金属型重力铸造铝合金壳体及模具设计范文

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摘要:对某复杂铝合金壳体零件的结构进行分析，确定了采用金属型重力铸造工艺。首先进行了机开模的模具结构设计，进行实际验证后，发现该工艺存在厚大处易产生缩松、薄壁处易产生浇不足、远端易产生冷隔，且顶出和取件困难等问题，因此对铸造工艺进行了改进并对模具结构进行了优化设计，解决了部分问题。为彻底解决铸件缺陷的问题，改进方案设计手开模，铸件水平放置，保证顺序凝固，冒口设在侧面，同时对热节处设置补缩通道，并用覆膜砂芯代替抽芯，再次试制，可以得到外观良好，内在品质符合要求的产品。

关键词:铝合金；金属型重力；铸造工艺；模具结构

铝合金结构件常用的铸造工艺有砂型铸造、金属型铸造和低压铸造等。砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产和批量生产均能适应，是常用的铸造生产工艺，但砂型铸造会出现气孔、缩孔、缩松等铸造缺陷［1］。除此之外，砂型铸件还存在铸件表面质量差、成形精度低等问题［2］，且不太容易达到环保要求。与砂型铸造相比，金属型铸造有力学性能高、尺寸精度高、表面粗糙度低、批量生产质量稳定性好等优点［3］。低压铸造设备投入大，试制周期长，前期准备工作时间长，产品适用性也不如金属型重力铸造强。因此，本课题采用金属型重力铸造生产某铝合金壳体铸件，以期为铝合金壳体类铸件的生产提供参考。

1产品零件的工艺分析

图1是复杂壳体零件，外形尺寸为150mm×130mm×70mm，壁厚最厚处为30mm，最薄处为3mm，壁厚不均，零件上下平面有凸起的铸字，部分铸字高度不到4mm。产品材质为Al－7Si－0．3Mg铝合金，为安全结构件。零件外观要求均匀一致，不能有凸起或凹陷，内部不允许有铸造缺陷。此壳体铸件结构复杂，尺寸较小，壁厚不均，外观要求较高，且铸造尺寸公差等级高，因砂型铸造难以达到要求，也不适合采用低压铸造。综合考虑，最终采用金属型重力铸造工艺成形。

2金属型重力铸造工艺与模具结构

2．1初始工艺方案

对于体积收缩较大的合金，浇注位置应尽量满足顺序凝固的原则。铸件厚实部位一般应置于浇注位置下方［4］。铝合金体积收缩较大，且此零件热节较分散，同时考虑后期切割清理操作等条件，在零件相对较厚的位置设置了浇冒口，见图2，使其能够建立顺序凝固的条件。把薄壁部分放在内浇道以下或置于铸型的下部，以免出现浇不足、冷隔等缺陷［4］，但是受限于浇注机的结构，将零件薄的筋片放到了侧面，同时铸字也位于侧面。浇注机有底抽芯机构，零件内腔成形可由铁芯形成。设计制作了机开模，模具工艺结构见图2。模具安装到左右开倾转浇注机上，零件立放，使两面铸字位于侧面，顶部设置浇冒口，左右分型，侧面抽芯，底部油缸抽芯，侧模设置顶杆顶出，侧面薄立筋处设置排气塞。此工艺在试制过程中发现存在几个问题：①下部厚大处易产生缩松；②侧面细筋处极易产生浇不足缺陷；③远端壁厚3mm处易产生冷隔；④因顶杆和排气塞的设置导致产品外观有凸起或凹陷，顶杆印经修磨并抛丸处理仍难以使铸件达到外观均匀一致的目的；⑤因起模斜度非常小，底部油缸抽活块困难，铸件易拉伤。针对存在的问题，对其进行了优化改进：①针对铸件下部厚大处易产生缩松的问题，在侧模分型面处增加一处砂芯，并在侧模上增加从冒口至下部厚大部位的补缩通道。解决了零件下部厚大处缩松问题，也避免了不能开模的问题；②通过调整铝液充型速度和提高铝液温度后，铝液的充型能力得以提高，因而薄筋处的成形有了明显改善，远端冷隔问题也得到解决；③提高铸型排气能力可以解决铸件浇不足的缺陷问题［5］；为此，在侧模对应立筋位置多开排气孔，镶装排气塞，解决了铸件侧面立筋成型不完整的问题；④铸件外观不均匀的问题，在调整顶杆和排气塞后，未能够彻底解决。⑤铸件内腔易拉伤的问题也没有得到有效解决。

2．2优化工艺方案

针对铸件顶杆印和拉伤问题，经过讨论分析，改用金属型重力铸造手开模，可以使模具结构设计更灵活。将冒口设在了铸件侧面。对零件其他热节分散位置也设置了补缩通道，保证零件所有热节能够得到有效补缩，避免了缩松产生。将铸件水平放置，使薄壁筋片位于下部。原底抽芯处采用覆膜砂芯成形，覆膜砂芯由上下模孔销进行定位支撑，浇冒口设置位置不变，整个模具结构未设顶杆，只在上模个别位置设置了排气塞，在零件筋片难成形处和开模困难位置设置活块，模具活块分型位置尽量选择筋片中间位置，并在活块上开设排气槽，以增加铝液的充型能力，防止浇不足产生。铸字分别位于零件的两个面上，在模具设计中，使其中一面位于模具下部，另一面处于模具上部活块处，活块背部中间部位去空。具体结构见图3。相较于初始工艺，优化工艺优点有：①薄壁筋位于下部，有利于其成形，防止浇不足；②原底抽芯处采用覆模砂芯成形，零件内部的覆膜砂芯部分只需在后期清理时去除砂芯即可，避免了开模抽芯，从而解决了初始工艺底抽芯开模困难、易拉伤、3mm薄壁处不易成形的问题；③模具结构整体采用抽活块，活块分型位置设置在筋片中间，未设置顶杆，使铸件外观有很大改善，达到了对铸件的外观要求；④有铸字的模具上部活块背部中间去空，可以减轻模具上部活块的吸热，保证模具有较高的温度，从而有利于铸字成形。

3结语

（1）初始方案采用机开模，受浇注机限制，须在模具上设置顶杆来顶出铸件。而优化方案采用手开模，采用抽活块的分型方式，未设置顶杆，铸件也能够顺利取出，从而使得铸件外观品质明显改善。（2）此复杂壳体内腔起模斜度小，开模时铸件对铁芯有较大的抱紧力，初始方案不易开模，且易拉伤。优化方案采用覆膜砂芯代替抽芯，开模时，原铁芯处较大的抱紧力消失，铸件出模顺利，而且覆膜砂芯的外观质量也比较高，可以满足要求。（3）采用优化方案的铸件成形饱满，外观质量得到了明显的提升，内在品质也符合要求，模具操作方便。

参考文献

［1］刘连．砂型铸造刹车盘的工艺优化［J］．机电工程技术，2018，47（2）：123－125．

［2］陈胜娜，余欢，徐志锋，等．镁合金低压铸造的研究进展［J］．铸造，2012，61（12）：1405－1409．

［3］姜不居，吕志刚．铸造技术应用手册（第5卷）：特种铸造［M］．北京：中国电力出版社，2010．

［4］李传栻，李魁盛．铸造技术应用手册（第4卷）：铸造工艺及造型材料［M］．北京：中国电力出版社，2012．

［5］日本铸造工学会．铸造缺陷及对策［M］．张俊善，尹大伟译．北京：机械工业出版社，2008．

作者：柏立敬 王振良 单位：河北欧瑞特铝合金有限公司技术部