文章导读

铝合金储油柜铸件结构复杂、壁厚差异大，采用传统砂型重力铸造极易出现缩孔、缩松缺陷。本研究结合AnyCasting软件模拟结果进行工艺优化，采用金属型低压铸造，配合保温冒口、工艺补贴及局部冷却设计，成功解决了关键部位的凝固缺陷问题，为同类薄壁铝合金铸件的铸造工艺设计提供了可借鉴的技术路径。

储油柜铸件结构

储油柜材料为A356铝合金，毛坯质量为27.65 kg，轮廓尺寸为609 mm×585 mm×530 mm，如图1所示。铸件成形质量要求不能有缩孔、缩松、夹杂物、气孔和针孔等超标铸造缺陷。按照ASTM E155标准对铸件成品进行探伤，探伤等级均要求为I级。

（a）三维结构

（b）探伤部位

图1 铝合金储油柜铸件结构及探伤部位

该储油柜为典型薄壁复杂铸件（图2）。上端法兰、底部中心四周及筋所在部位壁厚较大，最大壁厚为27 mm；两侧吊装孔壁厚较薄，为5 mm；中间部位壁厚约7 mm。

图2 铝合金储油柜铸件壁厚

原砂型铸造工艺方案及缺陷分析

根据铸件结构，同时考虑生产成本，初始工艺采用砂型重力铸造，采用上下分型结构。铸型与制芯均为自硬呋喃树脂砂，浇注系统选用顶注式。为补缩热节及壁厚较大部位，采用浇冒一体式补缩通道。为保证探伤部位的成形质量，在端面和两侧中心孔处均放置冷铁，以加速凝固。为避免合金熔体直接冲击砂芯，同时过滤熔体中的夹渣，在浇道处设置孔径为20 μm的陶瓷过滤网，在小圆端顶部设置3处排气针，见图3。

图3 铝合金储油柜砂型铸造工艺模型

采用AnyCasting软件对砂型铸造工艺进行模拟，结果表明：该工艺下缺陷位置多而分散，底部法兰存在缩孔、缩松等缺陷（图4）；充型过程极易出现紊流与卷气现象，进而形成气孔缺陷（图5）。

图4 砂型铸造工艺方案铸件缺陷预测

（a）充型75%                                       （b）充型95%
图5 铸件充型过程数值模拟结果

浇注所得铸件X射线探伤结果（图6）证实，缺陷主要发生在两侧面中心圆孔周围与密封槽内。尽管局部设置了冷铁，但薄壁主体远离冒口，补缩通道不畅通，从而形成了缩孔、缩松缺陷。

图6 砂型铸造储油柜铸件X射线探伤结果

工艺优化：金属型低压铸造

成形工艺改为金属型低压铸造，有助于实现平稳充型、细化晶粒。为形成顺序凝固，便于补缩，铸件浇注方式如图7所示。

采用法兰端面向上的方案，将厚壁部位置于下端，靠近浇道。

增设补缩与冷却措施：将与端面法兰相连接的主体外形壁厚增至8 mm；在法兰面上端设置保温冒口，从而对整个厚平面进行凝固补缩；在两侧中心孔上部分别增加补缩通道，并在中心孔四周端面增加水雾冷却镶块，以加速孤立热节的凝固。

考虑工艺改进后铸件的收缩受阻差异，对铸件外壁两个吊装部分的根部采用圆角过渡，增加2°拔模斜度，同时在模具内腔和型芯喷涂脱模涂料，卸压后 220 s 开模，以避免收缩开裂。

图7 改进后的铸造工艺

采用AnyCasting软件对改进后的低压铸造工艺进行模拟，结果如图8所示。仅下方分流锥对应的浇口部位出现局部缩松，该部位在后续加工中会被去除，对铸件质量无影响。整个铸件实现了顺序凝固，缩孔、缩松缺陷转移到冒口和浇注系统中，法兰端面周围和两侧中心圆热节处均无缩孔、缩松缺陷出现。

图8 改进后的低压铸造工艺方案数值模拟结果

优化工艺生产验证

优化工艺下浇注所得铸件外观及内腔表面质量良好，无肉眼可见缺陷（图9）。对关键部位进行X射线探伤（图10）未发现缩孔、缩松缺陷。试制的储油柜铸件均合格。

图9 金属型低压铸造铸件实物

图10 低压铸造储油柜铸件的X射线探伤结果

结论

（1）铝合金储油柜成形质量要求较高，原工艺采用砂型重力铸造，由于铸件主体壁厚较薄，不能形成有效的补缩通道对热节处进行补缩，导致铸件探伤部位存在缩孔、缩松缺陷。

（2）将工艺改为金属型低压铸造，使铸件带法兰端面朝上，通过增加保温冒口和工艺补贴，以及局部增加冷却的优化方案，利用铸造模拟软件对工艺过程进行数值模拟分析，最后生产出质量合格的储油柜铸件，证明了优化后工艺的可行性。

作者

《铝合金储油柜铸造工艺数值模拟与优化》

刘春伟，李兴华，蒋永浩，顾生达，李寿坤，冯柳，赵而团*