 摘要：主体壁厚为3mm的铝合金壳体铸件，成形比较困难。因此，设计多种方案，利用3D打印砂型进行浇注验证。结果表明，选择合适的浇注位置并设计合理的浇注系统，有利于薄壁铸件的成形，并利用CAE软件模拟优选出合理的铸造工艺方案。 随着轻量化设计需求的增长，以及铝合金新材料的 研究，铝合金铸件的设计壁厚越来越薄。而传统的砂型 重力铸造在制造薄壁件时存在充型困难、合格率较低等 问题。低压铸造则适用于生产内部品质要求高的 薄壁复杂件。本课题主要分析铝合金薄壁壳体铸件的 充型能力，分析了铸件结构特点及生产难点，利用CAE分析等优化铸造工艺，从而生产出品质合格的产品。 1、铸件性能要求和结构分析 壳体铸件材质为ZL114A，其化学成分为（质量分数）：6.5%～7.5% 的Si，0.25%～0.6%的 Mg，0.15%～0.2%的 Ti，0.05%～0.1%的 Fe，其余为Al，铸件质量要求见表1。
表1：铸件质量要求 铸件结构复杂，呈“C”字形，两侧板中间除底板外无结构连接，底板的散热筋呈垂直设置，底板主体壁厚为3 mm，散热筋板数量多，筋板厚度为4 mm，在右侧 板上有6个铸造通孔，具体结构见图1。
图1：产品结构及筋板局部放大图 1.左侧板 2.底板 3.右侧板 2、铸造工艺设计 铸件结构复杂，主体壁厚薄，高度超过200 mm，充 型过程困难，采用重力铸造可能在底板处憋气，温度下 降太快，导致铝液流动性变差，从而出现浇不足缺陷。采用低压铸造工艺，该浇注方式具有充型过程平稳、卷 气倾向小、铸件内部致密等特点。 根据铸件结构特点，设计两种浇注方案，都从铸件 底板两侧多点进浇，同时起补缩作用。铝液经过横浇道 降速，穿过侧面冒口进入型腔，保证浇注系统温度高于 型腔温度，实现顺序凝固。内浇口设置在底部几何中心，使铝液充型对称平稳，方便低压浇注时进行定位，并利用CAE模拟分析优选出合理的方案。 2.1 方案1 图2为铸造工艺设计方案1，铸件“C”口朝上，由于 两个侧面中间无结构，为防止铸件应力变形，设计3根加强筋，热处理后去除。在加强筋上设置10处出气口，其截面尺寸为5 mm×20 mm，总截面积为1000 mm2。
图2：铸造工艺设计方案1 两个侧板处采用缝隙式浇道，其中侧冒口直径为Φ40 mm，内浇道厚度为12 mm，长度为190 mm。底板处采用非特定形式的浇注系统，铝液充满横浇道后，从16个内浇道进入铸件底板，沿6个Φ40 mm 的圆柱浇道 充型，横浇道、直浇道、内浇道截面积比为1：2.8：4.6。 2.2 方案2 图3为铸造工艺设计方案2，铸件“C”口朝下，采用 缝隙式浇注系统，铸件及浇注系统结构稳定，不设计加 强筋。在铸件上设置8处出气，其截面尺寸为5 mm×20 mm，总截面积为800 mm2。
图3：铸造工艺设计方案2 此浇注系统采用和方案1类似的形式，其中侧冒口直径Φ40mm，内浇口厚度12mm，长度为190mm，横浇道、直浇道、内浇道截面积比为1：2.8：4.6。方案2与方案1浇注系统相比，有着相同的浇口比，但是铝 液进入底板上升高度更高。 3、CAE模拟分析 CAE模拟从充型结束温度、各部位充型时间来对比方案的温度场分布是否均匀，铸件底板部位是否充型迅速，并根据缩松情况判断铸件可能出现缺陷的部位，见图4。可以看出，①充型结束方案1温度场更均匀；②根据铸件各部位充满时间判断铸件重要部位底板，方案1充型更平稳；③去除后，铸件缩松缺陷相当。
图4：两种方案的CAE模拟对比 通过对比，可以看出方案1具有相对较好的温度场分布，更平稳的充型过程。 4、砂型工艺设计 采用3D打印砂型，通过CAE模拟，对比选择确定 浇注位置方案后，使用 UG建模软件进行砂型设计，设 计为3块砂芯，见图5。使用4根螺杆卡具，其中底板 和侧板处的筋板由1号芯成形，筋板中间不产生任何披 缝，无错型，外观良好。砂型长宽方向的正中心设计2 mm宽、2 mm深的凹槽，方便与低压铸造机升液管对 接。
图5：方案1的砂芯组合方案 5、薄壁壳体铸件浇注验证 砂型由国产I-Lead-1800型3D砂型打印机打印，采用100/140目硅砂，打印层厚为0.28 mm。砂型采用水基涂料流涂，涂层厚度≤0.15 mm，并用微波设备烘干。 造型时按照1号、2号、3号顺序组芯，使用螺杆紧固。将 整个铸型放置在低压铸造机上并与升液管对接，对接处 进行可靠密封。使用夹具将整个铸型锁死在低压浇注 机上。 考虑到此壳体铸件形状复杂、壁厚小，充型铝液上 升困难，因此适当的增加压力。压力设置为3个阶段：第一阶段：0~6 s，升液压力增加到7 kPa；第二阶段：6~18 s,，充型压力增加到40 kPa；第三阶段：18~300 s,以40 kPa持续保压。 铸件成形完好，筋板成形完整，表面无缺陷，铸件外观见图6；铸件实体取样的抗拉强度为310 MPa，伸长率为2.5 %，性能符合要求。
图6：方案1的浇注结果 6、结论 通过合理的设计浇注系统，采用大平面结构朝下的 浇注位置，采用多点进浇，快速完成充型，避免温度场差 异过大，冷的金属液分布在大平面结构上，并通过CAE软件进行内浇道流速、卷气、充型过程及充型结束的温 度场分布分析，选择合适的浇注方案，生产出合格的薄壁铸件。 作者：
李栋 马原 梁继亚 来源：特种杂志 |
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