复合式浇注系统在大型铝合金铸件中的运用

董 行，李亚辉，龚大军

（襄阳航力机电技术发展有限公司，湖北 襄阳441000）

随着国内铸造工业发展，大型铝合金铸件越发常见，产品质量要求也越来越高。与中型铝合金铸件不同，大型铝合金铸件的铸造工艺方案设计往往要求更高。本文以某大型铝合金壳体铸件（见图1）为研究对象（该铸件是我公司已承接产品中最重的铸件，其生产模式为小批量生产，铸造方法为砂型铸造），研究了此大型铝合金铸件铸造工艺的开发和定型过程，旨在为铸造工艺方案之浇注系统设计给出参考，亦对相似结构的大型铝合金铸件开发有着借鉴意义[1-8]。

图1 某大型铝合金壳体铸件示意图

1 铸造工艺初始设计方案

该铸件结构类型为筒型，筒两端有大面法兰，轮廓尺寸达Φ970 mm×790 mm，平均壁厚36 mm，铸件毛坯重量达540 kg，材料为ZL105A；类别为Ⅱ类铸件，具有体积大、表面积大等特点。体积大要求补缩的金属液量多，如果补缩系统设计不良或补缩措施不当，就易出现缩孔、缩松等收缩类缺陷，铝合金熔液在充型过程中产生的铝液泡沫和夹渣多，即铸件顶层一定需要留有足够余量层，以便聚集和捕捉充型过程中上浮泡沫和夹渣，依此将铸件顶部（即冒口下方）余量设计为12 mm。表面积大意味着如果浇注系统设计不佳，在充型过程中铸件表面就易产生气孔、夹渣等组织缺陷。

为提高铸型强度，减少铸型与金属液反应及造型用芯骨使用，方便造型作业，将铸型材料由普通型砂改成冷硬树脂砂硬化成型。冷硬树脂砂砂芯在使用前于200℃烘烤3 h，以除去水汽及树脂，减少砂芯发气量。并增加补点冒口的辅助工艺提高冒口的补缩效率，保证冒口温度始终能补给铸件。但首批生产的5件壳体铸件，在机械加工结束后，发现在铸件厚壁法兰一侧即冒口根部下方，法兰面机加工表面出现了成组夹渣和气孔，导致铸件全部报废。其初始工艺的主要设计如下。

1.1 浇注系统的初始设计

（1）铸件充型时间

式中，HC为铸件高度（含冒口高度），cm；VP为型腔内合金液面的平均上升速度，cm/s；τ为金属液从开始进入铸型型腔至型腔充满所用的时间，s。

按充填至冒口型腔一半计算，此铸件HC=790 mm+（280 mm÷2）=93 cm；铝合金铸件经验值VP=1.30；计算

（2）浇注系统浇道比

式中：F阻为铝合金铸件浇注系统阻流截面积，cm2；m为铸件的质量（含浇冒口系统），g；ρ为金属液的密度，g/cm3；μ为浇注系统阻流截面的流量系数[1-4]；τ为金属液从开始进入铸型型腔至型腔充满所用的时间，s；g为重力加速度，m/s2；HP为作用在内浇道中金属液上的实际压高的平均计算值，cm（如表1）。

表1 浇注系统参数及计算

由于存在充型流量系数小于流量系数等其它因素，直浇道直径尺寸按35 mm设计。

大型铝合金铸件使用砂型铸造时，常用的浇注系统截面积比例[2-3]为∑F值∶∑F横∶∑F内=1∶2 ～ 5∶2～6，选择浇道比[1-4]为 1 ∶4.5 ∶6。按直浇道直径 35 mm，计算得浇注系统截面积：∑F值=961.6×2（mm2），∑F横=4 327.2 × 2（mm2），∑F内=5 769.6× 2（mm2）。

（3）浇注系统结构

考虑到铸件结构为体积高大的筒状铸件，铸件高度达790 mm。熔化的金属液充满型腔更加需要流动平稳。而从铸件凝固收缩的需求上看，既有纵向的补缩需求，又要求横向有一定补缩作用。浇注系统按内浇道进入铸件的位置通常分为顶注式、中注式、底注式、垂直缝隙式、阶梯式等类，综合比较各种常规浇注系统设计，常规浇注系统设计多应于中小型铸件，各自具有一定的应用局限性。对于轮毂铸件，为得到平稳的充型过程和恰当的补缩结果，浇注系统结构选择为既有底注式结构又有缝隙式结构的复合式浇注系统。这样，浇注系统就兼具底注式结构平稳充型特点和缝隙式结构顺序凝固特点。

依据浇道比计算结果，设计的浇注系统见图2。

图2 壳体铸件浇注系统工艺示意图

1.2 浇注温度和浇注速度的选择

铸件为厚壁件，为减小铸件凝固收缩量，浇注温度选择须偏低。浇注温度区间选择在680℃～700℃，浇注速度选择在1.05 cm/s。

1.3 补缩系统的初始设计

利用轮毂设计的固有特点和遵循顺序凝固的设计原则，铸件厚壁法兰置于铸型上方，薄壁法兰置于铸型下方。冷铁、浇注系统和冒口配合使用，控制铸件各部凝固的先后次序。

在铸件厚壁法兰上部均布4处腰形明冒口，起着补缩、排气、避渣作用，同时减轻铝合金液对上方铸型的冲击作用。

根据传统的热节圆比例法设计了补缩冒口尺寸。

2 铸造工艺设计优化

2.1 充型起始控制

根据首批试制情况，针对壳体铸件，设计了大型柱塞式浇口杯，即先用柱塞堵住浇口，将坩埚内铝合金液全部倒入大型浇口杯中，再拔掉柱塞，使铝合金液平稳地进入型腔，不产生涡流、紊流现象，避免铝水卷入气体以及氧化夹渣（第1次避渣）。

2.2 改善浇注系统设计

此铸件对浇注系统设计要求严格，因而决定运用缝隙式内浇口以及两层横浇道的浇道布置来控制浇入铸型的合金液流，横浇道为搭接形式，防止在下层横浇道进水过程中，上层横浇道也进水，从而保证铝水平稳上升，不产生汇交或紊流。促使氧化物及夹渣平稳向上浮入冒口、积渣槽内、法兰上端面余量部位，并在后续机加工后去除。浇注系统改进要点如下：

（1）在直浇道最上方设置过滤网，降低铝水速度，从而降低冲击，同时过滤夹渣（第2次避渣）。

（2）在横浇道搭接位置设置过滤网进行第3次避渣以及降低铝水充型速度，防止冲击。

（3）缩小横浇道与内浇柱处的截面积，使夹渣、氧化物漂浮在横浇道上部，不进入铸件中，进行第4次避渣。

（4）使用了大浇口杯承接了来自浇包的金属液，借助浇口塞同时控制两侧浇口杯内合金液流入直浇道。

根据以上要求，优化后的铸件浇注系统设计见图3。

图3 壳体铸件浇注系统优化后工艺示意图

3 铸造工艺设计验证

依据优化后的铸造工艺设计，改进了浇注系统用模样。在落实优化的铸造工艺设计后，投产第2个批次铸件（共计13件），经去冒口、热处理、机械加工等工序，铸件机加工表面均未再发现成组夹渣和气孔。在制铸件机加工成品率提高到81%以上。

在制铸件实物图见图4。

图4 壳体铸件实物图

4 结束语

铸件在生产之前必须对铸件的工艺方案作充分的理论计算和生产调研，以便选择既能保证产品质量又能保证生产进度的铸造工艺。对于浇注系统，任何一种浇注系统既有其优越性与适用性，也有其局限性，浇注系统设计可以采用各种常规浇注系统结构组合成复合式浇注系统。通过对大型轮毂铸件的复合式浇注系统设计和生产实践，可以得出其适用于大型铝合金铸件铸造工艺设计的重要结论：

（1）从金属液引入铸型开始，就要设计大型柱塞式浇口杯或其它形式的撇渣浇口杯，防止浇口杯内出现卷渣或进气，保证金属液平稳进入铸型，减小氧化。

（2）直浇道使用多层过滤技术，可以有效降低充型流速，减小高度落差对铸型的冲击，使横浇道有足够时间可以捕捉夹渣。

（3）在充型过程中，上浮夹渣容易聚集在铸件的顶端平面，导致铸件机加工后机加表面均是夹渣。故有必要适当加大充型顶端余量，保证集渣效果，使夹渣留在去除的余量层中。

（4）缝隙式浇道有利于充型，雷诺数Re＜20000时，较宜适用于大型铸件。