论铝合金铸造工艺优化技术的应用与发展

付英杰

（贵州航天风华精密设备有限公司，贵州 贵阳 550000）

1 铝合金铸造研究的现状

铝合金铸造的零件由于其外观优良，质量轻，加工性能优越，物理化学性能优良，已被广泛地用于许多工业部门。但是，由于铝合金的凝固温度范围大，所以在浇注时，很可能会产生缩孔缩松等问题，从而导致产品的性能下降。本研究采用现代的计算机技术，经过多次实验，找准了最优的浇注工艺，并利用计算机仿真来解决问题，从而达到改善产品的质量和缩短生产时间的目的。

铸造工艺的优点是：不仅可以得到机械部件的外形，还可以改善其内部结构，从而提高其机械性能。通常，对受力大、力学性能要求较高的机械部件，大多采用铸造工艺。近年来，铝及铝合金铸件取代了原有的钢结构件，例如航空结构件，基本都是铝合金模铸造，又如汽车轮毂、保险杠、基座梁、坦克的承重轮、列车的汽缸和活塞裙、木工机体、炮台机座、动环、不动环、纺织机座、轨道、绞盘等。因而，它在我国国民经济的快速发展和国防军事现代化中占有举足轻重的地位。铝合金铸造因其优异的性能，在日益广阔的应用领域中有着广阔的市场空间和应用前景。尤其是在航空发动机的关键零件及汽车轮毂的制造上有着广泛的应用。

2 铝合金铸造工艺性能

2.1 流动性

合金溶液中存在金属氧化物及其他杂质的固体粒子是由成分、温度、金属化合物等组成，而外部的基本因子是铸造温度和浇注压力（也就是通常所说的浇注压头）。同一类型的金属，由于其晶体特性的差异，可以通过碳-硫化物分析器进行测定。普通的合金在一定的时间范围之内发生晶体化，而在晶体过程中，最初的晶体会阻止液体的流通。而共晶合金在一定温度下不会产生初晶，对液态金属的抗性降低。在实际应用中，只要有合适的材料，除了强化熔炼技术，还要改进铸造过程，同时要在不降低铸造质量的情况下，增加铸造的熔体温度，以确保其流动[1]。

2.2 收缩性

当一种金属由液体降温到常温时，它的体积和大小就会发生减小，这就是所谓的“缩水”。在铝合金浇注过程中，收缩性能是其重要特点。当合金在液态、凝固和固态时，因温度下降而产生的收缩收缩。一般都是以其最佳的浇注能力而著称。目前，铝合金可以通过各种常见的浇注方式来铸造，使用金属模或自动装配式的压铸可以达到大规模、低耗的生产。从浇灌到固化，在最终硬化处会产生微观或微观的缩松，此现象是由收缩造成的，以目视方式观察到的。结果表明，铸件的收缩程度与合金成分、浇注温度、铸件结构及铸件类型有关。在铸造铝合金的结构中，应遵循连续固化的原理[2]。

2.3 气密性

气密性是指空腔体铝合金铸件在压力或流体的压力下保持空腔体铝合金铸件的密封性。其密封性是反映铸件内部结构的致密与纯度的重要标准，因此，控制好气密性是铸件制造和应用的一个重要环节，只要把这个环节做好，就可以确保其质量。保持空腔体铝合金铸件的密封性[3]。

3 铝合金铸造相关工艺

3.1 砂型铸造

通常，钢、铁以及大部分的合金铸件，都是由砂模铸造而成，而且由于模具的材质便宜、容易得到、使用方便，可以满足个别的产品和大量的生产。砂型铸造适用于不同的工艺条件下，用于不同的铸件。铝铸造工艺是一种金属和模具之间的交互作用。在铸造过程中，铝合金液被注入模具，并将其热、机械、化学等作用于模具。因此，要得到高质量的铸件，除了要严格控制铸造技术，还要对型砂的配比、造型、浇注等进行合理的设计。对所有的原料及冶炼工具进行认真的清洗，包括锈迹、油污、熔渣等，并严格控制中间合金及回炉的品质，并加强对工艺的监督[4]。

3.2 重力铸造

重力铸造是利用地球引力将金属液体注入到铸模中，又称为重力浇注。采用铝合金重力浇注，其铸件的厚度会非常大。在生产的时候，如果不小心操作，或者是其他的原因，都会对生产产生不安全的影响，甚至会对铸件的质量产生很大的影响。

3.3 金属型铸造

铸件浇注位置的确定、浇冒系统的设计以及模具工作温度的控制与调整是金属型铸造工艺的关键[5]。铸件的浇注位置与金属型芯、分型面的数目、金属液的导入位置、排气的通透、金属型的复杂度等因素有关。采用金属模铸造的铸造工艺，其力学性能优于砂铸造。在相同的条件下，其拉伸强度平均增加了25%左右，屈服强度增加了20%左右，耐蚀性和硬度也得到了明显的改善。目前，金属铸件的质量和形状都受到了一些限制，比如，对于黑色金属，只能用简单的铸件，铸件的重量也不能过大。

3.4 低压铸造

低压铸造是将液态金属通过加压填充模腔而制成铸件的一种工艺。因为使用的压强比较低，因此称为低压铸造。低压铸造工艺包括升液、充型、结壳（铸型）、增压、保压（结晶凝固）、排气（卸压）[6]。加压-在一个密闭的坩埚中，通过浇道将金属液体输送到模具的流道，然后将液体注入模具。低压铸造的浇注工艺参数可以通过人工调节，并根据铸件的结构及选择的材质来决定。随着时间的推移，除气装置的作用也会随着温度的变化而改变，在使用除气装置的过程中，还必须要考虑到液态铝合金的温度。

4 铝合金铸造生产技术

4.1 模具的设计和制作

模具的设计和制作是铸造工艺的关键。在低温铸造过程中，铸件的大小几乎没有改变。温度低于700 ℃时，不会产生氧化，也不会产生脱碳。随着科学技术的进步，铸造行业的技术水平也随之提高。例如，在铸造行业中，柔性控制已基本步入了自动化的发展。它的制造技术也在不断的被广泛的运用，不仅仅是航空、汽车、家电、电子等行业，更是各国的支柱产业。因此，只要变形能处于成形能的范围之内，冷铸工艺可以获得较高的尺寸精度和表面质量[7]。

4.2 半固体铸造工艺

半固体铸造工艺是铸造生产的核心与基础，其目标是得到一种类似于球状的半固体晶体，该晶体结构具有触变性，对半固体铸造来说是必不可少的。这种工艺具有较低的成型温度（例如，可使铝合金降低1200 ℃），从而节约了能耗。同时，提高了模具的使用寿命。在制备半固体合金时，应先将液态金属溶液冷却至约40%的固相，同时冷却速率对一次相的形成有一定的影响，在一次相结晶冷却速率高时，液态过冷度高，形核速率明显提高，而长大速率则很小，因此晶粒变得更细。

4.3 粉末铸造生产技术

粉末铸造工艺主要有：闭模铸造，成形后的坯料具有更简单的外形，并且其外径远小于模具的内径，而且在铸造过程中会出现飞边，这是一种与传统的铸造工艺相似的工艺。在制造高致密部件时，通常采用无飞边铸造和闭模铸造。在粉末铸造中，预成形坯料的设计与制作是一个重要的环节。无飞边铸造，此铸造是在模具内进行的，物料沿水平方向流动，铸件不会出现飞边。

5 铝合金铸造工艺优化技术的实践应用研究

在进行铝合金浇注时，浇注工艺的选择是关键，它的好坏将影响到产品的成败。比如，浇注的温度会对铸造过程中的内壁形状有一定的影响，如果浇注的温度过高，则会增加铸坯的内壁和内壁出现偏析、收缩的可能性。如果充模的温度太低，会使薄壁的品质下降，从而产生空隙等问题。以下对铝合金浇注过程中的关键技术进行了详细的论述。

5.1 正确地选取铝合金的浇注工艺

在实际生产中，许多铝合金铸造产品尽管其组织性能较为简单，但其许多部分厚度分布不均匀，且由于各热节的分布比较密集，所以其对产品的外观和内在品质的要求也比较高，所以其制造过程非常困难。在中、大尺寸的薄壁铝材中，如何选取合适的加工工艺是一个重要问题。

5.2 对铸造体系进行适当的定位

由于铝合金铸造工艺复杂，需要对铸造体系的定位进行适当的调整，以防止出现缩松和气孔等问题。在其凸缘的一头，应该有一个流入内部和横向的浇注，达到迅速进料而不是冷却的目的，从而保证铸造过程的连续性，进而保证了法兰处力学性能。

5.3 3D 模拟铸造

对铝合金铸造进行3D 造型，其目标在于为工艺参数和工艺实现过程的管理和控制搭建了一个平台。在进行工艺仿真时，保温棉、模具、型心等都是加工组件，具有不同的特性，所以模型时要尽量保证每个零件与实际位置、尺寸一致。特别是对某些不规则的表面，要尽可能地进行恢复。另外，在仿真过程中，相互孤立及分散的部件应该是不连接的，而在过程仿真中，必须将同一材质的零件加工成一个完整的部件。

5.4 决定过程仿真与过程的最佳化

在对铝合金浇注工艺进行仿真与优选时，采用了三种不同的方法对其进行了仿真。在此基础上，采用CAD 界面进行预置，主要由模拟计算、孤立熔池计算、浇注系统计算3 部分组成，最后将其整合到模具设计的最后进行后加工，再由3D 软件生成。另外，利用CAE 软件对铸造过程进行预加工，根据这些参数进行流场和温度场的计算，然后进行铸造过程的分析和预热，最后再进行铸造过程的分析和预加工。如果有，就将其输出到实际的制造中；如果没有，就返回到最初的步骤，用差分软件对过程进行分析，并对所有的参数进行再计算。在建立模具和仿真的过程中，要根据模具设计的需要加入低压浇注的相关技术。

6 铝合金铸造工艺优化技术的发展分析

以上所述的工艺是基于三维建模和工艺模拟的工艺优化技术，可以在工艺选择前预先做出工艺的预报，并根据工艺条件的变化来改进工艺，从而达到改善铸坯的品质。随着科学技术的进步，使用的高技术手段也日益增多。目前，在铝合金工艺优化中有很大发展空间的是一种具有极高潜力的计算机辅助制造技术，该技术在故障诊断、缺陷分析、工艺编制、仿真等方面具有很好的实用价值。其实质是以知识基础为中心，依据现实问题的需求，选择适当的控制战略，并利用逻辑机制解决问题。

目前，在铸造行业中，专家系统的使用越来越普遍。由于现代铸造技术需要各种生产工艺的协同作用，因此，对于铸造技术人员的经验、技能和专业知识水平都有很高的要求，因此，专家体系是一个很好的选择。许多生产过程中出现的问题，都可以由专家体系来解决。就当前而言，有关铸造工艺的专家体系，包括铸造工艺选择、铸造工艺设计、铸件缺陷的分析。

当前，铸造过程专家体系的发展方向是：首先是加强、完善和拓展已有的领域。由于技术发展的局限性，目前铸造技术的发展重点是铸造方法的选择和缺陷分析，而在生产管理、产品质量跟踪、成本预算等领域的推广。其次，由于高精度、高速度的生产和高效率的需求，会导致大量的高科技生产技术出现，而随着铸造技术的不断发展，铸造技术的发展必将与这种技术相结合，从而克服传统技术的局限，从而使其在实践中的应用得到极大的提高。最后，基于大数据技术，可以使专家体系的知识库自动生成，从而提高设计的工作效率。开发应用范围更广、功能更强大、开发工具更完善、开发更完善的铸件过程技术人员系统。

在铸造工艺法选取模组的设计阶段，采用了基于知识基础的逻辑结构，对所含的知识进行整理、过滤，这是一种积极的推论。也就是说，当使用者将流程的资料录入到系统中，然后由知识库来判定是否符合规定，如果不符合，就会重新录入新的流程，如果没有，则将其记录下来，然后将其输出。在铸造过程中，需要输入尺寸精度、表面粗糙度、壁厚、铸造圆角、形状复杂度等因素，以此来选择出满足要求的铸造工艺。

7 结语

常规的铝合金浇注技术大多依赖于技术工人的经验与知识，如果出现严重的质量问题，很容易导致工艺的生产工作白白地进行，从而导致大量的时间和金钱的损失。采用现代的计算机技术，经过多次实验，找准了最优的浇注工艺，并利用计算机仿真来解决问题，从而达到改善产品的质量和缩短生产时间的目的。