原標(biāo)題：壓殼鑄件的鑄造工藝設(shè)計(jì)及試生產(chǎn)

摘要：壓殼鑄件應(yīng)用于許多流體工程領(lǐng)域中。根據(jù)壓殼鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先基于其CAD圖利用UG軟件對(duì)該鑄件進(jìn)行了三維建模，然后設(shè)計(jì)其鑄造工藝方案，并利用數(shù)值模擬軟件ProCAST進(jìn)行了工藝方案優(yōu)化，分析了鑄件的充型過(guò)程、凝固過(guò)程及縮孔、縮松缺陷分布等，最終確定了壓殼鑄件的最佳鑄造工藝方案。再采用樹(shù)脂砂利用數(shù)字化無(wú)模精密鑄造成形機(jī)加工出砂型及砂芯，然后合型，熔煉金屬液，進(jìn)行實(shí)際澆注，對(duì)壓殼鑄件進(jìn)行了試生產(chǎn)。所獲得的鑄件完全符合圖紙的技術(shù)要求，為該壓殼鑄件采用重力鑄造方法進(jìn)行下一步中試生產(chǎn)奠定了工藝基礎(chǔ)，同時(shí)也為其他壓殼類(lèi)鑄件的鑄造工藝設(shè)計(jì)提供了一定參考。

壓殼鑄件在實(shí)際工程領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用，它的主要作用是通過(guò)將流體吸入其內(nèi)部，將流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力，從而實(shí)現(xiàn)其整體的壓力平衡，因此壓殼鑄件需要具有一定的強(qiáng)度，并且在使用前要進(jìn)行水壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)和氣壓滲漏性實(shí)驗(yàn)。由于壓殼鑄件內(nèi)部中空，因此需要用砂芯來(lái)進(jìn)行成形。數(shù)字化無(wú)模精密鑄造成形技術(shù)無(wú)需制造模具或模樣，具有生產(chǎn)周期短、工藝試制成本低、數(shù)字化程度高、綠色化程度好等特點(diǎn)，特別適合于鑄件的工藝開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)試制。文中利用CAD/CAE/CAM技術(shù)以及數(shù)字化無(wú)模精密鑄造成形技術(shù)，進(jìn)行了鋁合金壓殼鑄件的三維造型、鑄造工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化，最終進(jìn)行了生產(chǎn)試制。

1.鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及要求

該壓殼鑄件的基本尺寸為157.8 mm×151.1 mm×64.6 mm，材質(zhì)為AlSi7Mg0.3，重量為0.91 kg，鑄件的三維模型及主要尺寸如圖1所示，屬于小型復(fù)雜件。其技術(shù)要求包括：未注鑄造公差應(yīng)符合BS6615/ISO 8062及工程標(biāo)準(zhǔn)E3-20，缺陷需符合工程規(guī)范E4-05-006，鑄件需符合材料規(guī)范中的相關(guān)質(zhì)量要求。該鑄件的最小壁厚為4 mm，多個(gè)面要求不允許存在飛邊、毛刺和凸起，因此需要著重考慮好澆注位置和分型面；此外，該鑄件最大截面不在同一平面上，因此要合理設(shè)計(jì)好分型面。

圖1 鑄件的三維模型及輪廓尺寸

該壓殼鑄件的中間部位和垂直法蘭處壁厚相對(duì)較大，容易形成熱節(jié)，易在凝固過(guò)程中形成收縮缺陷，因此，在這兩個(gè)位置要添加冒口進(jìn)行補(bǔ)縮。

2.鑄造工藝方案設(shè)計(jì)

2.1澆注位置及分型面

首先，確定其澆注位置及分型面。由于采用數(shù)字化無(wú)模鑄造精密成形機(jī)進(jìn)行造型，因此，在設(shè)計(jì)其澆注位置及分型面時(shí)要考慮機(jī)器是否可以將相應(yīng)的砂型和砂芯銑出。通過(guò)查閱鑄造工藝手冊(cè)及比較不同澆注位置的優(yōu)缺點(diǎn)之后，選擇如圖2所示的澆注位置和分型面，其優(yōu)點(diǎn)是壁厚最大處位于上部有利于實(shí)現(xiàn)順序凝固，測(cè)量基準(zhǔn)面位于下部，易于保證鑄造質(zhì)量；分型面總體為平面，局部為曲面分型，造型相對(duì)簡(jiǎn)單，且不存在影響圖紙技術(shù)要求的平面（多個(gè)面要求不允許存在飛邊、毛刺和凸起）。

圖2 澆注位置和分型面

2.2 砂芯及澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了兩個(gè)砂芯，如圖3所示。

圖3 兩個(gè)砂芯的三維模型圖

由于該件為小型鑄鋁件，在查鑄造手冊(cè)和相關(guān)資料后得知，鑄鋁件主要采用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)。開(kāi)放式澆注系統(tǒng)在充型時(shí)可以保證充型液流速度低，從而充型平穩(wěn)，還可以避免紊流和氧化膜卷入，從而保證進(jìn)入型腔中的金屬液相對(duì)純凈，故本次工藝采用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，各澆道截面比為ΣA直 ∶ΣA橫 ∶ΣA內(nèi) =1∶1.4∶1.3。而且，采用中注式澆注系統(tǒng)，金屬液從中部流入型腔。由于該件結(jié)構(gòu)為渦輪殼體結(jié)構(gòu)，易在充型過(guò)程中產(chǎn)生卷氣的現(xiàn)象，因此側(cè)邊注入式的內(nèi)澆道部分采用沿切線(xiàn)方向進(jìn)行充型，這樣可以減輕卷氣，同時(shí)更有利于金屬液平穩(wěn)地進(jìn)入型腔。澆注系統(tǒng)的形狀如圖4所示。

圖4 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于鋁合金的澆注時(shí)間，可采用如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：t 為澆注時(shí)間，s；s為系數(shù)，一般情況下取s=3；G為型內(nèi)金屬液總重，kg。

由此計(jì)算出澆注時(shí)間為 t=3.27s，為了在實(shí)際澆注中便于控制澆注時(shí)間，取澆注時(shí)間為3 s。

查閱鋁合金手冊(cè)，采用公式（2）計(jì)算直澆道截面積：

式中：∑A直為直澆道最狹窄處總截面積，cm²；η為系數(shù)，通常取0.04~0.07；H 為平均壓頭，cm，其計(jì)算公式見(jiàn)式（3）。

式中：H0 內(nèi)澆道以上的直澆道高度，cm；h0 內(nèi)澆道以上的鑄件高度，cm；h為鑄件高度，cm。

經(jīng)計(jì)算得直澆道橫截面積為2 cm²。最終通過(guò)計(jì)算獲得的澆注系統(tǒng)各部分的橫截面及其尺寸如圖5所示。

圖5 澆注系統(tǒng)各部分的橫截面及其尺寸

3.鑄造工藝的初步模擬與分析

利用ProCAST軟件對(duì)該壓殼鑄件的初步工藝進(jìn)行了模擬，其充型凝固過(guò)程模擬結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 1.1 s時(shí)刻鑄件的充型速度場(chǎng)

圖7 3 s時(shí)刻鑄件的充型凝固溫度場(chǎng)

從圖中可以看出，金屬液沿著內(nèi)澆道貼型腔壁注入然后逐漸充滿(mǎn)型腔，在整個(gè)充型過(guò)程中，金屬液流動(dòng)相對(duì)較平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的卷氣現(xiàn)象。該壓殼鑄件的縮松、縮孔模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 縮孔、縮松缺陷模擬結(jié)果

從圖8中可以看出，除了澆注系統(tǒng)中之外，縮孔、縮松缺陷主要集中在鑄件頂部與靠近中部的厚大部分處，法蘭下部和法蘭后凸臺(tái)處也出現(xiàn)少量缺陷。這些缺陷出現(xiàn)的原因主要是這幾處部位均壁厚相對(duì)較大且散熱不易。

4.鑄造工藝的優(yōu)化

根據(jù)壓殼鑄件的形狀特點(diǎn)以及上述模擬結(jié)果，對(duì)鑄造工藝進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了明頂冒口，設(shè)置明頂冒口的目的是對(duì)鑄件頂部進(jìn)行補(bǔ)縮，以消除鑄件頂部與靠近中部厚大部分處的縮孔、縮松缺陷。同時(shí)，在法蘭頂部添加了1個(gè)扁出氣冒口，可以對(duì)法蘭部位的液態(tài)及凝固收縮進(jìn)行補(bǔ)縮，而且與法蘭底部放置的一塊半圓形隨形冷鐵相配合，可以調(diào)節(jié)法蘭部位的溫度場(chǎng)分布，以消除法蘭部位的少量縮孔、縮松缺陷。此外還添加了4個(gè)圓形出氣孔，主要是加強(qiáng)型腔內(nèi)氣體的排出。優(yōu)化后的鑄造工藝方案如圖9所示。用ProCAST軟件進(jìn)行模擬，縮孔、縮松缺陷模擬結(jié)果如圖10所示。

圖9 優(yōu)化后的鑄造工藝方案

圖10 優(yōu)化工藝方案的縮孔縮松缺陷模擬結(jié)果

從圖10中可以看出，壓殼鑄件本體內(nèi)縮孔、縮松缺陷全部消除。因此，采用如圖9所示的最終鑄造工藝方案進(jìn)行生產(chǎn)試制。

5.壓殼鑄件的實(shí)際生產(chǎn)

5.1 鑄型的加工處理

采用樹(shù)脂砂利用數(shù)字化無(wú)模精密鑄造成形機(jī)（型號(hào)為CAMTC-SMM2000）分別進(jìn)行上型、下型和砂芯的數(shù)控加工。利用UG軟件的加工模塊生成砂型和砂芯的加工刀路，其中粗加工選用的刀具為Φ8 mm的平刀；精加工時(shí)，選用Φ6 mm的球刀，切削參數(shù)中的連接改為沿部件斜進(jìn)刀，在層與層之間切削。

在加工好后的砂型和砂芯上分別涂刷醇基鋯英粉涂料，刷好涂料的砂型和砂芯如圖11所示。裝配好砂芯的下型如圖12所示。

圖11 刷好涂料的砂型和砂芯

圖12 裝配好砂芯的下型

5.2 鋁合金的熔煉澆注及鑄件的后處理

接 著 進(jìn) 行 合 型 ， 準(zhǔn) 備 澆 注 。將 所 需 重 量 的AlSi7Mg0.3（ZL101A）鑄造合金錠放入到坩堝電阻爐中進(jìn)行加熱熔煉，設(shè)定熔煉溫度為750 ℃，澆注溫度為(730±5）℃。采用鋁合金專(zhuān)用除氣除渣劑進(jìn)行熔體處理，采用Al-5Ti-1B對(duì)鋁合金熔體進(jìn)行變質(zhì)處理。

鑄件冷卻1 h后進(jìn)行打箱和落砂處理，用工具將鑄件分型面位置的飛邊毛刺清理掉，最后獲得的鑄件（帶鑄造工藝）如圖13所示。

對(duì)鑄件進(jìn)行了質(zhì)量檢驗(yàn)，尺寸符合BS6615/ISO8062及工程標(biāo)準(zhǔn)E3-20的要求，可見(jiàn)，缺陷符合工程規(guī)范E4-05-006的要求，化學(xué)成分符合《鑄造鋁合金》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的相關(guān)質(zhì)量要求。

圖13 試生產(chǎn)的實(shí)際鑄件（含鑄造工藝部分）

4.結(jié)論

（1）針對(duì)小型壓殼鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了完整的鑄造工藝設(shè)計(jì)，并利用數(shù)字化無(wú)模精密鑄造成形技術(shù)進(jìn)行了試生產(chǎn)，所獲得的鑄件符合圖紙技術(shù)要求，為該壓殼鑄件采用重力鑄造方法進(jìn)行下一步中試及大規(guī)模生產(chǎn)奠定了工藝基礎(chǔ)，同時(shí)也為其他壓殼類(lèi)鑄件的鑄造工藝設(shè)計(jì)提供了一定參考。

（2）采用文中優(yōu)化工藝生產(chǎn)的壓殼鑄件，其工藝出品率為69%。如果需要進(jìn)一步提高工藝出品率，則需要采用金屬型鑄造或低壓鑄造等特種鑄造方法。

（3）數(shù)字化無(wú)模精密鑄造成形技術(shù)具有砂型和砂芯加工精度高、可以進(jìn)行曲面造型、無(wú)需制造模具、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，特別適合于小批單件生產(chǎn)及鑄件的鑄造工藝開(kāi)發(fā)和試制。

作者

馬玉琪 劉瑞祥 曾雯雯 史書(shū)考
王承云 張偉 向青春
沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院
于偉業(yè)
大連博斯特電機(jī)有限公司

本文來(lái)自:《鑄造》雜志