薄壁鋁合金鑄件鑄造工藝設計及優化

趙磊 李金津

四川九洲電器集團有限責任公司 四川綿陽 621000

薄壁鋁合金外殼鑄件在實際生產當中往往會存在縮孔、縮松和夾雜等缺陷，不能夠滿足所需要的壓力滲透要求。所以要對鑄件進行金屬型鑄造工藝設計，并且采用相應的工藝手段進行優化，期望制定出較為合理的鑄造方案，以改善鑄造時鋁合金紊流、溫度場不均勻和防止縮孔、縮松等嚴重的缺陷，提高鑄件的綜合性能，從而提高裝備的安全性和可靠性。鑄件選用的鑄造材料為ZL101A，產品最大外形尺寸長600mm，寬548mm，高201mm，而整體壁厚只有5mm，重量為5.6Kg，這是中型薄壁類鋁合金鑄件，鑄件要求質地均勻，毛坯面要無孔洞、裂痕等缺陷，這樣才能夠使加工后的設備整體結構不變形。

1 鑄造工藝存在的問題

金屬型鑄造又稱硬模鑄造或永久性鑄件，這種工藝是將熔化好的鋁合金澆入金屬制作的模具中在重力或加壓狀態下凝固獲得鑄件的方法，鋁合金金屬型鑄造大多數采用的是金屬芯，也可以采用砂芯和革新的方法來鑄造。在實際的鑄造過程當中，由于金屬型鑄造它本身存在缺陷，需要采取工藝措施進行優化。金屬鑄型導熱系數大、充型能力差以及金屬本身是無透氣性的，所以必須要采用相應的措施才能夠有效的排氣，而且金屬型的鑄型它是無退讓性，鋁合金在凝固時有產生裂痕和變形的風險，這些問題無疑給工藝和技術帶來了新的挑戰。就拿排氣、排渣性能來說，許多鋁合金鑄件在凝固后，毛坯零件的表面容易形成大量的渣氣孔，而且偶爾我們會發現有單個孔徑超過10mm的空洞。鋁合金鑄件在其形成的過程當中是熔融金屬和金屬鑄型相互作用的一個過程，當將大量的高溫鋁合金液注入鑄型后，鋁合金液與鑄型之間發生激烈的熱交換，金屬鑄型比砂模鑄型具備更優良的激冷效果，可以獲得更致密的鑄造表面，但也容易造成過快凝固，內部氣體不能有效排除，為了能夠獲得優質的鋁合金鑄件就必須要嚴格的去設計和控制鑄造工藝[1]。

2 薄壁鋁合金鑄件鑄造工藝設計

2.1 改善澆注系統

鋁合金鑄件在實際生產過程當中，壓力滲透試驗中廢品率較高，報廢的原因主要是內部縮孔、縮松和氧化夾渣，造成鑄件不夠致密，所以根據鑄件的結構特征和生產批量要求，制定了采用金屬型的鑄造方案，內部型芯采用樹脂砂芯。為了改善鑄件溫度分布，提高排氣效率，零件采用側注式澆注系統，直澆道傾斜30°布置，整個澆注過程30S完成，冒口設計在頂端，澆注前把模具烘烤至170℃。這樣設計出來的澆注系統，能夠有效避免縮孔、縮松、氧化夾渣等情況。

2.2 改善排氣系統

薄壁鋁合金進行澆注時，由于其壁厚相對均勻，所以有利于鋁液充型凝固，建立自上而下由高到低的溫度梯度，在澆注過程當中，采用了傾斜式測注系統，鋁液從底部進入型腔，型腔中的氣體隨鋁液從澆注系統上升而不斷的排出，能夠順利的讓鋁液充型。實踐表明，型腔內設計的排氣槽可以達到較好的排氣效果，且排氣槽越多越有利于型腔排氣，排氣槽的寬20mm，深為0.5mm，各槽的間隔為20mm，共設計6個排氣槽；如果排氣不暢的話，就會導致型腔當中的氣體不能隨鋁液上升至液面，而是被擠壓到鑄件的內部以及內表面形成氣孔。

2.3 增加拉筋工藝

由于金屬的協調度小，而造成的鑄件表面拉傷的痕跡，嚴重的時候就會成為拉傷面，為了避免薄壁鋁合金鑄件產生變形和拉傷裂紋，增加拉筋工藝。，首先是分析零件各部位尺寸、壁厚及壁厚的變化，找到應力集中點，設置合適的拉筋，拉筋要小于5mm，以免產生新的應力集中點。還要求研磨模具表面，提高表面光潔度，減少零件拉傷。在使用涂料的時候要使用量薄而均勻的涂料，不能夠直接弄干涂料，這樣也會減少一定程度上零件拉傷。在實際的澆注過程當中，需要避免局部過熱或要減少內應力[2]。

2.4 改進模具

改進模具要從模具的材料和結構選擇上來進行改進。首先，對于模具的材料通常應該選擇優質模具鋼H13或3Cr2W8V，以保持模具的剛度和尺寸精度，外模整體結構應該為六面整體拼接結構，上下底板中間有一根支撐柱連接，前后左右側板用沉頭螺釘，兩兩固定以保證模具的整體結構性，分型面配備銷釘和導向柱，而為了消除鑄件四周的平衡，在結構設計上保證足夠的工藝圓角。為了保證外模的強度，避免配件變形，要確保整體模具的厚度，在模板背面對模具設計出相應的減重槽進行工藝減重，并且能夠平衡模具受熱區間。為使配件全部滿足要求，要在CNC數控機床上直接用三維造型圖進行配件的編程和加工，所有的加工定位螺紋孔由數控機床一次性的加工完成；模具型腔加工粗糙要求達到Ra3.2以上，加工過程中一般得分為粗加工和精加工，粗加工之后必須去除應力熱處理，熱處理工藝為200±5℃保溫時間4個小時，隨爐冷卻[3]。

3 結語

簡而言之，為了優化薄壁鋁合金鑄件鑄造工藝。首先，應該完善澆注系統，根據鑄件結構選擇適當的工藝，建立平穩澆注系統，有效排渣排氣，還要采取工藝措施控制鑄件變形收縮，防止開裂。其次，要控制選擇模具材料和加工工藝，提高表面光潔度和加工精度，消除內應力。這樣可以有效地保持模具的穩定性，提高模具的使用壽命。