論鋁合金鑄造工藝優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

付英杰

（貴州航天風(fēng)華精密設(shè)備有限公司，貴州 貴陽 550000）

1 鋁合金鑄造研究的現(xiàn)狀

鋁合金鑄造的零件由于其外觀優(yōu)良，質(zhì)量輕，加工性能優(yōu)越，物理化學(xué)性能優(yōu)良，已被廣泛地用于許多工業(yè)部門。但是，由于鋁合金的凝固溫度范圍大，所以在澆注時，很可能會產(chǎn)生縮孔縮松等問題，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的性能下降。本研究采用現(xiàn)代的計算機技術(shù)，經(jīng)過多次實驗，找準(zhǔn)了最優(yōu)的澆注工藝，并利用計算機仿真來解決問題，從而達到改善產(chǎn)品的質(zhì)量和縮短生產(chǎn)時間的目的。

鑄造工藝的優(yōu)點是：不僅可以得到機械部件的外形，還可以改善其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提高其機械性能。通常，對受力大、力學(xué)性能要求較高的機械部件，大多采用鑄造工藝。近年來，鋁及鋁合金鑄件取代了原有的鋼結(jié)構(gòu)件，例如航空結(jié)構(gòu)件，基本都是鋁合金模鑄造，又如汽車輪轂、保險杠、基座梁、坦克的承重輪、列車的汽缸和活塞裙、木工機體、炮臺機座、動環(huán)、不動環(huán)、紡織機座、軌道、絞盤等。因而，它在我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和國防軍事現(xiàn)代化中占有舉足輕重的地位。鋁合金鑄造因其優(yōu)異的性能，在日益廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域中有著廣闊的市場空間和應(yīng)用前景。尤其是在航空發(fā)動機的關(guān)鍵零件及汽車輪轂的制造上有著廣泛的應(yīng)用。

2 鋁合金鑄造工藝性能

2.1 流動性

合金溶液中存在金屬氧化物及其他雜質(zhì)的固體粒子是由成分、溫度、金屬化合物等組成，而外部的基本因子是鑄造溫度和澆注壓力（也就是通常所說的澆注壓頭）。同一類型的金屬，由于其晶體特性的差異，可以通過碳-硫化物分析器進行測定。普通的合金在一定的時間范圍之內(nèi)發(fā)生晶體化，而在晶體過程中，最初的晶體會阻止液體的流通。而共晶合金在一定溫度下不會產(chǎn)生初晶，對液態(tài)金屬的抗性降低。在實際應(yīng)用中，只要有合適的材料，除了強化熔煉技術(shù)，還要改進鑄造過程，同時要在不降低鑄造質(zhì)量的情況下，增加鑄造的熔體溫度，以確保其流動[1]。

2.2 收縮性

當(dāng)一種金屬由液體降溫到常溫時，它的體積和大小就會發(fā)生減小，這就是所謂的“縮水”。在鋁合金澆注過程中，收縮性能是其重要特點。當(dāng)合金在液態(tài)、凝固和固態(tài)時，因溫度下降而產(chǎn)生的收縮收縮。一般都是以其最佳的澆注能力而著稱。目前，鋁合金可以通過各種常見的澆注方式來鑄造，使用金屬?；蜃詣友b配式的壓鑄可以達到大規(guī)模、低耗的生產(chǎn)。從澆灌到固化，在最終硬化處會產(chǎn)生微觀或微觀的縮松，此現(xiàn)象是由收縮造成的，以目視方式觀察到的。結(jié)果表明，鑄件的收縮程度與合金成分、澆注溫度、鑄件結(jié)構(gòu)及鑄件類型有關(guān)。在鑄造鋁合金的結(jié)構(gòu)中，應(yīng)遵循連續(xù)固化的原理[2]。

2.3 氣密性

氣密性是指空腔體鋁合金鑄件在壓力或流體的壓力下保持空腔體鋁合金鑄件的密封性。其密封性是反映鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密與純度的重要標(biāo)準(zhǔn)，因此，控制好氣密性是鑄件制造和應(yīng)用的一個重要環(huán)節(jié)，只要把這個環(huán)節(jié)做好，就可以確保其質(zhì)量。保持空腔體鋁合金鑄件的密封性[3]。

3 鋁合金鑄造相關(guān)工藝

3.1 砂型鑄造

通常，鋼、鐵以及大部分的合金鑄件，都是由砂模鑄造而成，而且由于模具的材質(zhì)便宜、容易得到、使用方便，可以滿足個別的產(chǎn)品和大量的生產(chǎn)。砂型鑄造適用于不同的工藝條件下，用于不同的鑄件。鋁鑄造工藝是一種金屬和模具之間的交互作用。在鑄造過程中，鋁合金液被注入模具，并將其熱、機械、化學(xué)等作用于模具。因此，要得到高質(zhì)量的鑄件，除了要嚴(yán)格控制鑄造技術(shù)，還要對型砂的配比、造型、澆注等進行合理的設(shè)計。對所有的原料及冶煉工具進行認(rèn)真的清洗，包括銹跡、油污、熔渣等，并嚴(yán)格控制中間合金及回爐的品質(zhì)，并加強對工藝的監(jiān)督[4]。

3.2 重力鑄造

重力鑄造是利用地球引力將金屬液體注入到鑄模中，又稱為重力澆注。采用鋁合金重力澆注，其鑄件的厚度會非常大。在生產(chǎn)的時候，如果不小心操作，或者是其他的原因，都會對生產(chǎn)產(chǎn)生不安全的影響，甚至?xí)﹁T件的質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。

3.3 金屬型鑄造

鑄件澆注位置的確定、澆冒系統(tǒng)的設(shè)計以及模具工作溫度的控制與調(diào)整是金屬型鑄造工藝的關(guān)鍵[5]。鑄件的澆注位置與金屬型芯、分型面的數(shù)目、金屬液的導(dǎo)入位置、排氣的通透、金屬型的復(fù)雜度等因素有關(guān)。采用金屬模鑄造的鑄造工藝，其力學(xué)性能優(yōu)于砂鑄造。在相同的條件下，其拉伸強度平均增加了25%左右，屈服強度增加了20%左右，耐蝕性和硬度也得到了明顯的改善。目前，金屬鑄件的質(zhì)量和形狀都受到了一些限制，比如，對于黑色金屬，只能用簡單的鑄件，鑄件的重量也不能過大。

3.4 低壓鑄造

低壓鑄造是將液態(tài)金屬通過加壓填充模腔而制成鑄件的一種工藝。因為使用的壓強比較低，因此稱為低壓鑄造。低壓鑄造工藝包括升液、充型、結(jié)殼（鑄型）、增壓、保壓（結(jié)晶凝固）、排氣（卸壓）[6]。加壓-在一個密閉的坩堝中，通過澆道將金屬液體輸送到模具的流道，然后將液體注入模具。低壓鑄造的澆注工藝參數(shù)可以通過人工調(diào)節(jié)，并根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)及選擇的材質(zhì)來決定。隨著時間的推移，除氣裝置的作用也會隨著溫度的變化而改變，在使用除氣裝置的過程中，還必須要考慮到液態(tài)鋁合金的溫度。

4 鋁合金鑄造生產(chǎn)技術(shù)

4.1 模具的設(shè)計和制作

模具的設(shè)計和制作是鑄造工藝的關(guān)鍵。在低溫鑄造過程中，鑄件的大小幾乎沒有改變。溫度低于700 ℃時，不會產(chǎn)生氧化，也不會產(chǎn)生脫碳。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，鑄造行業(yè)的技術(shù)水平也隨之提高。例如，在鑄造行業(yè)中，柔性控制已基本步入了自動化的發(fā)展。它的制造技術(shù)也在不斷的被廣泛的運用，不僅僅是航空、汽車、家電、電子等行業(yè)，更是各國的支柱產(chǎn)業(yè)。因此，只要變形能處于成形能的范圍之內(nèi)，冷鑄工藝可以獲得較高的尺寸精度和表面質(zhì)量[7]。

4.2 半固體鑄造工藝

半固體鑄造工藝是鑄造生產(chǎn)的核心與基礎(chǔ)，其目標(biāo)是得到一種類似于球狀的半固體晶體，該晶體結(jié)構(gòu)具有觸變性，對半固體鑄造來說是必不可少的。這種工藝具有較低的成型溫度（例如，可使鋁合金降低1200 ℃），從而節(jié)約了能耗。同時，提高了模具的使用壽命。在制備半固體合金時，應(yīng)先將液態(tài)金屬溶液冷卻至約40%的固相，同時冷卻速率對一次相的形成有一定的影響，在一次相結(jié)晶冷卻速率高時，液態(tài)過冷度高，形核速率明顯提高，而長大速率則很小，因此晶粒變得更細。

4.3 粉末鑄造生產(chǎn)技術(shù)

粉末鑄造工藝主要有：閉模鑄造，成形后的坯料具有更簡單的外形，并且其外徑遠小于模具的內(nèi)徑，而且在鑄造過程中會出現(xiàn)飛邊，這是一種與傳統(tǒng)的鑄造工藝相似的工藝。在制造高致密部件時，通常采用無飛邊鑄造和閉模鑄造。在粉末鑄造中，預(yù)成形坯料的設(shè)計與制作是一個重要的環(huán)節(jié)。無飛邊鑄造，此鑄造是在模具內(nèi)進行的，物料沿水平方向流動，鑄件不會出現(xiàn)飛邊。

5 鋁合金鑄造工藝優(yōu)化技術(shù)的實踐應(yīng)用研究

在進行鋁合金澆注時，澆注工藝的選擇是關(guān)鍵，它的好壞將影響到產(chǎn)品的成敗。比如，澆注的溫度會對鑄造過程中的內(nèi)壁形狀有一定的影響，如果澆注的溫度過高，則會增加鑄坯的內(nèi)壁和內(nèi)壁出現(xiàn)偏析、收縮的可能性。如果充模的溫度太低，會使薄壁的品質(zhì)下降，從而產(chǎn)生空隙等問題。以下對鋁合金澆注過程中的關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細的論述。

5.1 正確地選取鋁合金的澆注工藝

在實際生產(chǎn)中，許多鋁合金鑄造產(chǎn)品盡管其組織性能較為簡單，但其許多部分厚度分布不均勻，且由于各熱節(jié)的分布比較密集，所以其對產(chǎn)品的外觀和內(nèi)在品質(zhì)的要求也比較高，所以其制造過程非常困難。在中、大尺寸的薄壁鋁材中，如何選取合適的加工工藝是一個重要問題。

5.2 對鑄造體系進行適當(dāng)?shù)亩ㄎ?/h3>

由于鋁合金鑄造工藝復(fù)雜，需要對鑄造體系的定位進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以防止出現(xiàn)縮松和氣孔等問題。在其凸緣的一頭，應(yīng)該有一個流入內(nèi)部和橫向的澆注，達到迅速進料而不是冷卻的目的，從而保證鑄造過程的連續(xù)性，進而保證了法蘭處力學(xué)性能。

5.3 3D 模擬鑄造

對鋁合金鑄造進行3D 造型，其目標(biāo)在于為工藝參數(shù)和工藝實現(xiàn)過程的管理和控制搭建了一個平臺。在進行工藝仿真時，保溫棉、模具、型心等都是加工組件，具有不同的特性，所以模型時要盡量保證每個零件與實際位置、尺寸一致。特別是對某些不規(guī)則的表面，要盡可能地進行恢復(fù)。另外，在仿真過程中，相互孤立及分散的部件應(yīng)該是不連接的，而在過程仿真中，必須將同一材質(zhì)的零件加工成一個完整的部件。

5.4 決定過程仿真與過程的最佳化

在對鋁合金澆注工藝進行仿真與優(yōu)選時，采用了三種不同的方法對其進行了仿真。在此基礎(chǔ)上，采用CAD 界面進行預(yù)置，主要由模擬計算、孤立熔池計算、澆注系統(tǒng)計算3 部分組成，最后將其整合到模具設(shè)計的最后進行后加工，再由3D 軟件生成。另外，利用CAE 軟件對鑄造過程進行預(yù)加工，根據(jù)這些參數(shù)進行流場和溫度場的計算，然后進行鑄造過程的分析和預(yù)熱，最后再進行鑄造過程的分析和預(yù)加工。如果有，就將其輸出到實際的制造中；如果沒有，就返回到最初的步驟，用差分軟件對過程進行分析，并對所有的參數(shù)進行再計算。在建立模具和仿真的過程中，要根據(jù)模具設(shè)計的需要加入低壓澆注的相關(guān)技術(shù)。

6 鋁合金鑄造工藝優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展分析

以上所述的工藝是基于三維建模和工藝模擬的工藝優(yōu)化技術(shù)，可以在工藝選擇前預(yù)先做出工藝的預(yù)報，并根據(jù)工藝條件的變化來改進工藝，從而達到改善鑄坯的品質(zhì)。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，使用的高技術(shù)手段也日益增多。目前，在鋁合金工藝優(yōu)化中有很大發(fā)展空間的是一種具有極高潛力的計算機輔助制造技術(shù)，該技術(shù)在故障診斷、缺陷分析、工藝編制、仿真等方面具有很好的實用價值。其實質(zhì)是以知識基礎(chǔ)為中心，依據(jù)現(xiàn)實問題的需求，選擇適當(dāng)?shù)目刂茟?zhàn)略，并利用邏輯機制解決問題。

目前，在鑄造行業(yè)中，專家系統(tǒng)的使用越來越普遍。由于現(xiàn)代鑄造技術(shù)需要各種生產(chǎn)工藝的協(xié)同作用，因此，對于鑄造技術(shù)人員的經(jīng)驗、技能和專業(yè)知識水平都有很高的要求，因此，專家體系是一個很好的選擇。許多生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，都可以由專家體系來解決。就當(dāng)前而言，有關(guān)鑄造工藝的專家體系，包括鑄造工藝選擇、鑄造工藝設(shè)計、鑄件缺陷的分析。

當(dāng)前，鑄造過程專家體系的發(fā)展方向是：首先是加強、完善和拓展已有的領(lǐng)域。由于技術(shù)發(fā)展的局限性，目前鑄造技術(shù)的發(fā)展重點是鑄造方法的選擇和缺陷分析，而在生產(chǎn)管理、產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤、成本預(yù)算等領(lǐng)域的推廣。其次，由于高精度、高速度的生產(chǎn)和高效率的需求，會導(dǎo)致大量的高科技生產(chǎn)技術(shù)出現(xiàn)，而隨著鑄造技術(shù)的不斷發(fā)展，鑄造技術(shù)的發(fā)展必將與這種技術(shù)相結(jié)合，從而克服傳統(tǒng)技術(shù)的局限，從而使其在實踐中的應(yīng)用得到極大的提高。最后，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以使專家體系的知識庫自動生成，從而提高設(shè)計的工作效率。開發(fā)應(yīng)用范圍更廣、功能更強大、開發(fā)工具更完善、開發(fā)更完善的鑄件過程技術(shù)人員系統(tǒng)。

在鑄造工藝法選取模組的設(shè)計階段，采用了基于知識基礎(chǔ)的邏輯結(jié)構(gòu)，對所含的知識進行整理、過濾，這是一種積極的推論。也就是說，當(dāng)使用者將流程的資料錄入到系統(tǒng)中，然后由知識庫來判定是否符合規(guī)定，如果不符合，就會重新錄入新的流程，如果沒有，則將其記錄下來，然后將其輸出。在鑄造過程中，需要輸入尺寸精度、表面粗糙度、壁厚、鑄造圓角、形狀復(fù)雜度等因素，以此來選擇出滿足要求的鑄造工藝。

7 結(jié)語

常規(guī)的鋁合金澆注技術(shù)大多依賴于技術(shù)工人的經(jīng)驗與知識，如果出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問題，很容易導(dǎo)致工藝的生產(chǎn)工作白白地進行，從而導(dǎo)致大量的時間和金錢的損失。采用現(xiàn)代的計算機技術(shù)，經(jīng)過多次實驗，找準(zhǔn)了最優(yōu)的澆注工藝，并利用計算機仿真來解決問題，從而達到改善產(chǎn)品的質(zhì)量和縮短生產(chǎn)時間的目的。