箱體類鎂合金鑄件砂型重力澆注系統研究

隨著航空航天技術的進步和發展，對航空航天鎂合金鑄件的冶金質量要求在不斷提高。在航空航天產品寸克寸金嚴格限重的情況下，所使用的輕質材料之一的鎂合金類鑄件，正在往薄壁化、輕量化、集成化發展

。在保證鑄件使用強度指標的情況下，做得越薄、質量越輕，越能適應航空航天產品的質量要求。箱體類鎂合金鑄件是薄壁化、輕量化、集成化的代表，結構上最大的特點是鑄件內部半封閉腔體面積大、多條管狀油路縱橫交錯。箱體類鎂合金鑄件鑄造上最大的難點是壁厚不均、熱節較多，澆注時產生夾雜、疏松、卷氣、冷隔等缺陷傾向性大，穩定獲取優質鑄件的難度較大。

1 選定箱體類鎂合金鑄件工藝性分析

本研究選定航空航天領域內廣泛應用鑄件材料ZM6合金，此合金具有鑄造流動性好、不易熱裂、易焊接等眾多優點，缺點是鎂合金熔煉時氧化傾向大。

本研究選取的箱體類鎂合金鑄件外型輪廓尺寸為Ф300X320mm，內部存在為3處半封閉內腔，6條管狀油路縱橫交錯，普遍壁厚為4mm，多處熱節部位尺寸為（4-8）mm過度。

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重力澆注可以實現開放式澆注，澆注系統擋渣能力強，充型過程平穩，生產組織靈活，此方式是生產箱體類鎂合金鑄件的首選。

本研究選取的箱體類鎂合金鑄件澆注系統工藝設計的思路是采用砂型重力澆注系統。澆注系統設計為底注、開放式，保證鎂合金液在合理澆注溫度下，最短時間，平穩快速充型，以期獲取優質穩定鑄件產品質量。

② 滬江網校CCtalk產品分析——豆.https://m.douban.com/note/361818558/，第十一段“五、產品分析”

2 砂型重力澆注系統研究

箱體類鎂合金鑄件具有結構復雜，多條管狀油路縱橫交錯，腔體多且壁厚差別大的特點。經過對箱體類鎂合金鑄結構的全面分析，決定采用單層直澆道、雙層橫澆道、足夠開放的內澆道+縫隙澆道進行充型。

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箱體類鎂合金鑄件砂型重力澆注系統設計流程：

鎂合金鑄件平穩澆注須選擇開放式澆注系統。開放式澆注系統直澆道面積最小，橫澆道、內澆道依次放大，合金液進入澆道時呈現“小河進大海”的景象。

2.1 鑄件高度初步確認

鑄件凝固過程中，有較大的液態和固態體收縮，結構合理的冒口可以有效補償鑄件凝固時的收縮。冒口和冷鐵一般結合設計，兩者相輔相成，調整凝固時的溫度分布，控制鑄件的凝固順序，可以有效地克服縮松、縮孔等缺陷的出現。

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冒口通用設計方式，一般應用不小于5°的工藝填補量，同時結合內接圓法確定冒口位置，冒口高度不小于2.5倍的最大內接圓直徑。示意見圖1。

在重力澆注系統中，冒口的主要作用：

（1）同冷鐵結合，對鑄件收縮部位進行補縮。

混凝土澆筑工藝在高速公路橋梁建設高敦施工中具有不可替代的作用。混凝土澆筑需具備一定的施工經驗，由專業的技術人員負責，施工人員應嚴格按照相關指標進行澆筑，能準確把握混凝土澆筑中易出現的問題。技術人員要與后場管理人員保持聯系，對出現的異常問題及時調整。

（1）擋渣設計。

談及程小青的福爾摩斯系列偵探小說的翻譯，筆者認為,程小青較多地采用了異化的翻譯方法，適時采用歸化的翻譯方法。目前，學界對于程小青與偵探小說的研究側重于他的偵探小說的創作，或其創作和原著福爾摩斯系列偵探小說的相互關系；對于他的偵探小說翻譯方面，尤其在他的翻譯策略方面鮮有細致的分析。《罪數》是柯南·道爾所創作的福爾摩斯系列中的一篇長篇小說，該篇由程小青用文言文首譯[1]，收錄于1916年中華書局出版的《福爾摩斯偵探案全集》，本文將以該譯本為例，綜合外在和內在的因素，對譯者的翻譯策略做一整體考察。

（4）在鑄件結構大平面上設計冒口可以作為排氣使用，防止大平面部位卷氣性冷隔。

鑄件在冒口設計基本結束后，結合直澆口預設計位置，根據實踐經驗（壓頭角不小于15°）初步可以確定澆注壓頭，具體示意圖見圖2。

鑄件高度確認：

（1）壓頭角大于15°。

一般會以鑄件最高處加上不小于內接圓2.5倍得到的冒口高度就可初步確定為鑄件總高度。

（2）壓頭角小于15°。

通過初步繪制澆注方案，壓頭角小于15°時，通常情況下要提高直澆口位置高度，使壓頭角大于15°，獲得澆注時足夠壓頭。

2.2 澆道 （直、橫、內及縫隙澆道）設計

澆道是合金液進入鑄件型腔的通道，澆道設計水平將直接決定鑄件品質。澆道設計原則：合金液在最佳溫度下，最平穩、最快速進入鑄型型腔。在鎂合金鑄件澆道設計時要嚴格遵循這個原則。

（1）直澆道最小截面積確定。

鑄件高度確認（冒口設計）—澆道（直、橫、內及縫隙澆道）設計—鑄件模擬—分型分芯設計—模具設計及采購—現場試驗。

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澆注速度是通過直澆道面積保證的，如何獲得合理的直澆道面積至關重要。要想獲得理想的直澆道面積，首先要對鑄件的工藝性進行充分分析，反復斟酌參數之間的相互作用。鑄件重要工藝參數獲得見表1。

（2）澆注過程，高溫金屬液包裹的砂型、砂芯發氣后重要的排氣通道。

從表1可以看出，在冒口和壓頭角設計完成后，鑄件澆注時的重要工藝參數已經基本確定。利用公式法和多年經驗，就可以計算出F（直）（直澆道截面積），具體見表2。

鎂合金鑄件直澆道面積決定了鑄件的大致澆注時間，另一個影響澆注時間的因素是澆道流程，所以在澆道設計時，在保證砂型足夠強度的前提下，盡可能接近鑄件本體。

英是害怕死亡的，何況有了生的希望。英想告訴丈夫，但是，她幾次欲言又止。丈夫讀懂了英渴望的眼神，她終究是自己的妻子。

本次設計混凝土攪拌機，目的是為了發展國內機械施工領域，用機械化代替人力工作，提高工作效率和生產效率。通過對混凝土攪拌機的總體結構、攪拌裝置、傳動裝置設計。使設計的立軸式混凝土攪拌機具有攪拌均勻，質量好，其獨特的結構設計，使出料上料時間大幅度縮短，生產效率大幅度提高由于該攪拌機攪拌周期比較大，其相對功耗仍然還是比較低，葉片與攪拌軸成四十五度安裝角安裝。

（2）橫澆道、內澆道及縫隙澆道確定。

直澆道最小截面積確定后，依據橫澆道、內澆道依次放大原則，結合鑄件實際結構，科學合理布置橫澆道、內澆道及縫隙澆道。橫澆道、內澆道及縫隙澆道將直澆道流入的金屬液均勻地引向鑄件各個位置，且起到緩沖、穩流和檔渣的作用。圖3是澆注系統示意圖。

鎂合金鑄件澆道在擋渣、穩流設計方面要注重細節。

（3）足夠的明冒口體積是保證澆注順暢的重要條件。明冒口體積不足，極易出現冒口穿水和澆注斷流的情況。

第一層橫澆道要設計的“窄而高”，第一層內澆道在保證開放程度及流量的前提下設計的要矮（同時設計不小于20°的傾斜角，避免第一股污染的合金液進入鑄件本體），這樣有利于合金液澆注時迅速形成液面高度，雜質等浮于液面最高處，合金液在通過第一層內澆道時大部分雜質留在第一層橫澆道內。

（2）穩流設計。

鎂合金液澆注時通常經過澆口杯浮渣，鋼絲絨過濾，過濾片過濾，第一層澆道和第一次內澆口結構擋渣，干凈的合金液流入第二層橫澆道。橫澆道末端一定要設計容雜包，存儲合金液充型過程中產生的二次夾雜。

鎂合金液澆注時穩流設計是隨著開放式澆注系統，從直澆道面積＜第一層橫澆道面積＜第一層內澆道面積＜第二層橫澆道面積＜第二層內澆道和縫隙澆道面積逐步設計的。第一層橫澆道和第一層內澆道設計合理，保證合金液干凈的情況下，第二層橫澆道面積可以做到足夠放大，“小河進大海”的景象在這個階段呈現。只要鑄件本體允許，第二層內澆道和縫隙澆道可以做到“無限”放大，保證進入鑄件本體的合金液平穩。各澆道的作用見表4。

2.3 澆注系統確認

本研究選取的箱體類鎂合金鑄件砂型重力澆注系統初步方案見圖4。

1)SOM對天氣模態分類的量化誤差小于2,平均拓撲誤差小于0.02%,分型質量較好。臨近天氣模態的累積概率分布較相似,距離較遠的天氣模態累計概率分布差異較大。

箱體類鎂合金鑄件砂型重力澆注系統初步方案及理論工藝參數確認后，后續需要數值模擬進行流場、液相率分析，通過不斷迭代，尋求最佳澆注系統設計及澆注最佳工藝參數，進而縮短產品工藝開發的周期，降低生產成本

。

（1）流場分析。

引用1919年9月《新教育》上發表的《新文化的怒潮》中的話，其中說到：“青年青年，你們自己的能力就是水。運用千百萬青年的能力，就是決百川之水。集合千百萬青年的能力，一致做文化的運動，就是匯百川之水到一條江里，一瀉千里，便成怒潮，就是新文化的怒潮。就能把中國腐敗社會洗得干干凈凈成一個光明的世界。”我們明白，今天也將在未來的某一天被寫進歷史，而我們所需要做的，就是不忘初心，砥礪前行！

澆注3秒時，合金液通過內澆口同時進入鑄件本體。澆注10秒時，合金液均勻平穩地上升到同一個高度。澆注21秒后，合金液充滿整個鑄型。流場模擬結果同理論計算基本一致。

（2）液相80%時溫度場分析。

圖5顯示，液相80%時，鑄件模擬結果可以看出，鑄件凝固梯度良好，澆注系統設計基本合理。

理論最佳工藝參數下，通過模擬結果，對澆注過程中充型穩定性及液相分數進行科學分析。根據模擬結果對初設的澆注系統和工藝參數進行調整、優化

，澆注系統最終確認是個不斷迭代的過程。確認鑄件澆注系統的合理后，即可進入制造模具及后續科研生產中。

3 澆注方案實際驗證

模具制造完成后，生產現場進行砂型、砂芯打制。打制好的砂型、砂芯按工藝規程要求進行干燥去濕、組合，形成組合后的砂型，待澆注。影響箱體類鎂合金鑄件重力澆注冶金質量的因素為合金液的澆注溫度、砂型溫度、砂型濕度、澆注速度等。經過綜合分析：

砂型溫度為室溫此溫度可以認為固定；

砂型濕度為廠房環境濕度可以認為相對不變；

澆注速度為設計時直澆道面積決定可以認為基本不變；澆注溫度是澆注時人為控制的可變因素。

本研究選取的箱體類鎂合金鑄件砂型重力澆注系統可以假設砂型溫度、砂型濕度、澆注速度等影響因素相對固定，人為設定澆注時合金液溫度，得到鑄件冶金質量后，綜合評定砂型重力澆注系統合理性。具體實驗見表4。

將簡化后的模型導入ANSYS/Workbench軟件中，并進行網格劃分。如圖7所示。機構的豎直向下方向為x正方向，送料過程的運動方向為y正方向，平行于翻轉軸水平向外為z正方向。

通過上述實驗可以看出，箱體類鎂合金鑄件砂型重力澆注系統設計合理，模擬結果很好地支撐了澆注系統設計及最佳工藝參數確定。從實驗數據也可以看出，澆注溫度較低時有補縮需求的部位，補縮能力降低，澆注溫度較高時疏松傾向逐漸增大。在保證鑄件冶金質量條件下，一般盡量采取低的澆注溫度

，故澆注溫度確定在(768±3)℃，可以得到較為理想的冶金質量。

本研究箱體類鎂合金鑄件砂型重力澆注系統，在合理澆注溫度下，夾雜、卷氣、冷隔缺陷得到根本抑制，疏松缺陷得到很好克服。本澆注系統可以用于實際生產。

4 結語

（1）鎂合金鑄件本身結構賦予了理論最佳澆注系統及工藝參數，澆注系統設計是個逐步靠近理論最佳的過程。澆注系統設計不是一層不變的固定值，而是一個圍繞最佳進行的多方面探討。

（2）數值模擬是澆注系統設計過程中重要的工具，模擬結果可以幫助工藝人員更好地進行流場、溫度場分析，通過不斷迭代，找尋出最合理澆注系統和最佳工藝參數。

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（3）實驗條件有限，本研究認為砂型溫度、砂型濕度、澆注速度等因素相對固定（實際會有波動，見表4），只有澆注溫度一個水平變量，得到的實驗結果有一定偏頗。

（4）本研究實驗結果在一定程度上說明，澆注系統設計合理夾雜、疏松、卷氣、冷隔等缺陷會得到非常有效克服。本研究中箱體類鎂合金鑄件砂型重力澆注系設計對類似鑄件的設計有一定指導意義。

[1]李魁勝．鑄造工藝及原理[M]．北京：機械工業出版社,1988．

[2]侯文偉,鄭寶堂．基于AnyCasting軟件的砂型鑄造模擬分析[J]．金屬加工（熱加工），2017（5）：47-49．

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