横梁型铸铝隔板砂型铸造工艺设计及优化研究

横梁型铸铝隔板砂型铸造工艺设计及优化研究

褚渝林

重庆钢铁股份有限公司重庆市401258

摘要：为了研究无模精密砂型制备方法现状与技术发展，通过笔者重庆钢铁股份有限公司多年工作经验。在理论结合实际的前提下参数主流的无模精密砂型制备方法主要集中在激光烧结原理、三维打印原理和数控加工原理三大类。并最终以某横梁型铸铝隔板砂型铸造实例全方位展示相关技术发展现状，为同行提供建设性意见。

关键词：砂型铸造；工艺设计；优化；测试

1引言

随着社会的进步与技术的发展。传统的铸造工艺凭借其技术稳定性和经济合理性有着显著的综合优势。其中砂型铸造工艺在工序上较为简单，且原材料获取方便，可以在广泛的合金铸造场景下进行灵活运用。因为设备设施的价格合理所以在国内外被广泛运用。但是因为相关精度要求不高且磨具具有误差性所以在精密部件加工上部适应于航空、航天和国防领域的要求。当前随着数控机床的出现和3D打印技术的提升，运用精密砂型铸造成为了可能。而随着新材料的运用采用无模精密砂型快速铸造能在保证精度的同时提高工效，极大节约成本，将制作复杂程度和铸件产出率提高一个档次。尤其是在叶轮、叶片等复杂构件和单件、小批量特殊构件的上缩短整体装备研发时间之50%左右。当前主流的无模精密砂型制备方法主要集中在激光烧结原理、三维打印原理和数控加工原理三大类。本文以某横梁型铸铝隔板砂型铸造实例全方位展示相关技术发展现状，为同行提供建设性意见。

2铸造工艺

某工厂接受一批横梁型铸铝隔板生产任务，因为该构件为空航天领域实验器材所用，设计精度要求高，后续供货量大。所以需要对当前生产工艺进行优化，根据设计要求所述，该构件外观平整，结构较为简单，先期进行小批量生产试制，技术选材为铝合金铸件，技术参数要求为抗拉强度需大于390MPa，伸长率大于8%，布氏硬度大于100HBW。铸模工艺上因为铝合金材质所以运用含氮量高的树脂材料进行保护，保证成品合格率。通常业内常用呋喃树脂进行低成本下的铸铁件、铸钢件和非铁合金铸件的小批量单件生产。并运用Viewcast过程模拟软件进行辅助设计，在有限元分析框架下进行构件的温度场、固相分数、液态金属流动过程时间和充型速度场变化等多重可测物理量模拟。全面帮助真实生产环境下的铸造缺陷预测及修补。

经过进一步材料优选，确定运用编号为ZL201特种材料，该种材料主体为铝铜锰系列的超硬高强铝合金，在成本框架下复合较高的力学和热学性能。能胜任后续国防实验下的技术要求。由于技术保密性现略去具体零部件尺寸描述，做宏观三维铸件图1展示。

图1三维实体图

在浇注系统设计中，铝合金具有活性强、易氧化、易结皮、易吸入等特点;密度低、熔点低、比热容小、降温快、固体收缩率大、易形成非金属夹杂物、浇注和保温不足、气孔、收缩裂缝、变形等缺陷。因此，浇注系统的设计要求液态金属能够快速、平稳地填充，浇注系统中不产生涡流，浇注系统应具有较强的挡渣能力。中间注浆浇注系统具有上浇和下浇的优点。广泛应用于生产中。适用于壁厚均匀、高度小的中小型合金铸件。结合铸件的形状和尺寸，中间容易划分，采用中间注浆浇注系统。

根据铸件的形状，初步确定内浇道的数量和内浇道的总横截面积分别为4和13cm2。由于平内浇道能有效防止炉渣的摄入，调节浇注温度和凝固顺序，故采用平内浇道。设计的内流道高度为5mm，上宽39mm，下宽41mm。根据铝合金浇注系统各部件的截面比，选择F直:F横:F内=1:3:3。因此，直流道的理论截面积为4.3cm2。根据铝铸件浇注重量与直浇道断面面积的经验关系，直浇道直径范围分别为22-25mm和23mm。流道的理论横截面积为13cm2。流道设计成梯形。梯形高度为32mm，上、下浇道宽度分别为32mm和40mm。门杯是杯形的。铝合金铸件一般采用顶部立管。根据铸件的形状，初步制定四个立管。立管的根节的大小39毫米x15毫米，立管的高度是1.3倍立管的直径的根,即54毫米，立管的倾向是5度。

3铸造工艺优化

3.1浇注系统优化设计

该方面的设计优化需要根据以往现场经验，将原冒口适当增高300mm，然后改装升级为保温冒，保证补缩范围相对原来略有提高。根据冒口直径小于准150mm核算，现冒口套厚25mm。然后根据反应温度进行构件浇筑过程中前端杆部缺陷位置的矩形截面有限补缩。在此笔者设置有4个冒口。并根据相关行业标准进行缺陷大小科学计算，最终得：冒口的底部尺寸为16mm×32mm，顶部尺寸为16mm×41mm，高度为48mm。

3.2铸件凝固过程模拟分析

通过相应铸件凝固过程数值模拟结果，展开相关优化，通过建模可知，铸件前端杆部与加强筋的连接部位先于该位置的冒口凝固。而原缺陷通过冒口补缩几乎完全得到消除。因此，改进后的工艺方案可行，并根据该工艺进行了生产，得到的铸件固溶时效处理，最终确认工艺参数为：（540±5）℃×5h，70℃水冷，（175±5）℃×3h空冷。观察发现，铸件无明显的缩孔、缩松等缺陷。

4材料组织分析及性能测试

在金相组织分析方面。从铸件上切割试样，用Cr2O3水溶液抛光，再用腐蚀性溶液擦拭3秒。采用HF:HNO3:water=3:4:100制得腐蚀溶液。试样的微观结构以看出，浓密的黑色小颗粒晶体中第二阶段T(Al12CuMn2)沉淀在淬火加热，但没有二次相位T在原始晶界沉淀，和白色的共晶的晶界Al2Cu2阶段和α阶段。

试样性能测试结果方面。铸件主要用于航空航天领域，要求高强度、高硬度，硬度大于100HBW，抗拉强度大于390MPa，伸长率大于8%。测试了铸件的力学性能。结果表明，该合金的平均硬度为117.3HBW，抗拉强度为413mpa，延伸率为11%。可以看出，铸件的力学性能符合技术要求。

6结语

砂型铸造技术应用中，模具设计与制造是关键所在，现代技术手段在砂型铸造模具设计和制造中的应用，为社会资源的变革发展提供了发展新动力。

参考文献

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