鋁合金薄壁底座鑄造工藝改進

呼應海

摘 要：通過分析底座鑄件壁厚不勻、易出現冷隔、鑄造皮縫大清理易產生裂紋、表面夾渣氣孔等缺陷的產生原因，對澆注工藝進行了優化，并將木模改進為金屬模。結果表明，通過改善澆口類型、增加工藝拉筋、增設玻璃纖維過濾網和排氣冒口，應用通過三維造型和CNC機床設計加工的金屬模等措施，有效解決了薄壁底座的各種鑄造缺陷，將毛坯合格率從60%提高到了95%以上。

關鍵詞：金屬模 渣氣孔 縫隙澆道 三維造型

中圖分類號：TG146.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（b）-0033-02

底座是筆者所在公司雷達產品中重要的結構部件，裝配在操控機柜中，具有優良的整體性能和輕質化特點。該鑄件鑄造材料為ZL101A，最大外形尺寸600 mm×548 mm×201 mm，整體壁厚只有5 mm，重量5.6 kg，為中型薄壁類鋁鑄件。鑄件毛坯要求壁厚均勻，毛坯面無冷隔、孔洞、裂紋等鑄造缺陷，加工后必須保證四周安裝凸臺高出毛坯面，整體結構不能有變形。

1 鑄造工藝及存在問題

底座原鑄造工藝見圖1，兩對側同時澆注，澆注系統由橫澆道、內澆道和排氣孔組成。采用紅砂手工造型制芯，型腔表干，重力澆注成型。熔煉設備為電阻式坩堝爐，吹氬精煉除氣，鈉鹽變質，出爐溫度控制在720 ℃～730 ℃。模具全部采用紅松制作，外模使用框架結構，3個芯盒為底板加擋板、螺桿鎖緊機構。

鑄件和模具存在問題如下。

（1）鑄件澆注時排氣、排渣性能不好，拋丸后毛坯表面易形成大量的渣氣孔，偶爾以單個大氣孔出現，孔洞直徑有時大于10 mm[1]。

（2）鑄件澆注后透孔的皮縫很大，手工清理容易產生變形，熱處理校正過程中產生裂紋報廢。劃線加工后凸臺高度和加工壁厚不能有效保證，產生加工報廢。

（3）木模精度不高，使用壽命很短，往往在新模具制作完成后就開始產生變形，以致拼芯精度不高，鑄件壁厚差異大，最薄的地方僅為3 mm左右，易形成澆注不足，冷隔等鑄造缺陷。

以上缺陷問題造成底座的成品率只有60%左右，嚴重制約了公司的零件齊套和整機裝配進度。

2 鑄造工藝問題分析

2.1 澆注系統

原澆注系統雖采用兩側同時澆注，提高了澆注速度，但鑄件“翅膀”處高度較高，頂注式易產生熔液飛濺，造成紊流，形成二次氧化夾渣和卷氣，使得鑄件表面產生氣孔和渣孔。

2.2 排氣系統

由于鑄件上表面全部為不加工表面，原澆注工藝只是在表面上扎出排氣孔，排氣效果較差，鑄件中部兩股液流的交匯處由于排氣不暢而造成憋氣現象。

2.3 模具問題

該鑄件為拼芯造型，型芯直接形成壁厚和大量透孔。紅松材質的木模隨著環境溫度、空氣濕度的變化產生干縮和濕漲，外模和芯盒產生變形，變形超過1 mm就會對拼芯后的壁厚和皮縫產生影響，導致鑄件產生清理變形和壁厚不均等質量問題。

2.4 工藝方案

鑄件整體為易變形結構，在鑄造工藝方案設計時，未考慮增加防變形措施，鑄件澆注后易產生收縮變形。

3 鑄造工藝改進過程

為消除底座的壁厚不勻、變形和表面質量問題，試驗采取以下4個措施進行改進。

3.1 改善澆注系統

（1）將原“翅膀”底部的兩處內澆口更改為兩處縫隙澆口（見圖2），縫隙寬度為10 mm（1.0倍壁厚），縫隙澆口長度為160 mm，并在澆道底部設置緩沖槽，以減少鋁液頂注時產生的飛濺，降低二次氧化夾渣的產生和卷氣。

（2）在橫澆道和內澆口、縫隙澆道的連接處設置玻璃纖維過濾網（規格1.6 mm×1.6 mm），起過濾夾渣、防止卷氣的作用[2]。

3.2 改進排氣系統

在保留原工藝上箱扎排氣孔的同時，在鑄件中部的透孔位置將壁厚連通，增加冒口一處（圖2），增強澆注系統的排氣功能，消除鑄件的皮下氣孔。冒口在清理時手工去除。

3.3 增加工藝拉筋

根據鑄件的整體結構，在“翅膀”頂端設置一處防變形工藝拉筋（圖2），寬度25 mm，厚度10 mm，可顯著增強底座的結構性，改善鑄件的收縮變形。

3.4 改進模具為金屬模

（1）模具材料和結構的選擇：模具材料選用較為常見的2A12（CZ態）硬鋁合金，以保持模具零件的易加工性和經濟實用性。外模整體結構為6面整體拼接結構，上下底板中間用7處支撐柱連接，前后左右側板側面用沉頭螺釘兩兩固定，以保證模具整體的結構性（圖3）。芯盒結構基本與原木模保持一致。

（2）為消除鑄件四周的皮縫，結構設計時，將A、B兩面的拔模斜度去除，外模出模時，造型工可向A、B面相反的方向活動，不僅可保證順利拔出模具，也能消除這兩面和1#芯拼對產生的皮縫。鑄件其他兩個方向的皮縫可由1#芯和2#、3#拼對后消除。

（3）為保證外模和芯盒配件的強度，避免配件變形造成的砂型砂芯尺寸變化，部件整體厚度全部保證在25～30 mm，并根據減重需要在不使用一側設計出減重槽。加工裝配完成的外?？傊亓繛?5.6 kg，只比原木模重量增加約75%，完全符合造型需求。

（4）金屬模配件加工工藝：為提高金屬模設計和加工精度，模具全部用三維造型軟件造型，并模擬裝配驗證合格后釋放加工，全部配件要求在CNC數控機床上直接用三維造型圖進行編程加工，所有螺釘定位孔由機床一次加工完成。模具型腔等使用面加工粗糙度要求在Ra3.2以上。加工過程分為粗加工和精加工，粗加工后必須進行去應力熱處理。熱處理使用箱式時效處理爐進行，熱處理溫度200 ℃±5 ℃，保溫時間4 h，后隨爐冷卻。后經過驗證，模具配件加工完成后變形量均未超過0.1 mm。

4 工藝改進效果

（1）通過對金屬模零配件的裝配，外模和芯盒拼接后未發現明顯的錯位和變形，金屬模配合良好（圖4），造型工翻出的型腔、砂芯形狀和尺寸精度滿足精度需求，鑄件壁厚差異不大于0.8mm，透孔無明顯皮縫和毛刺。經超過三個批次的生產驗證發現，底座金屬模結構穩定，無明顯翹曲和變形，翻出的底座鑄件毛坯尺寸穩定。

（2）工藝改進后，底座毛坯變形量明顯變小，降低了校正的工作量，防止了鑄件開裂現象。鑄件表面質量有所提高，拋丸后毛坯上表面極少出現氣孔和夾渣現象，鑄件毛坯合格率達到了95%以上（圖5）。

5 結論

（1）采用完善的頂注式澆注系統，增加縫隙澆道的緩沖，以及玻璃纖維過濾網的使用，可有效降低熔液產生的飛濺，防止二次氧化和氣孔的形成。排氣孔和排氣冒口結合使用，可使型腔迅速排氣，降低皮下氣孔的發生幾率。

（2）根據鑄件結構，適當的工藝筋可有效防止薄壁鑄件的收縮變形，提高鑄件尺寸精度，防止清理變形開裂。

（3）使用金屬模外模和芯盒，拼芯造型時可有效消除透孔皮縫，減少清理工作量。中型薄壁鑄件外模使用拼接式結構，能有效保持模具尺寸穩定，提高模具使用壽命。

（4）使用三維造型和CNC數控機床相結合的方式加工，可保證金屬模加工和裝配精度。金屬模配件壁厚要求30 mm以上，工作面粗糙度Ra3.2以上，粗加工后必須進行去應力熱處理，以保證模具配件加工完成以后不變形。

參考文獻

[1] 史鑒開，史小雨.渣氣孔的實際觀察[J].現代鑄鐵，2003 （3）：45-46.

[2] 陳國禎，肖柯則，姜不屈.鑄件缺陷和對策手冊[M].北京：機械工業出版社，1996.