薄壁壳型件的内压铸造工艺及模具设计

　　铸造是机械制造工业毛坯和零件的主要供应者，在国民经济中占有极其重要的地位。铸件在机械产品中所占的比例大，如内燃机关键零件(8~9 种)

　　都是铸件，占总质量70%~90%，汽车中铸件质量占19%(轿车)~23%(卡车);机床、拖拉机、液压泵、阀和通用机械中铸件质量占65%~80%;农业机械中铸件质量占40%~70%。矿冶(钢、铁、非铁合金)、能源(火、水、核电等)、海洋和航空航天等工业的重、大、难装备中铸件都占很大的比重和起重要的作用。铸造技术在现代机械制造行业地位极为重要，因此我们要大力发展铸造业。但铸造业也有其固有的缺陷，如气孔缩松、铸造内应力、材料利用率低等问题一直困扰着该行业，为此热加工专业人员进行了长期的努力，解决了很多问题，并形成了很多铸造方法，如压力铸造、消失模铸造、陶瓷型铸造、反重力铸造等。但纵使有以上这么多的铸造方法，却还是不能满足机械行业的发展要求。要在这方面有所突破，必须从两个方面出发：新材料的研发、铸造工艺过程的改进。本文针对某厂家生产的一种薄壁壳型件在铸造过程中容易产生气孔、缩松和裂纹等缺陷，从铸造工艺过程出发， 专门设计了一套针对此铸件的铸造工艺，尝试采用新的液态凝固成型方法。它是在金属凝固的过程中，从铸件内部施加压力，使铸件基本上实现在均匀内压作用下的同步凝固， 极大地减少了气孔和缩松的缺陷， 提高了铸件的表面质量和内在质量，并减少浇道与冒口金属液的消耗量，实现铸造工艺的节能减排。

　　1 铸件的材料及结构

　　该铸件所用的材料为ZL105。铸件结构如图1，外形是空心筒形件，壁厚均匀为8 mm，内部有一壁厚为6 mm 的加强筋， 底部的凸台厚度也为8 mm，铸件总高度为110 mm，凸台直径为90 mm，筒的直径为70 mm，棱角处全部为1 mm 的倒圆角。

　　2 模具设计

　　金属型的结构如图2， 模具选择垂直分型，所以，左右两个金属型对称。除根据铸件工程尺寸及偏差外， 还应考虑到铸件材质从固相线到冷却到室温

　　的收缩率、涂料层的厚度、以及金属型材料从室温升至预热温度时的膨胀率。可按公式(1)来计算：Ax=(AP+APK&pmn;δ)&pmn;ΔAx (1)式中，Ax为型腔尺寸，mm;AP为铸件尺寸的中间值，mm;K 为综合线收缩率，%;δ 为涂料厚度，mm;ΔAx为型腔尺寸制造公差。

　　金属型外形尺寸设计为160 mm×160 mm，厚度为65 mm。型腔尺寸经计算为：D=(90.9 &pmn; 0.3) mm;d= (70.9 &pmn;0.3) mm;H=(111.1 &pmn;0.3) mm;h=(9.1 &pmn;0.3)mm。

　　3 浇注系统的设计

浇注系统尺寸随着铸件材质、结构及具体生产条件的不同而变化。计算浇注系统，主要是确定 小截面积，然后按照经验比例确定其他组元的截面积。以伯努利方程为基础推导换算成浇注系统的近似公式：

(2)式中，F 阻为浇注系统 小截面总面积，cm2;G 为流

　　经F 阻截面的金属液总重量，kg;u 为总流量损耗系数;t 为浇注时间，s;Hp为平均静压力头高度，cm。

　　通过计算得到F 阻=1.01 cm2， 由浇注系统类型可知F 阻即为直浇道。

　　铝合金浇注系统的尺寸按类似于铸铁件、铸钢件浇注系统的计算方法确定， 但是这样计算与实际浇注误差较大。所以，生产中常用各种经验建立的表格进行查找。本设计中的铸件可根据铸件重量与内浇道截面积的关系建立经验数据进行选择。

　　由《铸造手册》[9]表3-170 查得直浇道总截面积为1.5~3.0 cm2，与理论计算值偏差较大，为更接近实际，按理论值取为2.0 cm2。

　　由《铸造手册》[9]表3-173 查得小型铝合金铸件浇注系统各组元截面比例为F 直︰F 横︰F 内=1︰(2~3)︰(1.5~4.0)

　　由于本铸件采用的浇注系统为封闭-开放式，F 杯>F 直

　　故： 直浇道截面积F 直=2.0 cm2; 横浇道截面积F 横=4.0 cm2;内浇道截面积F 内=6.0 cm2。

　　4 工艺参数的设计

　　4.1 充型速度的确定

　　由于此铸件的壁厚较薄，为了充型容易，在液体金属充填型腔之前， 先将气体沿液态金属填充的方向以超过充填的速度抽空，使金属液顺利地充填。充

　　型速度太快或太慢，都给铸件品质带来影响。充型速度太快， 合金液进入型腔时势必出现冲击喷溅和翻滚现象，造成铸件有氧化夹渣和气孔缺陷;反之充型速度太慢， 则又有可能使铸件产生冷隔和浇不足等缺陷。因此，为了获得品质良好的铸件，充型速度一般控制在0.5 m/s 左右为宜。

　　4.2 结晶压力的确定

　　实践证明，结晶压力越大，铸件组织越致密，但考虑到密封性和砂芯承受压力有限， 选择结晶时的压力为5 MPa。

　　4.3 保压时间的确定

　　结晶时的压力是为了让铸件在均匀的压力下凝固，从而消除缺陷和获得更好的组织。所以保压时间一定要超过凝固所用的时间，但保压时间过长，会降低生产效率，所以保压时间 和凝固时间相等。由于此铸件壁薄而且尺寸较小，所以采用风冷即可。经预测，冷却所用时间为200~300 s。

　　4.4 浇注温度和模具温度的确定

　　在保证铸件成形的前提下， 浇注温度与模具温度应尽可能低一点。浇注温度和模具温度过高，合金液吸气严重，缩松倾向大，且结晶组织粗大，会降低铸件的力学性能。反之，浇注温度和模具温度太低，缩松倾向虽趋减小，但合金液流动性能降低，补缩能力也降低。在生产中，根据该铸件的结构特点、合金材料和模具种类及冷却散热条件， 确定浇注温度为(720&pmn;10) ℃。模具预热温度为250 ℃。

　　5 铸造工艺过程

　　经过金属型和浇注系统的设计， 得到铸造工艺装备图

　　浇注前先将金属铸型预热到80~150 ℃， 然后在型腔内喷入涂料。喷涂完成后，再将金属型预热到250 ℃。然后启动真空泵并且打开阀门6。这样，型

　　腔中的空气就会被抽走，从而使型腔保持负压状态。在抽气一段时间后，开始浇铸，在浇注过程中一直使型腔处于负压状态。浇铸完成后，关闭真空泵和阀门6，然后向冷却水道通入冷却水。当冷却水通入20 s以后，横浇道已经完全凝固，而铸件芯部还未凝固。此时，打开压力气源和阀门2，向型芯内通入惰性气体，使铸件在内压作用下凝固。当浇注完成200 s 以后，铸件的温度低于再结晶温度，此时不用再加压，关闭阀门2，打开阀门6，使铸件毛坯型腔内的气体压力逐渐降低至常压， 为毛坯的继续冷却所产生的收缩量提供空间。

　　6 结语

　　采用内压铸造工艺生产的薄壁壳型件， 经大量的生产实践验证，设计的工艺参数合理，模具结构可行，铸件品质优良，极大地减少了气孔和缩松、有效地防止了铸造裂纹的产生， 产品的合格率稳定在95%以上。