆注系統(tǒng)的設(shè)置會(huì)不會(huì)對(duì)鑄件外形及精度產(chǎn)生影響。把澆注系統(tǒng)設(shè)置在鑄件兩端，產(chǎn)生的鑄造熱應(yīng)力不會(huì)影響鑄件直線精度；同時(shí)把要加工的小端細(xì)長(zhǎng)面朝上，受力要求高的大平面朝下的澆注位置，保證了大平面組織性能，且不影響鑄件外觀。

2）根據(jù)鑄件型腔的特點(diǎn)，型芯的設(shè)計(jì)兼顧制芯方便和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定兩個(gè)特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合鑄件的單件小批量生產(chǎn)，采用型芯的結(jié)構(gòu)組合方式進(jìn)行定位，無需砂箱。

3）采用鑄造CAE 軟件對(duì)工藝進(jìn)行模擬分析，對(duì)鑄件的充型過程、凝固過程以及缺陷概率進(jìn)行分析。通過軟件模擬，確定方案的合理型，降低生產(chǎn)制造成本，為企業(yè)的生產(chǎn)提供相應(yīng)技術(shù)參考。