摘要
壓殼鑄件應用於許多流體工程領域中。根據壓殼鑄件的結構特點，首先基於其CAD圖利用UG軟體對該鑄件進行了三維建模，然後設計其鑄造工藝方案，並利用數值模擬軟體ProCAST進行了工藝方案最佳化，分析了鑄件的充型過程、凝固過程及縮孔、縮松缺陷分佈等，最終確定了壓殼鑄件的最佳鑄造工藝方案。再採用樹脂砂利用數字化無模精密鑄造成形機加工出砂型及砂芯，然後合型，熔鍊金屬液，進行實際澆注，對壓殼鑄件進行了試生產。所獲得的鑄件完全符合圖紙的技術要求，為該壓殼鑄件採用重力鑄造方法進行下一步中試生產奠定了工藝基礎，同時也為其他壓殼類鑄件的鑄造工藝設計提供了一定參考。
1 鑄件的結構特點及要求
該壓殼鑄件的基本尺寸為157。8mm×151。1mm×64。6mm，材質為AlSi7Mg0。3，重量為0。91kg，鑄件的三維模型及主要尺寸如圖1所示，屬於小型複雜件。其技術要求包括：未注鑄造公差應符合BS6615/ISO 8062及工程標準E3-20，缺陷需符合工程規範E4-05-006，鑄件需符合材料規範中的相關質量要求。該鑄件的最小壁厚為4mm，多個面要求不允許存在飛邊、毛刺和凸起，因此需要著重考慮好澆注位置和分型面；此外，該鑄件最大截面不在同一平面上，因此要合理設計好分型面。
圖1 鑄件的三維模型及輪廓尺寸
該壓殼鑄件的中間部位和垂直法蘭處壁厚相對較大，容易形成熱節，易在凝固過程中形成收縮缺陷，因此，在這兩個位置要新增冒口進行補縮。
2 鑄造工藝方案設計
2.1 澆注位置及分型面
首先，確定其澆注位置及分型面。由於採用數字化無模鑄造精密成形機進行造型，因此，在設計其澆注位置及分型面時要考慮機器是否可以將相應的砂型和砂芯銑出。透過查閱鑄造工藝手冊及比較不同澆注位置的優缺點之後，選擇如圖2所示的澆注位置和分型面，其優點是壁厚最大處位於上部有利於實現順序凝固，測量基準面位於下部，易於保證鑄造質量；分型面總體為平面，區域性為曲面分型，造型相對簡單，且不存在影響圖紙技術要求的平面（多個面要求不允許存在飛邊、毛刺和凸起）。
圖2 澆注位置和分型面
2.2 砂芯及澆注系統設計
根據鑄件結構，設計了兩個砂芯，如圖3所示。
圖3 兩個砂芯的三維模型圖
由於該件為小型鑄鋁件，在查鑄造手冊和相關資料後得知，鑄鋁件主要採用開放式澆注系統。開放式澆注系統在充型時可以保證充型液流速度低，從而充型平穩，還可以避免紊流和氧化膜捲入，從而保證進入型腔中的金屬液相對純淨，故本次工藝採用開放式澆注系統，各澆道截面比為ΣA直∶ΣA橫∶ΣA內=1∶1。4∶1。3。而且，採用中注式澆注系統，金屬液從中部流入型腔。由於該件結構為渦輪殼體結構，易在充型過程中產生卷氣的現象，因此側邊注入式的內澆道部分採用沿切線方向進行充型，這樣可以減輕卷氣，同時更有利於金屬液平穩地進入型腔。澆注系統的形狀如圖4所示。
圖4 澆注系統設計
對於鋁合金的澆注時間，可採用如下經驗公式進行計算：
式中：t 為澆注時間，s；s為係數，一般情況下取s=3；G為型內金屬液總重，kg。
由此計算出澆注時間為t =3。27 s，為了在實際澆注中便於控制澆注時間，取澆注時間為3 s。
查閱鋁合金手冊，採用公式（2）計算直澆道截面積：
式中：ΣA直為直澆道最狹窄處總截面積，cm²；η 為係數，通常取0。04~0。07；H為平均壓頭，cm，其計算公式見式（3）。
式中：H0內澆道以上的直澆道高度，cm；h0內澆道以上的鑄件高度，cm；h為鑄件高度，cm。
經計算得直澆道橫截面積為2 cm²。最終透過計算獲得的澆注系統各部分的橫截面及其尺寸如圖5所示。
圖5 澆注系統各部分的橫截面及其尺寸
3 鑄造工藝的初步模擬與分析
利用ProCAST軟體對該壓殼鑄件的初步工藝進行了模擬，其充型凝固過程模擬結果如圖6和圖7所示。
圖6 1。1 s時刻鑄件的充型速度場
圖7 3 s時刻鑄件的充型凝固溫度場
從圖中可以看出，金屬液沿著內澆道貼型腔壁注入然後逐漸充滿型腔，在整個充型過程中，金屬液流動相對較平穩，沒有出現明顯的卷氣現象。該壓殼鑄件的縮松、縮孔模擬結果如圖8所示。
圖8 縮孔、縮松缺陷模擬結果
從圖8中可以看出，除了澆注系統中之外，縮孔、縮松缺陷主要集中在鑄件頂部與靠近中部的厚大部分處，法蘭下部和法蘭後凸臺處也出現少量缺陷。這些缺陷出現的原因主要是這幾處部位均壁厚相對較大且散熱不易。
4 鑄造工藝的最佳化
根據壓殼鑄件的形狀特點以及上述模擬結果，對鑄造工藝進行了最佳化，設計了明頂冒口，設定明頂冒口的目的是對鑄件頂部進行補縮，以消除鑄件頂部與靠近中部厚大部分處的縮孔、縮松缺陷。同時，在法蘭頂部添加了1個扁出氣冒口，可以對法蘭部位的液態及凝固收縮排行補縮，而且與法蘭底部放置的一塊半圓形隨形冷鐵相配合，可以調節法蘭部位的溫度場分佈，以消除法蘭部位的少量縮孔、縮松缺陷。此外還添加了4個圓形出氣孔，主要是加強型腔內氣體的排出。最佳化後的鑄造工藝方案如圖9所示。用ProCAST軟體進行模擬，縮孔、縮松缺陷模擬結果如圖10所示。
從圖10中可以看出，壓殼鑄件本體內縮孔、縮松缺陷全部消除。因此，採用如圖9所示的最終鑄造工藝方案進行生產試製。
圖9 最佳化後的鑄造工藝方案
圖10 最佳化工藝方案的縮孔縮松缺陷模擬結果
5 壓殼鑄件的實際生產
5.1 鑄型的加工處理
採用樹脂砂利用數字化無模精密鑄造成形機（型號為CAMTC-SMM2000）分別進行上型、下型和砂芯的數控加工。利用UG軟體的加工模組生成砂型和砂芯的加工刀路，其中粗加工選用的刀具為Φ8mm的平刀；精加工時，選用Φ6mm的球刀，切削引數中的連線改為沿部件斜進刀，在層與層之間切削。
在加工好後的砂型和砂芯上分別塗刷醇基鋯英粉塗料，刷好塗料的砂型和砂芯如圖11所示。裝配好砂芯的下型如圖12所示。
圖11 刷好塗料的砂型和砂芯
圖12 裝配好砂芯的下型
5.2 鋁合金的熔鍊澆注及鑄件的後處理
接著進行合型， 準備澆注。將所需重量的AlSi7Mg0。3（ZL101A）鑄造合金錠放入到坩堝電阻爐中進行加熱熔鍊，設定熔鍊溫度為750℃，澆注溫度為（730±5）℃。採用鋁合金專用除氣除渣劑進行熔體處理，採用Al-5Ti-1B對鋁合金熔體進行變質處理。
鑄件冷卻1h後進行打箱和落砂處理，用工具將鑄件分型面位置的飛邊毛刺清理掉，最後獲得的鑄件（帶鑄造工藝）如圖13所示。
圖13 試生產的實際鑄件（含鑄造工藝部分）
對鑄件進行了質量檢驗，尺寸符合BS6615/ISO8062及工程標準E3-20的要求，可見，缺陷符合工程規範E4-05-006的要求，化學成分符合《鑄造鋁合金》國家標準規範中的相關質量要求。
6 結論
（1）針對小型壓殼鑄件的結構特點，進行了完整的鑄造工藝設計，並利用數字化無模精密鑄造成形技術進行了試生產，所獲得的鑄件符合圖紙技術要求，為該壓殼鑄件採用重力鑄造方法進行下一步中試及大規模生產奠定了工藝基礎，同時也為其他壓殼類鑄件的鑄造工藝設計提供了一定參考。
（2）採用文中最佳化工藝生產的壓殼鑄件，其工藝出品率為69%。如果需要進一步提高工藝出品率，則需要採用金屬型鑄造或低壓鑄造等特種鑄造方法。
（3）數字化無模精密鑄造成形技術具有砂型和砂芯加工精度高、可以進行曲面造型、無需製造模具、生產週期短等特點，特別適合於小批單件生產及鑄件的鑄造工藝開發和試製。
