原标题：某铝合金横梁半金属型低压铸造工艺设计

摘要：以某铝硅合金横梁为研究对象，分析机床横梁的结构特点、工作条件、材料特性及工艺要求，对横梁进行了合理的半金属型低压铸造工艺设计，在此基础上，设计和制定了相应工艺参数，并运用Any-Casting进行了模拟分析。结果表明，该工艺不仅能满足品质要求，还能通过在不同位置处增设冷却水道并控制水流的进出顺序及时间，对工艺进行改进，设计出利于最终铸件综合性能的顺序凝固，减少铸件中的缺陷，并且保证铸件有较高的工艺出品率，成型铸件品质好。

随着制造业技术的发展，机床工况和结构越来越复杂，同时对各零部件的质量及精度要求也越来越高。横梁作为滑板、主轴箱、滑枕等零部件的支撑结构，其好坏直接影响着机床的工作性能，这对制造工艺提出了较高的要求。由于低压铸造及金属型铸造的工艺特点，常用于要求较高的场合，其具有较好的充型及补缩效果，可用于较薄件及有色金属件的铸造。本课题结合低压铸造、金属型铸造、砂型铸造的各工艺特点，对机床用横梁进行了工艺设计并通过Any-Casting软件进行分析模拟，为机床横梁铸件的生产提供参考。

1、横梁结构特点及要求

横梁铸件三维造型及内部结构见图1。最大外形尺寸为2480 mm×553 mm×278 mm，质量为78 kg，属于中型铸件；铸件最小壁厚为6 mm，最大壁厚处达10 mm，铸件整体壁厚较均匀，主要壁厚为6 mm，其壁厚基本均匀；顶部具有多个圆柱孔，小圆柱孔直径为60 mm，大圆柱孔直径为80 mm；底座具有阶梯型方孔及通孔特征，底座与梁身之间具有加强筋。从图1b可知，各壁面具有等距分布的加强筋，且上下面之间的加强筋与各壁面加强筋相错连接，底部具有多个等距排列的方孔。因此是形状复杂、壁厚均匀的薄壁铸件。

图1：横梁三维图

横梁材质为ZL114A，化学成分见表1。体收缩率为 4.0%~4.5%。要求采用低压铸造，外型面采用钢制模具。

表1：ZL114A化学成分  w_b/%

2、铸造工艺设计

2.1 工艺特性分析及工艺方案

该铸件是机床用横梁结构复杂，内部各交错的加强筋之间不易成形，铸件分型困难；长宽高比率大。根据铸件技术要求及毛坯的尺寸，选取铸件尺寸公差等级CT8；选取铸件的质量公差为6级；起模斜度为0.5°。采用金属型造型时，机械加工余量等级为D～F级，考虑到方便加工，根据零件图纸各个加工面粗糙度要求均为Ra12.5及低压铸造的自上而下凝固，确定加工面的尺寸分别为：横梁梁身垂直面加工余量为2 mm，水平方向上加工余量为3 mm；横梁底座方槽及方孔部分的垂直面加工余量定位为3 mm，水平方向上加工余量为5 mm。

由于加强筋上有两个Φ50 mm×15 mm的圆柱孔，若铸造出来，则需要在上模中设计抽芯机构，这使得模具结构复杂，增加了设计成本，故两个孔为不铸出孔，采用机加工完成。

根据横梁的结构特点和技术要求，最终确定采用金属型低压铸造。横梁的材质为ZL114A。铝合金有严重的氧化和吸气倾向，容易产生析出性气孔、针孔，主要是水蒸气分解产生的气体造成的，因此一般需要提高铸芯的刚度。芯部由于有交错的加强筋，若采用无退让性金属型芯成型，型芯不能取出，故芯部采用砂芯成型。综上所述，横梁采用金属型低压铸造，内部型腔采用砂芯成型，即半金属型低压铸造。

2.2分型面选择

结合低压铸造及金属型铸造的工艺特点及横梁的结构特点，在最大平面处阶梯分型，见图2。该分型面的选择方便造芯和砂芯的稳固定位，起模后铸件留于包紧力较大的的上型中，便于铸件的取出，方便下芯，降低工艺难度。

图2：分型面的位置

2.3铸型设计

横梁的上下模采用H13热作模具钢。铸型采用水平的阶梯分型，模具分为上模、下模，其结构见图3。

图：3铸型结构

金属型的厚薄影响铸型的强度、刚度、质量、寿命和铸型的蓄热、铸件的冷却速度等。对于熔点较低的轻合金铸件，铸件壁厚一般较薄，此时铸件冷却速度主要决定于金属型的蓄热能力，因此，增加金属型的壁厚可提高铸件的凝固速度，但增加到一定厚度后，凝固速度逐渐减弱甚至消失，一般约为20 mm，金属型的蓄热能力对铸件的凝固速度没有多大影响了。铸型壁厚选取参考值见表2，根据δ_型=（2.5~3）δ_件件计算得出壁厚为21 mm，综合考虑其他因素，取δ_型=40 mm。

表2：铸型壁厚选取参考值  mm

2.4浇冒系统设计

根据铸件的结构特点、尺寸、质量、技术要求、铸造合金特性等，浇口位置设置见图4（图上部分），浇口位置位于横梁底座，有利于铸件两侧面的成型，减小浇不足、冷隔等缺陷，充型较快，缩短周期；横梁工作面放置侧面，以防这些表面上产生砂眼、气孔和夹渣等缺陷。

图4：浇口位置

由于铸件体积较大，长高比大，且对铸件质量要求较高，结合金属型铸造及低压铸造的工艺特点，横梁采用底注式浇注系统，1个升液管、1个横流道、16个分流道、16个内浇道的浇注系统浇注。金属液通过布置在横梁底部中心位置处的升液管进入横流道，横流道布置于横梁底部中间，分流道别对应浇口位置设计。经计算，得出浇注时间为34.12 s，充型时间为12.6 s；内浇道形状为圆形，内浇道出口的速度取12 cm/s，则内浇道的截面尺寸为523 cm2，截面圆的直径为25.3 cm；内浇道截面尺寸确定后，根据截面积比A_升：A_横：A_内=（2～2.3）:（1.5～1.7）：1，得A_升为1 203 cm2，A_横为889 cm2。横浇道的截面为梯形，梯形上下底边分别为24 cm、28.4 cm，高度为34 cm。升液管下部在金属液中，上部与铸型连接，是金属液体流入型腔的通道，升液管的截面形状为圆形，在靠近横浇道位置处减小截面积提高充型压力；截面圆直径为40.6 cm，靠近截面处的锥形锥度为18°。对于铝合金，升液管离坩埚底部的距离一般为50~100 mm。设计的升液管与浇道的连接方式见图5。

图5：升液管与浇道的连接方式

3、砂芯设计

3.1砂芯方案设计

横梁内部采用呋喃树脂自硬砂制砂芯。砂芯的整体三维形状见图6。由于砂芯较长，为使砂芯具有一定的刚度，从而避免砂芯在搬运过程中损坏，采用可拆卸式砂芯，将整个砂芯分为3部分，将3部分砂芯组装起来。若整体采用芯骨支撑，从实际考虑芯骨放在距离分型面近的一侧比较符合实际生产，这样距离分型面远的一侧容易变形，也可能刚度不足；因此，为了满足砂芯的刚度要求，并且能够实现砂芯的相互定位，提高铸型的成型精度，利用孔轴配合原理将整个砂芯分为3部分，其中中间部分两边设计出圆柱轴，与砂芯成型部分一体，左右两部分砂芯的中心设计出圆柱孔与圆柱相配合，设计的砂芯见图7。

图6：砂芯三维图

图7：各段砂芯图

3.2砂芯芯头及芯骨设计

为保证砂芯的安放稳固及定位准确，本次设计了两个芯头定位。分别对称布置，芯头形状见图11。对于长度小于1 000 mm的中型、小型砂芯，水平芯头的长度一般在20~100 mm之间。水平芯头的长度为40 mm，芯头与芯座的间隙一般为0.2 mm，水平芯头能从芯盒中顺利取出，芯头可不留斜度，而由芯座留斜度。

图8：芯头设计

在砂芯中埋置芯骨，以提高其强度和刚度，材质选用圆钢。

3.3砂芯的排气

由于树脂自硬砂制芯，因此，在设计、制造砂芯过程中，要注意砂芯的排气，使砂芯中产生的气体能够从砂芯芯头排出，见图9。在管道砂芯内部埋入随型的蜡线，蜡线熔出后得到弯曲的排气道；中间砂芯部分用通气针扎出排气道。

图9：砂芯排气道的形式

4、铸造工艺参数及模拟分析

横梁的低压铸造工艺的加压过程，一般分为：升液、充型、增压结晶、保压以及卸压放气5个阶段，经过计算得出加压过程中各阶段参数见表3。综合铝合金横梁的结构及工艺特点，选择浇注温度为710 ℃，模具预热温度为360 ℃。

表3：加压过程各阶段参数 (MPa)

模拟分析采用Any-casting 软件进行，主要包括铸件充型过程中的温度场，充型时间，充型顺序分析；凝固过程中温度场、凝固时间、凝固顺序分析，以及铸件缺陷查看。导入横梁、浇注系统的stl文件，进行三角形网格划分，初次模拟的浇注温度为710 ℃，模具预热温度为360 ℃。按表4设置充型的压力，冷却状态为自然冷却。模拟结果见图10.

可以看出，铝液由下向上充型，直到充满型腔，充型时间为13.33 s。从铸件充型顺序可以看出，铝液经升液管进入横浇道，再经分流道，最后由16个内浇口进入型腔内。铝液首先从内浇口部位进入横梁的底部，然后逐渐往上充填。充型过程直接影响铸件的质量，如果铝液在充型过程中充型顺序不合理、充型过程不平稳及其时间太长等问题会导致铸件产生浇不足、卷气等缺陷，从而使铸件缺陷范围增大。由铸件充型顺序模拟过程可知，铸件的充型顺序是合理的。

图10：充型模拟过程

铸件凝固过程模拟见图11。可以看出，铸件从上往下凝固，刚刚开始时，铸件凝固较快，但整个梁身的冷却时间比较集中，可能造成补缩不能顺利进行，从而造成铸件的不完整以及梁身的内应力达不到要求；到后期，由于铸型的温度有所增加，凝固较慢，靠近浇注系统处最后凝固；根据铸件凝固过程模拟分析，铸件内浇道处最先开始凝固，说明铸件可以通过自身膨胀实现补缩；铸件从顶部壁薄处开始凝固，壁厚处最后凝固。因此铸件的凝固复合低压铸造原理，由此凝固顺序及凝固时间可以验证改工艺较合理。

图11：铸件凝固过程

铸件模拟概率缺陷参数见图12。可以看出，此种方案设计浇注产生的缺陷较少，主要集中在距离浇口较远处，该处可能出现浇不注、缩孔、缩松等缺陷，但内部加强肋板基本没有缺陷。通过以上模拟结果分析，铸件壁最薄处铸件最先凝固，壁较厚及最后靠近浇口位置处较后凝固，整体缺陷比较少。

图12：铸件缺陷结果分析

为使铸件的凝固时间缩短，防止铸造缺陷，故铸型的不同位置增设冷却水道。横梁顶部最先凝固，得不到补缩，容易产生缩孔，所以为了防止缩孔，需要加速轮缘部分的冷却速度，在壁较厚的阶梯处，也容易产生缺陷，也需要加快冷却速度以防止铸造缺陷，为此设计的冷却水道的位置图见图16。

图16：冷却水道位置

冷却水道的条件设置见表3。

表4：冷却水道参数

5、结语

对某机床用横梁进行结构特点分析，设计了其铸造工艺。采用半金属型低压铸造工艺进行制造，横梁外部采用金属型成型，内部采用砂芯组芯造型；设计了底注开放式无冒口浇注系统，并运用Any-casting对已计算好的工艺参数进行模拟验证，并在此工艺基础上进行改进，在不同位置增加直径不等的冷却水道，并控制进出水的顺序及时间，生产出合格的铝合金机床横梁。

作者：
吴巧 梅益
贵州大学机械工程学院