崔立文?楊波

摘要：鋁合金橫梁應用范圍非常廣，深入應用在工業(yè)工程、建筑建材乃至醫(yī)療設備等各行各業(yè)方方面面，鋁合金橫梁鑄件的結構復雜，整體較薄。為保證金屬液的充型，避免產生澆不足和冷隔等鑄造缺陷，運用垂直縫隙式澆注系統(tǒng)，采用磷酸鹽無機樹脂砂造型;利用華鑄CAE軟件對設計的工藝進行模擬，并根據缺陷預測對工藝方案進行優(yōu)化，最終得到了最佳的工藝方案，本文就此展開分析。

關鍵詞：薄壁橫梁;造型材料;縫隙式澆道;工藝優(yōu)化

近年來在科技經濟持續(xù)發(fā)展的促進下，我國工業(yè)技術取得了不俗成效，工業(yè)中橫梁最為常見，它作為一種重要的結構零件，在許多機床、行車等大型機械設備中都可見到其身影，由于橫梁在工作時會受到較大的載荷，因此要求其力學性能要高，鑄件的質量要能夠得到保證。某鋁合金橫梁要求采用普通的砂型鑄造生產，但鑄件的壁厚差異較大，最小壁厚僅為5mm，如何在保證金屬液充型的同時又確保鑄件的質量是設計的最大難點。為解決上述問題，本文設計了一套鑄造工藝方案，并利用模擬軟件對其進行工藝模擬，根據模擬結果研究了缺陷產生的原因，進一步優(yōu)化工藝，從而得到一理想的鑄造方案。

一、鑄件特點

橫梁整體為一空殼結構，兩端有厚大的支耳，內部有較多交叉縱橫的加強筋。橫梁材質是ZL114A，最大輪廓尺寸為2505.0mm×565.0mm×299.5mm，最大壁厚49mm，最小壁厚為5mm，主要壁厚5～7mm，較薄。技術要求中指出：質量不少于74kg，鑄件外表面無冷隔、裂紋和縮松等缺陷，內部需X光檢驗，不能有裂紋、氣孔和偏析等缺陷。橫梁的設計難點在于：①整體較薄，鋁液充型阻力大，易產生冷隔和澆不足;②壁厚差異過大，易導致凝固時間差異大，從而產生裂紋、縮松等缺陷;③為保證薄壁部位完整，需提高充型速率，但可能會造成充型紊亂，產生氣孔和夾渣。

二、鑄造工藝設計

該橫梁鑄件壁薄且結構復雜，在選取鑄造收縮率時，應視其為受阻收縮;技術要求中規(guī)定質量公差的下偏差為0，因此在設置起模斜度時，最好選取增加鑄件壁厚的形式;而針對工藝設計中存在的難點，本文著重從造型材料選擇和澆注系統(tǒng)設計方面來解決。

（一）造型材料的選擇

由于鑄件壁厚較薄，金屬液易受到型腔中氣體的阻隔而生產冷隔等缺陷，為保證金屬液能順利地充填型腔，造型材料的發(fā)氣量必須要小。造型材料一般可劃分為無機粘結劑砂和有機粘結劑砂兩大類，其中，無機粘結劑砂因成本低廉且不含有害物質、符合現今的綠色環(huán)保理念而被廣泛使用。在無機粘結劑中，磷酸鹽粘結劑以其較高的強度、好的潰散性和舊砂再生回用性好等特點，得到了越來越多的重視。荊金龍等發(fā)明了一種鋁合金鑄造用新型改性磷酸鹽無機粘結劑，該粘結劑的強度高、粘結性能優(yōu)良、潰散性好，并且發(fā)氣量低，因此本文選用該粘結劑作為造型材料的粘結劑，造型制芯均用磷酸鹽無機樹脂砂。

（二）澆注及分型面

橫梁的支耳是厚壁部位，為了更好地實現順序凝固、方便補縮，厚壁支耳必須位于頂部;為保證鑄件的尺寸精度，最終將分型面選在了橫梁的頂面，并隨鑄件外形開設。

（三）砂芯設計

橫梁內腔結構復雜，需使用砂芯成型。為保證內腔品質、節(jié)約工裝設備，共設計了3種砂芯。其中，1#砂芯共7個，用于形成鑄件的7個大內腔;2#砂芯為鏡像對稱的兩個砂芯，用于形成兩端被筋板隔斷的兩個小內腔以及支耳上的方孔，為增加砂芯的強度，加大了2#砂芯芯頭的尺寸;3#砂芯用于成型側壁加強筋的圓孔。

（四）澆注系統(tǒng)的設計

ZL114A的力學性能高、鑄造性能好，其中，流動性好這一特點有利于保證充填5mm的壁厚，但鋁液化學性質活潑，因此澆注系統(tǒng)要能保證鋁液充型平穩(wěn)，避免出現沖擊和飛濺，從而減少鋁液氧化;橫梁壁薄，為獲得完整鑄件，金屬液充型時間要短。針對這些要求，設計了垂直縫隙式澆注系統(tǒng)，直澆道和橫澆道、分配澆道和集渣筒分別采用準45mm和準65mm的陶瓷管成型，經計算，共設計了8個16mm厚的縫隙澆道，分別從對應于內部環(huán)形加強筋的位置引入。

三、數值模擬

利用華鑄CAE軟件對工藝方案進行模擬，模擬時劃分的網格數約為318.6萬個;澆注溫度設置為730℃，澆注速度為100cm/s。

（一）工藝模擬及分析

通過數值模擬，得到垂直縫隙式澆注系統(tǒng)的鋁液進入型腔的時間為2.91s，充型時間為23.06s，符合所分析的快速充型要求;鋁液充型過程液面平穩(wěn)上升，未發(fā)現卷氣、噴射等現象，證明該澆注系統(tǒng)同樣符合充型平穩(wěn)要求。

模擬得到的缺陷表現，兩端支耳產生了大量的縮孔、縮松，中間殼體上表面以及底部厚壁部位同樣也產生了較多的縮松，這是由于支耳是最厚的部位，凝固較慢，但其周圍薄壁結構凝固快，支耳會向這些部位提供補縮金屬液而自身卻得不到補縮，因此產生了大量的缺陷;中間殼體上表面以及底部也因較厚而凝固得慢，進而出現較多縮松。為保證鑄件質量，需對方案進行優(yōu)化。

（二）工藝優(yōu)化

為消除橫梁鑄件中出現的缺陷，本文通過在兩端支耳各設計3個明冒口、在中間殼體上表面設計6個小明冒口來進行補縮;底部厚壁處雖不便安放冒口對其進行補縮，但垂直縫隙式澆注系統(tǒng)配合使用冷鐵，可發(fā)揮補縮的作用，實現順序凝固，因此在底部和澆道一端的側壁厚大部位設計了石墨冷鐵;由于支耳較厚，為更好地發(fā)揮冒口的補縮效果，在支耳底部也增設了石墨冷鐵。為驗證優(yōu)化方案是否能消除缺陷，對其進行了二次模擬。原方案中出現縮孔、縮松的部位已無縮孔和縮松，并且在鑄件的其余部位未發(fā)現缺陷，證明優(yōu)化方案是合理的。

四、結語

（1）為減小金屬液充型阻力，造型材料采用發(fā)氣量低的磷酸鹽無機樹脂砂。

（2）設計了垂直縫隙式澆注系統(tǒng)來保證金屬液充型，避免薄壁部位出現澆不足和冷隔等缺陷。

（3）利用華鑄CAE對工藝方案進行了數值模擬，證明了方案能保證充型平穩(wěn)，預測到鑄件的缺陷。根據模擬結果進行了工藝優(yōu)化，通過冒口和冷鐵的設計，成功地消除了鑄造缺陷。

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