摘要：主體壁厚為3mm的鋁合金殼體鑄件，成形比較困難。因此，設(shè)計(jì)多種方案，利用3D打印砂型進(jìn)行澆注驗(yàn)證。結(jié)果表明，選擇合適的澆注位置并設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)，有利于薄壁鑄件的成形，并利用CAE軟件模擬優(yōu)選出合理的鑄造工藝方案。

隨著輕量化設(shè)計(jì)需求的增長(zhǎng)，以及鋁合金新材料的 研究，鋁合金鑄件的設(shè)計(jì)壁厚越來(lái)越薄。而傳統(tǒng)的砂型 重力鑄造在制造薄壁件時(shí)存在充型困難、合格率較低等 問(wèn)題。低壓鑄造則適用于生產(chǎn)內(nèi)部品質(zhì)要求高的 薄壁復(fù)雜件。本課題主要分析鋁合金薄壁殼體鑄件的 充型能力，分析了鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及生產(chǎn)難點(diǎn)，利用CAE分析等優(yōu)化鑄造工藝，從而生產(chǎn)出品質(zhì)合格的產(chǎn)品。

1、鑄件性能要求和結(jié)構(gòu)分析

殼體鑄件材質(zhì)為ZL114A，其化學(xué)成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：6.5%～7.5% 的Si，0.25%～0.6%的 Mg，0.15%～0.2%的 Ti，0.05%～0.1%的 Fe，其余為Al，鑄件質(zhì)量要求見(jiàn)表1。

表1：鑄件質(zhì)量要求

鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，呈“C”字形，兩側(cè)板中間除底板外無(wú)結(jié)構(gòu)連接，底板的散熱筋呈垂直設(shè)置，底板主體壁厚為3 mm，散熱筋板數(shù)量多，筋板厚度為4 mm，在右側(cè) 板上有6個(gè)鑄造通孔，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及筋板局部放大圖

1.左側(cè)板 2.底板 3.右側(cè)板

2、鑄造工藝設(shè)計(jì)

鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主體壁厚薄，高度超過(guò)200 mm，充 型過(guò)程困難，采用重力鑄造可能在底板處憋氣，溫度下 降太快，導(dǎo)致鋁液流動(dòng)性變差，從而出現(xiàn)澆不足缺陷。采用低壓鑄造工藝，該澆注方式具有充型過(guò)程平穩(wěn)、卷 氣傾向小、鑄件內(nèi)部致密等特點(diǎn)。

根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)兩種澆注方案，都從鑄件 底板兩側(cè)多點(diǎn)進(jìn)澆，同時(shí)起補(bǔ)縮作用。鋁液經(jīng)過(guò)橫澆道 降速，穿過(guò)側(cè)面冒口進(jìn)入型腔，保證澆注系統(tǒng)溫度高于 型腔溫度，實(shí)現(xiàn)順序凝固。內(nèi)澆口設(shè)置在底部幾何中心，使鋁液充型對(duì)稱平穩(wěn)，方便低壓澆注時(shí)進(jìn)行定位，并利用CAE模擬分析優(yōu)選出合理的方案。

2.1 方案1

圖2為鑄造工藝設(shè)計(jì)方案1，鑄件“C”口朝上，由于 兩個(gè)側(cè)面中間無(wú)結(jié)構(gòu)，為防止鑄件應(yīng)力變形，設(shè)計(jì)3根加強(qiáng)筋，熱處理后去除。在加強(qiáng)筋上設(shè)置10處出氣口，其截面尺寸為5 mm×20 mm，總截面積為1000 mm2。

圖2：鑄造工藝設(shè)計(jì)方案1

兩個(gè)側(cè)板處采用縫隙式澆道，其中側(cè)冒口直徑為Φ40 mm，內(nèi)澆道厚度為12 mm，長(zhǎng)度為190 mm。底板處采用非特定形式的澆注系統(tǒng)，鋁液充滿橫澆道后，從16個(gè)內(nèi)澆道進(jìn)入鑄件底板，沿6個(gè)Φ40 mm 的圓柱澆道 充型，橫澆道、直澆道、內(nèi)澆道截面積比為1：2.8：4.6。

2.2 方案2

圖3為鑄造工藝設(shè)計(jì)方案2，鑄件“C”口朝下，采用 縫隙式澆注系統(tǒng)，鑄件及澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不設(shè)計(jì)加 強(qiáng)筋。在鑄件上設(shè)置8處出氣，其截面尺寸為5 mm×20 mm，總截面積為800 mm2。

圖3：鑄造工藝設(shè)計(jì)方案2

此澆注系統(tǒng)采用和方案1類似的形式，其中側(cè)冒口直徑Φ40mm，內(nèi)澆口厚度12mm，長(zhǎng)度為190mm，橫澆道、直澆道、內(nèi)澆道截面積比為1：2.8：4.6。方案2與方案1澆注系統(tǒng)相比，有著相同的澆口比，但是鋁 液進(jìn)入底板上升高度更高。

3、CAE模擬分析

CAE模擬從充型結(jié)束溫度、各部位充型時(shí)間來(lái)對(duì)比方案的溫度場(chǎng)分布是否均勻，鑄件底板部位是否充型迅速，并根據(jù)縮松情況判斷鑄件可能出現(xiàn)缺陷的部位，見(jiàn)圖4。可以看出，①充型結(jié)束方案1溫度場(chǎng)更均勻；②根據(jù)鑄件各部位充滿時(shí)間判斷鑄件重要部位底板，方案1充型更平穩(wěn)；③去除后，鑄件縮松缺陷相當(dāng)。

圖4：兩種方案的CAE模擬對(duì)比

通過(guò)對(duì)比，可以看出方案1具有相對(duì)較好的溫度場(chǎng)分布，更平穩(wěn)的充型過(guò)程。

4、砂型工藝設(shè)計(jì)

采用3D打印砂型，通過(guò)CAE模擬，對(duì)比選擇確定 澆注位置方案后，使用 UG建模軟件進(jìn)行砂型設(shè)計(jì)，設(shè) 計(jì)為3塊砂芯，見(jiàn)圖5。使用4根螺桿卡具，其中底板 和側(cè)板處的筋板由1號(hào)芯成形，筋板中間不產(chǎn)生任何披 縫，無(wú)錯(cuò)型，外觀良好。砂型長(zhǎng)寬方向的正中心設(shè)計(jì)2 mm寬、2 mm深的凹槽，方便與低壓鑄造機(jī)升液管對(duì) 接。

圖5：方案1的砂芯組合方案

5、薄壁殼體鑄件澆注驗(yàn)證

砂型由國(guó)產(chǎn)I-Lead-1800型3D砂型打印機(jī)打印，采用100/140目硅砂，打印層厚為0.28 mm。砂型采用水基涂料流涂，涂層厚度≤0.15 mm，并用微波設(shè)備烘干。

造型時(shí)按照1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)順序組芯，使用螺桿緊固。將 整個(gè)鑄型放置在低壓鑄造機(jī)上并與升液管對(duì)接，對(duì)接處 進(jìn)行可靠密封。使用夾具將整個(gè)鑄型鎖死在低壓澆注 機(jī)上。

考慮到此殼體鑄件形狀復(fù)雜、壁厚小，充型鋁液上 升困難，因此適當(dāng)?shù)脑黾訅毫Α毫υO(shè)置為3個(gè)階段：第一階段：0~6 s，升液壓力增加到7 kPa；第二階段：6~18 s,，充型壓力增加到40 kPa；第三階段：18~300 s,以40 kPa持續(xù)保壓。

鑄件成形完好，筋板成形完整，表面無(wú)缺陷，鑄件外觀見(jiàn)圖6；鑄件實(shí)體取樣的抗拉強(qiáng)度為310 MPa，伸長(zhǎng)率為2.5 %，性能符合要求。

圖6：方案1的澆注結(jié)果

6、結(jié)論

通過(guò)合理的設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，采用大平面結(jié)構(gòu)朝下的 澆注位置，采用多點(diǎn)進(jìn)澆，快速完成充型，避免溫度場(chǎng)差 異過(guò)大，冷的金屬液分布在大平面結(jié)構(gòu)上，并通過(guò)CAE軟件進(jìn)行內(nèi)澆道流速、卷氣、充型過(guò)程及充型結(jié)束的溫 度場(chǎng)分布分析，選擇合適的澆注方案，生產(chǎn)出合格的薄壁鑄件。