ZL104骨架结构差压铸造工艺优化.pdf

2023 年第 5 期有色合金与技术7ZL104 骨架结构差压铸造工艺优化某骨架铸件结构复杂，尺寸精度及内部质量要求高。前期采用重力铸造工艺进行试制未取得良好效果，铸件存在气孔、缩松甚至缩裂等缺陷。为了消除这些铸造缺陷，提高铸件质量，拟采用差压铸造技术进行浇注及成形1。1铸件的基本情况骨架铸件的结构及主要尺寸如图 1 所示。铸件材料为 ZL104，最大轮廓尺寸约为 430 mm700 mm，重量38 kg。上下两端的内法兰高 42 mm、厚 22 mm，外壁厚14 mm，中间隔板厚 15 mm，隔板两端不加工部分厚度分别为 7 mm，10 mm，隔板与内壁交接处有十余个 7 mm 厚的筋板及 3 个厚大的圆凸台，其中两个凸台 90 mm，另一个 72 mm，隔板上有一个 200 mm40 mm 的方形窗口及一个爪状结构。利用 UG 建立铸件三维模型如图2 所示。图 2 铸件三维模型Fig.2 3D model of casting按设计要求进行 100%的 X 光探伤检查，要求组织均匀致密。进行 100%的荧光检查，外观不允许有缩孔、气孔、夹砂、裂纹等铸造缺陷。所有铸件要全尺寸划线检查，铸造尺寸精度 CT9 级。按HB 963 铝合金铸件I 类铸件验收。生产过程中主要的技术难点：（1）铸件结构复杂，由图 2 可见存在 7 mm 厚的薄筋板，较难保证所有筋板能浇注成形。另外，铝液在复杂型腔内流动易发生液流之间的分离及合并，此时易将铝液裹挟的氧化皮及气体留在型腔内形成气孔夹渣缺陷。（2）该铸件尺寸精度要求为 CT9 级，非加工面的壁厚公差 1 mm。该铸件两侧圆弧壁的内壁均为非加工面，在模型制作、砂芯装配过程中通过手工造型保证不超出公差范围难度较大，且铸件圆弧壁在合金凝固及热处理过程中会发生变形，加大了尺寸精度的控制难度。（3）中隔板与圆弧壁交界处有 3 个厚大凸台，易产生缩松、缩裂缺陷。马亮，古良，李鑫，吴昊（陕西黄河集团有限公司，陕西 西安 710043）摘要：根据 ZL104 铸件的结构特点进行工艺分析及设计，确定了造型方式与浇注系统。利用数值模拟软件对差压铸造充型及凝固过程进行模拟，预测铸造缺陷位置，分析形成原因，并通过调整冷铁的材质与厚度实现铸件顺序凝固。采用优化后的工艺方案进行实际生产，得到合格铸件。关键词：差压铸造；数值模拟；铸造工艺中图分类号：TG27文献标识码：B文章编号：1673 3320（2023）05 0007 05收稿日期：2023-06-06修定日期：2023-07-07作者简介：马亮（1985-），男，汉族，毕业于西安交通大学机械设计制造及其自动化专业，工程师，主要从事铝合金铸件生产，E-mail:。图 1 骨架铸件的结构及主要尺寸Fig.1 Structure and main dimensions of skeleton casting82023 年第 5 期有色合金与技术2工艺分析及设计结合前期试制的经验，选择差压铸造工艺。2.1浇注位置的选择从结构上看，铸件可采用如图 1 左侧视图所示的立式浇注或如图 2 所示的两种卧式浇注。如采用图 2（a）的卧式浇注，通过在中隔板设置扁浇道，两侧圆弧壁设置缝隙式浇道，有利于铝液充满型腔，也有利于中隔板及厚大部位的补缩。但圆弧壁上的缝隙浇口对后续的清理浇冒口工序及机加工序带来了很多不便，难以将缝隙浇口清除到根部。另一方面中隔板水平放置不便于型腔内的气体及夹渣的排出，容易在大平面上形成气孔夹渣缺陷。如采用图 2（b）的卧式浇注，在下半圆弧上设置扁浇道，在中隔板两端设置缝隙式浇道可以使中隔板及下半圆弧壁得到很好的补缩。但中隔板靠近下半圆弧壁的部分存在一段厚度仅为 7 mm 的不加工结构（如图 1右上角视图中隔板左侧的 7 mm 尺寸）。铝液由此狭小的缝隙进入型腔会产生喷溅进而导致大量的氧化夹渣形成，这些氧化夹渣随着液面升高将大量聚集在上半圆弧壁中难以排出，同时上半圆弧壁的补缩也非常困难，容易产生缩松缺陷。如采用图 1 所示的立式浇注，铸件所有的大平面均为直立放置，有利于铝液平稳充型，也有利于气孔夹渣排出，相对于前面两种浇注方式可降低气孔夹渣缺陷产生的概率。而且圆弧壁上的缝隙浇道和底部的扁浇道都很方便清理和加工。虽然铝液充型高度较高会产生充型时间长，铸件顶部补缩效果差的问题，但考虑到差压浇注充型能力好，补缩效果强的特性，通过在底部设置扁浇道，在两侧圆弧壁上设置缝隙式浇道，可以使铸件所有部位均得到良好的补缩。因此决定采用立式浇注方案。2.2工艺拉筋的设计该铸件结构为中隔板隔开的两个断开的圆弧腔（如图 1 右上视图所示），在铸件凝固及后续的热处理过程中容易产生“张口”的变形，因此在铸件的两个腔的上、中、下部位分别加了 3 根 20 mm20 mm 的环形拉筋以防止铸件产生变形，如图 3（a）所示。2.3浇注系统的设计为使铝液平稳充型同时对铸件整体进行补缩，在铸件底部中隔板及两个圆弧壁的位置设置扁浇道。因铸件高度较高，底部的浇道对铸件顶部的补缩作用变差，同时考虑要加强对中隔板与圆弧壁交界处 3 个厚大凸台的补缩，在铸件的圆弧壁上设置 4 个缝隙式浇注系统，其中两个缝隙浇道正对中隔板，浇注系统如图 3 所示。2.4冷铁的设计从图 1 可以看出，中隔板高度较高（700 mm）且两端薄中间厚，仅用底部的扁浇道及其两端的缝隙浇道对其进行完好的补缩有一定的困难。若在中隔板正中的位置设置缝隙浇道则该缝隙浇道的立柱刚好与底部的直浇道重合。在充型时该立柱内的铝液会以远远高于其他部位的速度上升，有可能打乱型腔内铝液的平稳流动，极易引起大量的二次氧化夹渣，因此决定放弃在该处设置缝隙式浇道，改为在中隔板上铺满冷铁以加快该处的激冷，强化底部扁浇道及两侧缝隙浇道对该部位的补缩作用。（a）环形拉筋示意图 （b）冷铁示意图图 3 骨架铸件浇注系统三维图Fig.3 3D drawing of casting system for skeleton casting为了细化晶粒、强化浇注系统的补缩作用、提高铸2023 年第 5 期有色合金与技术9件的力学性能，采用半金属型的工艺方法，在两圆弧壁的外侧加工面上铺满冷铁。为了避免厚大部位再次出现试制时严重的缩裂情况，对于 3 处厚大的凸台部位放置铜制成形冷铁以加速其凝固速度，使该部位尽可能早的凝固从而可以得到缝隙浇道的补缩。2.5砂芯及芯盒的设计铸件圆弧壁与中间隔板相交部位有较多的筋板、厚大的圆凸台以及一个凸爪，为此采用树脂砂组芯造型工艺。砂芯设计如图 4 所示，中间形成铸件内腔非加工面的两个砂芯极为重要，是保证铸件尺寸能否达到 CT9级的关键所在，为方便制芯工填砂制芯，将芯盒设计成“躺倒式”。芯盒结构如图 5 所示。图 4 砂芯装配分解图Fig.4 Sand core assembly drawing （a）1#芯盒 （b）2#芯盒图 5 芯盒设计图Fig.5 Core box design3应用数值模拟技术辅助优化工艺3.1材料参数及边界条件设置ProCAST 模块具有简单的材料热物性计算功能，可依据给出的合金主要成分，利用夏尔模型或杠杆定律计算相关基本热物性参数2。所用 ZL104 合金的部分热物性参数如下表 1 所示。表中仅列出部分数值，具体计算采用的参数均与温度有关。浇注温度 720，铸型及冷铁温度为 25。表 1 合金的热物性参数 Tab.1 Thermophysical parameters of alloy名称数值单位密度2.39103kg/m3导热率180W/mK液相线温度600固相线温度5773.2凝固过程数值模拟分析及工艺优化3.2.1铸件凝固温度场模拟分析应用 ProCAST 对铸件凝固过程进行了模拟，以分析该浇注条件下，铸件的凝固温度场变化规律及凝固缺陷分布。图 6 为铸件凝固过程模拟结果。（a）凝固开始 （b）凝固中 （c）凝固结束图 6 铸件凝固过程温度场变化模拟结果Fig.6 Simulation results of temperature field change in casting solidification process由图 6 的凝固过程温度场变化可以看出，铸件整体凝固顺序较为紊乱。虽然中隔板铺满冷铁，其凝固速度比浇道快，但因冷铁厚度设置的过厚，使得中隔板靠近浇口的部位过早的凝固，隔板中心散热条件较差的部位还未凝固完全时补缩通道已被阻断，因此极有可能在该部位形成缩孔、缩松类凝固缺陷。图 7 为铸件凝固缺陷模拟预测结果。由该图可见，图 7 铸件凝固缺陷模拟预测结果Fig.7 Simulation prediction results of casting solidification defects102023 年第 5 期有色合金与技术凝固缺陷主要集中在铸件中隔板中心部位，与上述温度场分析结果一致。缺陷形成是由于铸件凝固过程中，中隔板中心部位凝固速度慢于靠近浇道的部位，补缩通道过早的阻断使得中隔板中心部位得不到浇道良好的补缩，从而可能导致缩孔、缩松类缺陷。3.2.2铸件凝固温度场控制及工艺优化由上述模拟结果可以看出，该铸件的凝固顺序不合理由于该铸件边缘凝固速度快，中心凝固滞后，铸件中的缩孔缩松类凝固缺陷主要集中在隔板中心位置。为了建立合理的凝固顺序，加强浇口及立柱的补缩作用，采取更改冷铁分布，具体措施为：中隔板部位，中间厚、两侧薄，上边厚、下边薄；外壁上，从上到下冷铁厚度逐渐减薄。顶部 42 mm 高的内法兰的内侧铺放成型铜制冷铁。对优化后工艺方案的凝固过程进行了数值模拟，计算得到的凝固温度场变化情况如图 8 所示。（a）凝固开始 （b）凝固中 （c）凝固结束图 8 更改冷铁设置后铸件凝固过程温度场变化模拟结果Fig.8 Simulation results of temperature field changes in casting solidification process after cold iron setting由图 8 可见，更改冷铁设置后，铸件顶部及中隔板中心部位先冷却，立柱及内浇道和横浇道最后凝固，铸件实现了良好的自上而下、自铸件向浇道的顺序凝固。图 9 为优化冷铁设置后铸件凝固缺陷预测结果。由图中可以看出，铸件中原有的中心缩孔、缩松缺陷消失，说明实现顺序凝固后，保证了铸件各部分都能得到浇道良好的补缩，铸件内各种缩孔、缩松缺陷的发生概率大大降低。4铸件生产验证按照该方案设计制作金属模具并进行试生产，验证优化后的工艺方案是否可行。模具的铸造缩尺为 1%，出模斜度为 1。浇注参数如表 2 所示。表 2 浇注工艺参数Tab.2 Casting process parameters参数备注升液速率4 kPa/s充型速率4 kPa/s增压速率3 kPa/s时间：2 s结壳增压0.5 kPa/s时间：10 s凝固增压4.0 kPa/s时间：3 s保压时间500 s浇注温度710720 开箱时间 24 h。经开箱、落砂、清理、切割浇冒口后在划线平台上对铸件进行全尺寸划线检查，然后用X 射线无损探伤系统对铸件进行探伤。经检验，铸件尺寸及 X 射线探伤结果均达到了 HB 962 对 I 类铸件的要求。铸件实物如图 10 所示。图 10 铸件实物照片Fig.10 Casting photos图 9 采取温度场控制措施后铸件缺陷预测结果Fig.9 Prediction results of casting defects after controlling temperature field2023 年第 5 期有色合金与技术115结语按照此工艺方案生产了近百件铸件，期间又根据铸件偶发的缺陷略微调整了增压速率参数，采取措施加强了冷铁厚度及冷铁之间间隙的控制，最终铸件一次交验合格率达到 91.3%，焊后合格率达到 96.1%。参考文献1王慧东，杨一鸣，孙曲平.反重力铸造装备技术的应用与发展 J.山东工业技术，2014（3）：6.2毛红奎，徐宏.铸造过程模拟仿真及工艺设计 M.北京：国防工业出版社，2011.Process Optimization of ZL104 Skeleton Structure Casting for Counter Pressure CastingMA Liang,GU Liang,LI Xin,WU Hao(Shaanxi Yellow River Group Co.,Ltd.,Xi an 710043,Shaanxi China)Abstract:The process analysis and design of ZL104 casting were carried out through the structural characteristics.The molding mode and pouring system were determined.Numerical simulation software was used to simulate the filling and solidification process of counter pressure casting,predict the location of casting defects,and analyze the formation reasons.The castings can be sequentially solidified by adjusting the material and thickness of the cold iron.The optimized process plan was adopted for actual production and qualified castings were obtainedKey words:counter pressure casting;numerical simulation;casting process（编辑：杨杨，；编审：范金辉，）“一链一策一批”中小微企业融资促进行动通知为加快构建中小微企业融资促进良好生态，推动中小微企业高质量发展，工业和信息化部、中国人民银行、金融监管总局、中国证监会、财政部等五部门组织开展“一链一策一批”中小微企业融资促进行动。行动明确围绕制造业重点产业链，建立“政府-企业-金融机构”对接协作机制，摸清产业链上中小微企业名单，了解企业融资需求，鼓励金融机构结合产业链特点，立足业务特长，“一链一策”提供有针对性的多元化金融支持举措，优质高效服务一批链上中小微企业，持续提升中小微企业融资便利度和可得性，加大金融支持中小微企业专精特新发展力度。同时，提出了七项工作举措：选择重点产业链，构建融资促进生态；深入调研走访，加强涉企信息归集；优化授信服务策略，提升信贷融资质效；完善融资增信策略，优化担保服务模式；优化上市培育策略，助力对接资本市场；完善股权投资策略，激发专精特新企业；丰富综合服务策略，支持多样化融资需求。此外，指出了强化组织协调保障、加强政策协同保障、做好培训服务保障等三项保障措施。各地工业和信息化主管部门、人民银行分支机构、金融监管总局派出机构、证券监管机构、财政部门要加强对融资促进行动的跟踪分析，总结推广典型经验，及时报告重大问题，共同推动中小微企业融资促进工作走深走实。（来源：中国政府网，本刊节选改编，链接：https:/