袁宏伟
贵州航天风华精密设备有限公司，贵州贵阳，550009
摘 要：针对壁厚不均匀铝合金框架零件传统差压铸造存在的缩孔和疏松问题，分析了铸件缺陷形成原因，通过改进合金液质量、加大底板浇道与托板浇道及立筒尺寸、增大补缩通道等措施对差压铸造工艺进行了优化。实验研究表明，改进后的工艺实现了大壁厚差框架铸件的整体同时凝固和局部顺序凝固，较好解决了铝合金主体框架铸件生产过程存在的缩孔、疏松问题，铸件合格率提高到83.3%，为类似壁厚不均匀铸件的生产提供有益参考。
关键词：铝合金；差压铸造；壁厚；缺陷；浇注系统
Optimization of counter pressure casting process for aluminum alloy frame parts with uneven wall thickness
YUANHongwei
（GuizhouAerospaceFenghuaPrecisionEquipmentCo.,Ltd.,Guiyang Guizhou， 550009）
Abstract: Aiming at the problem of shrinkage cavity and porosity in the traditional counter pressure casting of aluminum alloy frame with uneven thickness, the causes of casting defects were analyzed, and thecasting process was optimized by improving the alloy liquid quality, increasing the size of the bottom gate, supporting plate gate and vertical cylinder, and increasing the filling channel.The experiment shows that the improved process realizes the simultaneous solidification and local sequential solidification of large wall thickness difference frame castings, and solves the problems of shrinkage and porosity in the production process of main frame castings. The qualified rate of castings reaches 83.3%, which provides a useful reference for the production of similar uneven wall thickness castings.
Keywords: aluminum alloy;counterpressure casting;wall thickness;defect;gating system
引言
随着航空航天技术的快速发展，各种复杂薄壁结构铸件的需求日益增加，对铸件的性能要求也越来越高，制造难度不断加大[1-2]。框架类零件是航空航天产品的主要结构件，结构较为复杂，薄壁且壁厚不均匀,通常采用差压铸造进行生产。差压铸造是通过增压或减压的方法形成上下压差,从而使金属液在该压差下充型，并在压力下凝固的工艺，在复杂薄壁铸件的生产中有一定的优势，但在金属液充型方面还存在一定程度上的局限[3]。框架类结构件铸造过程中热节多而且分散，铸造难度大，常产生裂纹、缩孔、疏松等缺陷，导致铸件的成品率低，造成了较大的经济损失。
本文针对铝合金框架铸件型大且壁薄不均匀等结构特点，分析了铸件缺陷形成原因，提出了一种优化的砂型差压铸造工艺方案，有效解决了大型薄壁铸件出现的缩孔、疏松等缺陷，显著提升铸件生产效益。论文研究为壁厚不均匀铸件的生产提供技术参考，具有较高的工程价值。
1框架零件及其铸造工艺
1.1铸件结构分析
主体框架零件结构如图1所示，该零件为圆壳类框架结构，由八个面组成，侧面开槽，槽形状大小不一，结构较为复杂。该铸件外围最大轮廓φ327mm，高308mm，各处壁厚不均匀，最大壁厚27mm，最小壁厚6.5mm，壁厚差20.5mm，平均壁厚16.75mm，是一个壁厚差较大的框架类结构件。主体框架零件材料为ZL114A，其成分如表1所示，它是一种具有良好的铸造性、耐腐蚀性及可靠性的铝合金材料，被广泛用于铸造复杂高强度的铸件。铸件要求全部进行X光，荧光检查，且要求铸件外部A、B、C面不允许补焊，铸件的外观质量和内部质量要求都较高，加工后的表面不允许有夹渣、欠铸、疏松及裂纹等缺陷，质量需符合II类铸件要求。
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1.2传统差压铸造工艺
主体框架零件的传统差压铸造工艺如图2所示。该工艺采用缝隙浇道进行浇注，该浇注系统由“米”型横浇道、内浇道、立桶缝隙式浇道组成。外圆柱面上开设缝隙浇道，对于后续的铸件清理比较方便，外圆柱面机加工后即可完全去除残余的缝隙浇口。横浇道截面为八边形，高度尺寸大于宽度尺寸，可有效减少合金液流动过程中的热量损失，提高合金的流动性及充型能力[4]。内浇道与升液管相连，金属液自升液管进入6个垂直内浇道自下而上进行充型，实现金属液逐层填充，保证浇注系统温度高于铸件温度，实现顺序凝固并保证有效补缩[5]。但是，由于铸件的壁厚差值较大，在铸造生成时温度场很难控制，其在生产过程中侧壁浇道处容易出现裂纹、缩孔、疏松缺陷，严重影响铸件质量，致使主体框架铸件合格率极低，仅15%。
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1.3 铸造缺陷分析
主体框架零件结构为壁厚不均匀铸件，最大壁厚为27mm，最小壁厚为6.5mm，壁厚差20.5mm。巨大的壁厚差导致铸件浇注过程中难以实现顺序凝固，同时对缩孔疏松部位难以实现有效的补缩。在传统浇注系统中，热节很分散，且大多数分散的热节都远离浇口，无法实现浇口对远端热节的补缩作用，因此在分散的热节处极易出现缩松缺陷。同时，该框架铸件侧壁结构较为复杂，侧壁浇道处易导致缩孔和疏松[6]。
由于侧壁浇道处浇道较小，金属液凝固收缩的补缩量不足，铸件的壁厚较大处相比壁厚较小处凝固慢，该处的凝固温度场难以控制，在继续凝固收缩时先凝固的位置受压应力，后凝固的铸件厚大台阶处受拉应力，当应力大于一定值时，应力集中，就在该处形成了裂纹。
2差压铸造工艺优化
针对以上问题，本文对原有浇注系统进行了优化和改进，工艺优化方案如下：。（1）增大侧壁处立筒直径：将侧壁两块板位置立筒直径增加为φ60mm。加大底板横浇道，增大铸件凝固补缩通道，延长浇道的凝固时间，使铸件凝固时充分补缩。（2）加大底板横浇道:将原有截面尺寸由35×40mm改为60×65mm。横浇道的截面积的增加，有利于金属液体的充型，同时增大补缩通道，延长浇道的凝固时间，使铸件凝固时的补缩能力增强。（3）加大托板浇道：将原有托板截面由Φ45mm改为Φ60mm。托板浇道的增大，亦可以增大框架铸件的补缩通道，从而进一步延长浇道的凝固时间，使框架铸件在凝固时能够充分补缩。（4）在侧壁两块厚板内外位置增加冷铁。冷铁起到激冷作用，调节凝固顺序，实现同时凝固，有效改善裂纹缩松问题。优化后的差压铸造浇注系统如图3所示。
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3主体框架零件铸造工艺验证
为验证优化后的差压铸造工艺，对主体框架零件进行了铸造试制，其铸造工艺流程如图4所示。首先根据优化改进方案制定相关生产工艺并绘制铸造工艺图，并根据铸件模型采用橄榄石砂进行造型修型。同时，合理确定配料对ZL114A进行冶炼，对合金液进行化学分析。然后浇注试样，浇注温度680-685/℃，利用差压浇注原理进行压力差充型和补缩，其中，同步压力500kPa，升液速度40（mm·s-1），充型速度42/（mm·s-1），充型压力45kPa。铸件在10kPa的结晶增压压力条件下冷却结晶，结晶增压速度1.5/kPa·s-1，结晶时间为180s。然后对冷却得到框架铸件进行X光、荧光检查，检验铸件质量。
同时，为提高铸件的质量，在铝合金精炼过程中选用性能良好的精炼剂，减少因凝固而造成的氢析出导致的铸件产生缩松、气孔。调整了压铸参数，使铸件充型过程中合金液平稳充型，铸件体内本身气体随充型进行排出铸件体内[7]。
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采用优化后的差压铸造工艺生产了30件主体框架零件（如图5所示），通过X光与荧光检查，合格铸件为25件，铸件合格率83.3%。实验结果表明，改进后主体框架零件差压铸造工艺较好的解决了的缩孔、疏松问题，铸件合格率显著提高。
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4 结论
针对铝合金框架零件传统铸造中出现的缩孔、疏松、裂纹等导致成品率低的问题，分析了铸件缺陷形成原因，根据框架零件壁薄不均匀的结构特点，通过改进合金液质量、加大底板浇道与托板浇道及立筒尺寸、增大补缩通道等措施对差压铸造工艺进行了优化。实验结果表明，该铸件合格率由15%提高到83.3%，显著提高了生产效益，为类似壁厚不均匀铸件的生产提供有益参考。
参考文献
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[3]王英杰. 铝合金反重力铸造技术[J]. 铸造技术，2004（5）：361～362.
[4]崔恩强,刘颖卓,孙浩,迟秀梅,陈俊杰,蒋李超,游辉辉.ZL114A异型舱体差压铸造模拟及变形控制[J].热加工工艺,2019,48(23):82-85.
[5]宋建民,冉春玲,郭江荣.大型薄壁铝合金筒体铸件差压铸造工艺设计[J].热加工工艺,2012,41(03):190-191.
[6]郭李胜, 叶凤柏, 郭全生. 铝合金支座铸件的压差铸造工艺研究[J]. 铸造设备与工艺, 2013(02):36-38.
[7]马东良,马东辉,刘佳佳,高远. 压铸铝合金气孔防止措施及技术发展[A].第十三届中国国际压铸会议暨第4届有色合金及特种铸造技术国际研讨会,2018:3.
作者简介：袁宏伟，1977年09月，男，河南洛阳人，高级工程师，主要从事航空航天高性能铝镁合金铸造、增材制造等技术研究，在大尺寸、复杂结构的框架、舱体类结构件成型方面具有丰富的研究经验。