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金属型重力铸造铝合金壳体及模具设计

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摘要:对某复杂铝合金壳体零件的结构进行分析,确定了采用金属型重力铸造工艺。首先进行了机开模的模具结构设计,进行实际验证后,发现该工艺存在厚大处易产生缩松、薄壁处易产生浇不足、远端易产生冷隔,且顶出和取件困难等问题,因此对铸造工艺进行了改进并对模具结构进行了优化设计,解决了部分问题。为彻底解决铸件缺陷的问题,改进方案设计手开模,铸件水平放置,保证顺序凝固,冒口设在侧面,同时对热节处设置补缩通道,并用覆膜砂芯代替抽芯,再次试制,可以得到外观良好,内在品质符合要求的产品。

关键词:铝合金;金属型重力;铸造工艺;模具结构

铝合金结构件常用的铸造工艺有砂型铸造、金属型铸造和低压铸造等。砂型铸造所用的造型材料价廉易得,铸型制造简便,对铸件的单件生产和批量生产均能适应,是常用的铸造生产工艺,但砂型铸造会出现气孔、缩孔、缩松等铸造缺陷[1]。除此之外,砂型铸件还存在铸件表面质量差、成形精度低等问题[2],且不太容易达到环保要求。与砂型铸造相比,金属型铸造有力学性能高、尺寸精度高、表面粗糙度低、批量生产质量稳定性好等优点[3]。低压铸造设备投入大,试制周期长,前期准备工作时间长,产品适用性也不如金属型重力铸造强。因此,本课题采用金属型重力铸造生产某铝合金壳体铸件,以期为铝合金壳体类铸件的生产提供参考。

1产品零件的工艺分析

图1是复杂壳体零件,外形尺寸为150mm×130mm×70mm,壁厚最厚处为30mm,最薄处为3mm,壁厚不均,零件上下平面有凸起的铸字,部分铸字高度不到4mm。产品材质为Al-7Si-0.3Mg铝合金,为安全结构件。零件外观要求均匀一致,不能有凸起或凹陷,内部不允许有铸造缺陷。此壳体铸件结构复杂,尺寸较小,壁厚不均,外观要求较高,且铸造尺寸公差等级高,因砂型铸造难以达到要求,也不适合采用低压铸造。综合考虑,最终采用金属型重力铸造工艺成形。

2金属型重力铸造工艺与模具结构

2.1初始工艺方案

对于体积收缩较大的合金,浇注位置应尽量满足顺序凝固的原则。铸件厚实部位一般应置于浇注位置下方[4]。铝合金体积收缩较大,且此零件热节较分散,同时考虑后期切割清理操作等条件,在零件相对较厚的位置设置了浇冒口,见图2,使其能够建立顺序凝固的条件。把薄壁部分放在内浇道以下或置于铸型的下部,以免出现浇不足、冷隔等缺陷[4],但是受限于浇注机的结构,将零件薄的筋片放到了侧面,同时铸字也位于侧面。浇注机有底抽芯机构,零件内腔成形可由铁芯形成。设计制作了机开模,模具工艺结构见图2。模具安装到左右开倾转浇注机上,零件立放,使两面铸字位于侧面,顶部设置浇冒口,左右分型,侧面抽芯,底部油缸抽芯,侧模设置顶杆顶出,侧面薄立筋处设置排气塞。此工艺在试制过程中发现存在几个问题:①下部厚大处易产生缩松;②侧面细筋处极易产生浇不足缺陷;③远端壁厚3mm处易产生冷隔;④因顶杆和排气塞的设置导致产品外观有凸起或凹陷,顶杆印经修磨并抛丸处理仍难以使铸件达到外观均匀一致的目的;⑤因起模斜度非常小,底部油缸抽活块困难,铸件易拉伤。针对存在的问题,对其进行了优化改进:①针对铸件下部厚大处易产生缩松的问题,在侧模分型面处增加一处砂芯,并在侧模上增加从冒口至下部厚大部位的补缩通道。解决了零件下部厚大处缩松问题,也避免了不能开模的问题;②通过调整铝液充型速度和提高铝液温度后,铝液的充型能力得以提高,因而薄筋处的成形有了明显改善,远端冷隔问题也得到解决;③提高铸型排气能力可以解决铸件浇不足的缺陷问题[5];为此,在侧模对应立筋位置多开排气孔,镶装排气塞,解决了铸件侧面立筋成型不完整的问题;④铸件外观不均匀的问题,在调整顶杆和排气塞后,未能够彻底解决。⑤铸件内腔易拉伤的问题也没有得到有效解决。

2.2优化工艺方案

针对铸件顶杆印和拉伤问题,经过讨论分析,改用金属型重力铸造手开模,可以使模具结构设计更灵活。将冒口设在了铸件侧面。对零件其他热节分散位置也设置了补缩通道,保证零件所有热节能够得到有效补缩,避免了缩松产生。将铸件水平放置,使薄壁筋片位于下部。原底抽芯处采用覆膜砂芯成形,覆膜砂芯由上下模孔销进行定位支撑,浇冒口设置位置不变,整个模具结构未设顶杆,只在上模个别位置设置了排气塞,在零件筋片难成形处和开模困难位置设置活块,模具活块分型位置尽量选择筋片中间位置,并在活块上开设排气槽,以增加铝液的充型能力,防止浇不足产生。铸字分别位于零件的两个面上,在模具设计中,使其中一面位于模具下部,另一面处于模具上部活块处,活块背部中间部位去空。具体结构见图3。相较于初始工艺,优化工艺优点有:①薄壁筋位于下部,有利于其成形,防止浇不足;②原底抽芯处采用覆模砂芯成形,零件内部的覆膜砂芯部分只需在后期清理时去除砂芯即可,避免了开模抽芯,从而解决了初始工艺底抽芯开模困难、易拉伤、3mm薄壁处不易成形的问题;③模具结构整体采用抽活块,活块分型位置设置在筋片中间,未设置顶杆,使铸件外观有很大改善,达到了对铸件的外观要求;④有铸字的模具上部活块背部中间去空,可以减轻模具上部活块的吸热,保证模具有较高的温度,从而有利于铸字成形。

3结语

(1)初始方案采用机开模,受浇注机限制,须在模具上设置顶杆来顶出铸件。而优化方案采用手开模,采用抽活块的分型方式,未设置顶杆,铸件也能够顺利取出,从而使得铸件外观品质明显改善。(2)此复杂壳体内腔起模斜度小,开模时铸件对铁芯有较大的抱紧力,初始方案不易开模,且易拉伤。优化方案采用覆膜砂芯代替抽芯,开模时,原铁芯处较大的抱紧力消失,铸件出模顺利,而且覆膜砂芯的外观质量也比较高,可以满足要求。(3)采用优化方案的铸件成形饱满,外观质量得到了明显的提升,内在品质也符合要求,模具操作方便。

参考文献

[1]刘连.砂型铸造刹车盘的工艺优化[J].机电工程技术,2018,47(2):123-125.

[2]陈胜娜,余欢,徐志锋,等.镁合金低压铸造的研究进展[J].铸造,2012,61(12):1405-1409.

[3]姜不居,吕志刚.铸造技术应用手册(第5卷):特种铸造[M].北京:中国电力出版社,2010.

[4]李传栻,李魁盛.铸造技术应用手册(第4卷):铸造工艺及造型材料[M].北京:中国电力出版社,2012.

[5]日本铸造工学会.铸造缺陷及对策[M].张俊善,尹大伟译.北京:机械工业出版社,2008.

作者:柏立敬 王振良 单位:河北欧瑞特铝合金有限公司技术部

金属型重力铸造铝合金壳体及模具设计责任编辑:张雨    阅读:人次
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