大型薄壁铝合金壳体铸造成形工艺仿真应用研究

■ 王华侨，李玉胜，王永凤，刘泳伸，宋豫娟

一、产品结构工艺特点

某大型薄壁铝合金壳体外形属于不规则形状（见图1），壁厚3.5mm，内腔为铸造表面不加工，外表面加工；精加工后尺寸精度为（3.5±0.5）mm，铸件重量60kg，公差为±5%，属于典型薄壁铸件。此类铸件国内通常采用锻坯机械加工，或机械加工-组焊等工艺方法成形，传统工艺方法加工周期长，成本高。国外普遍采用铸造方法制造。目前国内也有部分厂家能够生产此类铸件，但仅局限于圆筒类结构、直径＜800mm、高度＜1000mm的铸件，像这种直径和高度均大于1000mm的非轴对称异形铸件目前国内还为首次。

铸件材料为ZL114A，该铝合金为铝硅合金系列中力学性能指标最高，其材料纯度要求高，合金熔炼工艺复杂，尤其要保证铸件整体性能均匀一致，因此熔炼工艺和铸造工艺必须采取特殊的手段加以保证。精加工后壁厚公差要求需在模具设计、加工、铸造过程和热处理等几个方面采取措施加以控制，才可能保证尺寸精度。

铸件内部质量要求较高，内部铸造缺陷级别要求严。铸件要求整体全部无损检测，级别按HB963—2005标准中规定的I类铸件验收，内外表面进行100%荧光检测。这给铸造过程的控制增加了很大难度，必须对铸造过程进行计算机模拟，对铸件充型和凝固过程进行优化设计，从而保证铸件充型过程平稳可控，不卷气造渣，消除气孔和夹杂缺陷，保证铸件的顺序凝固，消除缩松、缩孔等缺陷。

二、工艺总体方案

根据薄壁壳体铸件的结构特征和铸造工艺难点分析，决定选择树脂砂型、低压铸造浇注方法作为该大型薄壁壳体研制的成形工艺手段。低压铸造也称为反重力浇注，浇注工艺参数可根据铸件的不同结构和铸型的不同材料而确定。浇注时，合金液在可控压力的作用下充型，能有效地控制充型速度，合金液充型平稳。减少或避免充型时的翻腾、冲击及飞溅现象，从而减少氧化夹渣和气孔等铸造缺陷的形成，提高铸件质量。此外，合金液在压力下充型，可以提高合金液的流动性，有利于获得轮廓清晰的铸件。同时铸件在压力作用下结晶凝固，可获得组织致密的铸件，提高铸件的力学性能。

树脂砂造型具有很高的工艺灵活性，可以使用强化激冷、加强补缩、充分过滤等工艺措施，创造有利的温度梯度，形成较好的凝固顺序，也有利于获得组织致密、性能优良的高强韧性铸件。

图1 薄壁壳体

因此，将两者结合能够达到薄壁壳体的技术要求。

采取如下具体工艺方案和工艺参数：

铸件外形模样选用木质结构，采用自硬树脂砂以保证铸件外形具有较高的强度及整体性，有利于保证铸型精度；铸件内腔芯盒选用铝质结构，内芯也采用自硬树脂砂制作，可较好地保证铸件的尺寸精度；采用均布缝隙浇口，铝液自下而上充型平稳且干净，各浇道流量均匀，防止过热和紊流，铸件沿圆周方向均衡凝固，轴向方向自上而下顺序凝固，从而保证力学性能一致；缝隙浇口间和铸件上下法兰处放置随形冷铁，提高铝液凝固时过冷度，进一步细化晶粒，以提高其力学性能；机械加工余量外表面设计8～10mm，内表面不留余量；铸件收缩率轴向按0.8%、径向按0.5%控制设计。

对于如此大的铸件要保证其尺寸及重量公差要求，采用通常木质结构芯盒难以保证其尺寸精度和重量公差，故采用了金属芯盒装配结构，材质选用经稳定化处理的铸铝材料，其结构如图2所示，为两半对开结构，整个芯盒内表面通过数控加工中心加工成形，从而保证其尺寸精度。为方便起型，筋条部分做成活块，如图3所示。

三、关键技术措施

如前所述，薄壁壳体关键铸造工艺技术主要通过三个方面进行控制，包括铸件内部质量、材料性能及本体切取性能、铸件尺寸精度。

1. 铸件内部质量控制

铝合金铸件常见缺陷有夹杂、气孔、缩孔、缩松及针孔等，通过下列手段分别加以控制和解决。

其一，低压铸造工艺充型平稳，避免充型过程中卷气造渣，可以消除夹杂和气孔等铸造缺陷。

其二，缝隙浇口配合冷铁保证铸件合理的凝固次序。缝隙浇口保证铸件自上而下的凝固顺序，缝隙浇口之间放置冷铁形成横向温度梯度，建立了凝固的横向补缩通道，即通过低压铸造加压过程实现缝隙浇口的横向补缩作用，从而消除了铸件缩孔、缩松等铸造缺陷。

其三，针孔的消除主要通过三个途径解决：炉前采用复合精炼工艺，并配合检测仪器控制铝液中渣、气含量，提高铝液的冶金质量；采用低压浇注工艺方法，避免充型过程吸气，另外低压浇注温度可比普通重力浇注温度低30～40℃，也大幅减少吸气倾向；增强铸件激冷条件，使其快速冷却，抑制针孔析出。铸件上下法兰、厚大部位及缝隙浇口之间放置冷铁正是基于此点所考虑。

2. 材料性能和本体性能

（1）原材料选购 铝锭选用重熔精铝，纯度为99.99%；中间合金严格控制有害杂质元素含量，入厂进行复检。

（2）优化熔炼工艺 尽量不使用或少用铁质熔炼工具，避免铝液增铁；严格执行ZL114A熔炼工艺规程。

（3）冶金质量的控制 炉前密度法检测铝液中渣、气含量；浇注前取样观察断口形貌，判断变质效果。

3. 铸件尺寸精度控制

精度要求采用普通砂型铸造方法是无法达到的，为了满足设计要求，在设计合理的收缩率的前提下需从如下四个方面进行工艺和质量控制。

第一，优化芯盒结构设计，采用数控加工中心加工芯盒，以保证其尺寸精度。

第二，型砂及粘结剂种类、砂芯紧实度、铸造收缩率、浇注温度、浇注速度等铸造工艺参数需通过试验选定（某些参数可根据经验确定）。

图2 内芯金属芯盒结构

图3 内芯内腔结构

第三，凝固收缩变形的控制，主要通过在铸件薄弱部位增置铸造工艺拉筋以增加其整体刚度，从而使铸件线收缩时的收缩阻力均匀，以达到减小铸件变形的目的。

第四，热处理淬火变形的控制，主要是通过优化设计的限位、校正工装和精确测量检具加以保证。

4. 铸造工艺过程模拟仿真

根据计算并结合实际经验初步确定了低压铸造工艺参数，但是否合理尚需进一步验证，为此应用计算机数值模拟计算对薄壁壳体铝合金铸件充型和凝固过程进行了模拟试验，并且对工艺方案进行改进和优化。计算机模拟情况如下。

（1）初始及边界条件的建立 ①根据铸件毛坯图样和铸造工艺图样建立铸件、冷铁、砂型的三维模型，如图4所示。②对立体图形进行网格剖分，单元格总数为4 838 130个。③铸型及内芯选用呋喃树脂砂，冷铁按位置对应摆放，材质为铝质材料，调用数据库的相应参数进行边界条件设定。④设定工艺参数：浇注温度720℃；充型时间161s；铸型、冷铁温度26℃。

（2）铸造工艺模拟仿真结果 根据确定的铸造工艺方案和浇注、补缩系统的初步设计，应用AnyCasting铸造成形工艺过程模拟软件进行工艺仿真。对铸件的充型、凝固过程进行多次模拟（见图5、图6），对浇注系统、补缩冒口及冷铁的尺寸、形状、位置等进行了反复调整，形成了有利的充型及凝固顺序，消除了潜在的温度场不均匀、补缩效果不良等不利因素。

图4 铸件及流道三维示意

图5 铸液充型过程模拟示意

图6 铸件凝固过程模拟示意

由充型模拟结果可见，金属液经缝隙浇道平稳进入型腔，未发现涡流卷气现象。同时，充型过程中铸件的各部分区域温度分配比较合理。凝固模拟结果可观测到，铸件的凝固次序比较理想，铸件上缝隙浇道之间的部分最先凝固，并且铸件上下部基本同时凝固；铸件各缝隙浇道附近区域凝固迟于缝隙浇道中间部分，缝隙浇道迟于铸件本体凝固。铸件整体温度分布合理，处于较好的整体同时凝固、局部顺序凝固状态，铸件整体凝固和补缩次序比较合理。但铸件本体局部顺序凝固的温度梯度是否合理，能否满足铸件补缩要求，铸件指定区域的绝对凝固速度是否合适，能不能确保该处力学性能控制在规定范围之内还不能确定，尚需实际生产验证，并做优化调整。

5. 生产效果

根据薄壁壳体铝合金铸件尺寸大、形状复杂的特点，结合铝合金铸件生产经验及计算机数值模拟结果，采用低压浇注，树脂砂精密制芯及组芯组型技术，独特合金熔炼技术和热处理技术，合理的工艺流程，可以获得优质合格的薄壁壳体铝合金铸件。铸件的力学性能合格，见附表。

铸件三维扫描内外形检测数据如图7所示。舱段壳体外形加工余量6mm，实测6～7.5mm；内形轮廓度1mm，实测-0.7～0.4mm。①内部型腔非加工表面整体轮廓度较好-0.7～0.4mm，加强筋对普遍偏小，比理论值低1～1.5mm。②外表面加工余量6mm，实测6～7. 5mm，个别偏离数据较大点是实物表面有凹坑类缺陷，不参与判读。③前端面余量实测3～4.5mm，前端面内表面余量偏大2～3mm。④后端面余量实测值6～7mm，后端面内表面应没有余量，但实际存在5～6mm余量。

6. 铸件数控加工

铸件热处理后基本不变形，变形量小于0.2mm；在铸造后已进行了两次热处理，第一次是矫形，第二次是大余量粗加工后退火处理。产品数控机械加工后实物如图8所示。零件的壁厚值不满足设计要求，尺寸3.5mm处实测3.07～7.79mm（铸造内表面局部有凹坑），共测514点，满足壁厚（3.5±0.5）mm尺寸点134个，占28.3% ，壁厚大或小的点主要集中在加强筋侧面。3D扫描外形曲面轮廓度，以小端+两销孔对齐，-0.2～0.35mm，局部0.66mm。端框内表面应该是非加工表面，但是由于余量太大，现已进行了机械加工，局部机械加工不到的位置端框厚度比理论值厚大3～6mm。

图7 铸件三维扫描点示意

图8 产品实物

舱段铸件力学性能检测结果

四、结语

大型薄壁铝合金壳体铸造成形工艺总体方案基本合理，通过铸造仿真模拟优化了浇注系统设计。产品铸造实物无力学性能缺陷，无铸造缺陷；铸件轴向和径向的收缩率设置基本可控，铸造后期所采取的热处理及矫形控制措施有效，可基本满足铸造内形面整体轮廓度要求和最终壁厚要求，实现了研制的产品质量目标。