金屬型重力鑄造鋁合金殼體及模具設計范文

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摘要:對某復雜鋁合金殼體零件的結構進行分析，確定了采用金屬型重力鑄造工藝。首先進行了機開模的模具結構設計，進行實際驗證后，發現該工藝存在厚大處易產生縮松、薄壁處易產生澆不足、遠端易產生冷隔，且頂出和取件困難等問題，因此對鑄造工藝進行了改進并對模具結構進行了優化設計，解決了部分問題。為徹底解決鑄件缺陷的問題，改進方案設計手開模，鑄件水平放置，保證順序凝固，冒口設在側面，同時對熱節處設置補縮通道，并用覆膜砂芯代替抽芯，再次試制，可以得到外觀良好，內在品質符合要求的產品。

關鍵詞:鋁合金；金屬型重力；鑄造工藝；模具結構

鋁合金結構件常用的鑄造工藝有砂型鑄造、金屬型鑄造和低壓鑄造等。砂型鑄造所用的造型材料價廉易得，鑄型制造簡便，對鑄件的單件生產和批量生產均能適應，是常用的鑄造生產工藝，但砂型鑄造會出現氣孔、縮孔、縮松等鑄造缺陷［1］。除此之外，砂型鑄件還存在鑄件表面質量差、成形精度低等問題［2］，且不太容易達到環保要求。與砂型鑄造相比，金屬型鑄造有力學性能高、尺寸精度高、表面粗糙度低、批量生產質量穩定性好等優點［3］。低壓鑄造設備投入大，試制周期長，前期準備工作時間長，產品適用性也不如金屬型重力鑄造強。因此，本課題采用金屬型重力鑄造生產某鋁合金殼體鑄件，以期為鋁合金殼體類鑄件的生產提供參考。

1產品零件的工藝分析

圖1是復雜殼體零件，外形尺寸為150mm×130mm×70mm，壁厚最厚處為30mm，最薄處為3mm，壁厚不均，零件上下平面有凸起的鑄字，部分鑄字高度不到4mm。產品材質為Al－7Si－0．3Mg鋁合金，為安全結構件。零件外觀要求均勻一致，不能有凸起或凹陷，內部不允許有鑄造缺陷。此殼體鑄件結構復雜，尺寸較小，壁厚不均，外觀要求較高，且鑄造尺寸公差等級高，因砂型鑄造難以達到要求，也不適合采用低壓鑄造。綜合考慮，最終采用金屬型重力鑄造工藝成形。

2金屬型重力鑄造工藝與模具結構

2．1初始工藝方案

對于體積收縮較大的合金，澆注位置應盡量滿足順序凝固的原則。鑄件厚實部位一般應置于澆注位置下方［4］。鋁合金體積收縮較大，且此零件熱節較分散，同時考慮后期切割清理操作等條件，在零件相對較厚的位置設置了澆冒口，見圖2，使其能夠建立順序凝固的條件。把薄壁部分放在內澆道以下或置于鑄型的下部，以免出現澆不足、冷隔等缺陷［4］，但是受限于澆注機的結構，將零件薄的筋片放到了側面，同時鑄字也位于側面。澆注機有底抽芯機構，零件內腔成形可由鐵芯形成。設計制作了機開模，模具工藝結構見圖2。模具安裝到左右開傾轉澆注機上，零件立放，使兩面鑄字位于側面，頂部設置澆冒口，左右分型，側面抽芯，底部油缸抽芯，側模設置頂桿頂出，側面薄立筋處設置排氣塞。此工藝在試制過程中發現存在幾個問題：①下部厚大處易產生縮松；②側面細筋處極易產生澆不足缺陷；③遠端壁厚3mm處易產生冷隔；④因頂桿和排氣塞的設置導致產品外觀有凸起或凹陷，頂桿印經修磨并拋丸處理仍難以使鑄件達到外觀均勻一致的目的；⑤因起模斜度非常小，底部油缸抽活塊困難，鑄件易拉傷。針對存在的問題，對其進行了優化改進：①針對鑄件下部厚大處易產生縮松的問題，在側模分型面處增加一處砂芯，并在側模上增加從冒口至下部厚大部位的補縮通道。解決了零件下部厚大處縮松問題，也避免了不能開模的問題；②通過調整鋁液充型速度和提高鋁液溫度后，鋁液的充型能力得以提高，因而薄筋處的成形有了明顯改善，遠端冷隔問題也得到解決；③提高鑄型排氣能力可以解決鑄件澆不足的缺陷問題［5］；為此，在側模對應立筋位置多開排氣孔，鑲裝排氣塞，解決了鑄件側面立筋成型不完整的問題；④鑄件外觀不均勻的問題，在調整頂桿和排氣塞后，未能夠徹底解決。⑤鑄件內腔易拉傷的問題也沒有得到有效解決。

2．2優化工藝方案

針對鑄件頂桿印和拉傷問題，經過討論分析，改用金屬型重力鑄造手開模，可以使模具結構設計更靈活。將冒口設在了鑄件側面。對零件其他熱節分散位置也設置了補縮通道，保證零件所有熱節能夠得到有效補縮，避免了縮松產生。將鑄件水平放置，使薄壁筋片位于下部。原底抽芯處采用覆膜砂芯成形，覆膜砂芯由上下模孔銷進行定位支撐，澆冒口設置位置不變，整個模具結構未設頂桿，只在上模個別位置設置了排氣塞，在零件筋片難成形處和開模困難位置設置活塊，模具活塊分型位置盡量選擇筋片中間位置，并在活塊上開設排氣槽，以增加鋁液的充型能力，防止澆不足產生。鑄字分別位于零件的兩個面上，在模具設計中，使其中一面位于模具下部，另一面處于模具上部活塊處，活塊背部中間部位去空。具體結構見圖3。相較于初始工藝，優化工藝優點有：①薄壁筋位于下部，有利于其成形，防止澆不足；②原底抽芯處采用覆模砂芯成形，零件內部的覆膜砂芯部分只需在后期清理時去除砂芯即可，避免了開模抽芯，從而解決了初始工藝底抽芯開模困難、易拉傷、3mm薄壁處不易成形的問題；③模具結構整體采用抽活塊，活塊分型位置設置在筋片中間，未設置頂桿，使鑄件外觀有很大改善，達到了對鑄件的外觀要求；④有鑄字的模具上部活塊背部中間去空，可以減輕模具上部活塊的吸熱，保證模具有較高的溫度，從而有利于鑄字成形。

3結語

（1）初始方案采用機開模，受澆注機限制，須在模具上設置頂桿來頂出鑄件。而優化方案采用手開模，采用抽活塊的分型方式，未設置頂桿，鑄件也能夠順利取出，從而使得鑄件外觀品質明顯改善。（2）此復雜殼體內腔起模斜度小，開模時鑄件對鐵芯有較大的抱緊力，初始方案不易開模，且易拉傷。優化方案采用覆膜砂芯代替抽芯，開模時，原鐵芯處較大的抱緊力消失，鑄件出模順利，而且覆膜砂芯的外觀質量也比較高，可以滿足要求。（3）采用優化方案的鑄件成形飽滿，外觀質量得到了明顯的提升，內在品質也符合要求，模具操作方便。

參考文獻

［1］劉連．砂型鑄造剎車盤的工藝優化［J］．機電工程技術，2018，47（2）：123－125．

［2］陳勝娜，余歡，徐志鋒，等．鎂合金低壓鑄造的研究進展［J］．鑄造，2012，61（12）：1405－1409．

［3］姜不居，呂志剛．鑄造技術應用手冊（第5卷）：特種鑄造［M］．北京：中國電力出版社，2010．

［4］李傳栻，李魁盛．鑄造技術應用手冊（第4卷）：鑄造工藝及造型材料［M］．北京：中國電力出版社，2012．

［5］日本鑄造工學會．鑄造缺陷及對策［M］．張俊善，尹大偉譯．北京：機械工業出版社，2008．

作者：柏立敬 王振良 單位：河北歐瑞特鋁合金有限公司技術部