復合式澆注系統在大型鋁合金鑄件中的運用

董 行，李亞輝，龔大軍

（襄陽航力機電技術發展有限公司，湖北 襄陽441000）

隨著國內鑄造工業發展，大型鋁合金鑄件越發常見，產品質量要求也越來越高。與中型鋁合金鑄件不同，大型鋁合金鑄件的鑄造工藝方案設計往往要求更高。本文以某大型鋁合金殼體鑄件（見圖1）為研究對象（該鑄件是我公司已承接產品中最重的鑄件，其生產模式為小批量生產，鑄造方法為砂型鑄造），研究了此大型鋁合金鑄件鑄造工藝的開發和定型過程，旨在為鑄造工藝方案之澆注系統設計給出參考，亦對相似結構的大型鋁合金鑄件開發有著借鑒意義[1-8]。

圖1 某大型鋁合金殼體鑄件示意圖

1 鑄造工藝初始設計方案

該鑄件結構類型為筒型，筒兩端有大面法蘭，輪廓尺寸達Φ970 mm×790 mm，平均壁厚36 mm，鑄件毛坯重量達540 kg，材料為ZL105A；類別為Ⅱ類鑄件，具有體積大、表面積大等特點。體積大要求補縮的金屬液量多，如果補縮系統設計不良或補縮措施不當，就易出現縮孔、縮松等收縮類缺陷，鋁合金熔液在充型過程中產生的鋁液泡沫和夾渣多，即鑄件頂層一定需要留有足夠余量層，以便聚集和捕捉充型過程中上浮泡沫和夾渣，依此將鑄件頂部（即冒口下方）余量設計為12 mm。表面積大意味著如果澆注系統設計不佳，在充型過程中鑄件表面就易產生氣孔、夾渣等組織缺陷。

為提高鑄型強度，減少鑄型與金屬液反應及造型用芯骨使用，方便造型作業，將鑄型材料由普通型砂改成冷硬樹脂砂硬化成型。冷硬樹脂砂砂芯在使用前于200℃烘烤3 h，以除去水汽及樹脂，減少砂芯發氣量。并增加補點冒口的輔助工藝提高冒口的補縮效率，保證冒口溫度始終能補給鑄件。但首批生產的5件殼體鑄件，在機械加工結束后，發現在鑄件厚壁法蘭一側即冒口根部下方，法蘭面機加工表面出現了成組夾渣和氣孔，導致鑄件全部報廢。其初始工藝的主要設計如下。

1.1 澆注系統的初始設計

（1）鑄件充型時間

式中，HC為鑄件高度（含冒口高度），cm；VP為型腔內合金液面的平均上升速度，cm/s；τ為金屬液從開始進入鑄型型腔至型腔充滿所用的時間，s。

按充填至冒口型腔一半計算，此鑄件HC=790 mm+（280 mm÷2）=93 cm；鋁合金鑄件經驗值VP=1.30；計算

（2）澆注系統澆道比

式中：F阻為鋁合金鑄件澆注系統阻流截面積，cm2；m為鑄件的質量（含澆冒口系統），g；ρ為金屬液的密度，g/cm3；μ為澆注系統阻流截面的流量系數[1-4]；τ為金屬液從開始進入鑄型型腔至型腔充滿所用的時間，s；g為重力加速度，m/s2；HP為作用在內澆道中金屬液上的實際壓高的平均計算值，cm（如表1）。

表1 澆注系統參數及計算

由于存在充型流量系數小于流量系數等其它因素，直澆道直徑尺寸按35 mm設計。

大型鋁合金鑄件使用砂型鑄造時，常用的澆注系統截面積比例[2-3]為∑F值∶∑F橫∶∑F內=1∶2 ～ 5∶2～6，選擇澆道比[1-4]為 1 ∶4.5 ∶6。按直澆道直徑 35 mm，計算得澆注系統截面積：∑F值=961.6×2（mm2），∑F橫=4 327.2 × 2（mm2），∑F內=5 769.6× 2（mm2）。

（3）澆注系統結構

考慮到鑄件結構為體積高大的筒狀鑄件，鑄件高度達790 mm。熔化的金屬液充滿型腔更加需要流動平穩。而從鑄件凝固收縮的需求上看，既有縱向的補縮需求，又要求橫向有一定補縮作用。澆注系統按內澆道進入鑄件的位置通常分為頂注式、中注式、底注式、垂直縫隙式、階梯式等類，綜合比較各種常規澆注系統設計，常規澆注系統設計多應于中小型鑄件，各自具有一定的應用局限性。對于輪轂鑄件，為得到平穩的充型過程和恰當的補縮結果，澆注系統結構選擇為既有底注式結構又有縫隙式結構的復合式澆注系統。這樣，澆注系統就兼具底注式結構平穩充型特點和縫隙式結構順序凝固特點。

依據澆道比計算結果，設計的澆注系統見圖2。

圖2 殼體鑄件澆注系統工藝示意圖

1.2 澆注溫度和澆注速度的選擇

鑄件為厚壁件，為減小鑄件凝固收縮量，澆注溫度選擇須偏低。澆注溫度區間選擇在680℃～700℃，澆注速度選擇在1.05 cm/s。

1.3 補縮系統的初始設計

利用輪轂設計的固有特點和遵循順序凝固的設計原則，鑄件厚壁法蘭置于鑄型上方，薄壁法蘭置于鑄型下方。冷鐵、澆注系統和冒口配合使用，控制鑄件各部凝固的先后次序。

在鑄件厚壁法蘭上部均布4處腰形明冒口，起著補縮、排氣、避渣作用，同時減輕鋁合金液對上方鑄型的沖擊作用。

根據傳統的熱節圓比例法設計了補縮冒口尺寸。

2 鑄造工藝設計優化

2.1 充型起始控制

根據首批試制情況，針對殼體鑄件，設計了大型柱塞式澆口杯，即先用柱塞堵住澆口，將坩堝內鋁合金液全部倒入大型澆口杯中，再拔掉柱塞，使鋁合金液平穩地進入型腔，不產生渦流、紊流現象，避免鋁水卷入氣體以及氧化夾渣（第1次避渣）。

2.2 改善澆注系統設計

此鑄件對澆注系統設計要求嚴格，因而決定運用縫隙式內澆口以及兩層橫澆道的澆道布置來控制澆入鑄型的合金液流，橫澆道為搭接形式，防止在下層橫澆道進水過程中，上層橫澆道也進水，從而保證鋁水平穩上升，不產生匯交或紊流。促使氧化物及夾渣平穩向上浮入冒口、積渣槽內、法蘭上端面余量部位，并在后續機加工后去除。澆注系統改進要點如下：

（1）在直澆道最上方設置過濾網，降低鋁水速度，從而降低沖擊，同時過濾夾渣（第2次避渣）。

（2）在橫澆道搭接位置設置過濾網進行第3次避渣以及降低鋁水充型速度，防止沖擊。

（3）縮小橫澆道與內澆柱處的截面積，使夾渣、氧化物漂浮在橫澆道上部，不進入鑄件中，進行第4次避渣。

（4）使用了大澆口杯承接了來自澆包的金屬液，借助澆口塞同時控制兩側澆口杯內合金液流入直澆道。

根據以上要求，優化后的鑄件澆注系統設計見圖3。

圖3 殼體鑄件澆注系統優化后工藝示意圖

3 鑄造工藝設計驗證

依據優化后的鑄造工藝設計，改進了澆注系統用模樣。在落實優化的鑄造工藝設計后，投產第2個批次鑄件（共計13件），經去冒口、熱處理、機械加工等工序，鑄件機加工表面均未再發現成組夾渣和氣孔。在制鑄件機加工成品率提高到81%以上。

在制鑄件實物圖見圖4。

圖4 殼體鑄件實物圖

4 結束語

鑄件在生產之前必須對鑄件的工藝方案作充分的理論計算和生產調研，以便選擇既能保證產品質量又能保證生產進度的鑄造工藝。對于澆注系統，任何一種澆注系統既有其優越性與適用性，也有其局限性，澆注系統設計可以采用各種常規澆注系統結構組合成復合式澆注系統。通過對大型輪轂鑄件的復合式澆注系統設計和生產實踐，可以得出其適用于大型鋁合金鑄件鑄造工藝設計的重要結論：

（1）從金屬液引入鑄型開始，就要設計大型柱塞式澆口杯或其它形式的撇渣澆口杯，防止澆口杯內出現卷渣或進氣，保證金屬液平穩進入鑄型，減小氧化。

（2）直澆道使用多層過濾技術，可以有效降低充型流速，減小高度落差對鑄型的沖擊，使橫澆道有足夠時間可以捕捉夾渣。

（3）在充型過程中，上浮夾渣容易聚集在鑄件的頂端平面，導致鑄件機加工后機加表面均是夾渣。故有必要適當加大充型頂端余量，保證集渣效果，使夾渣留在去除的余量層中。

（4）縫隙式澆道有利于充型，雷諾數Re＜20000時，較宜適用于大型鑄件。