重力铸造铝制机电外壳哪家做的好：从重力铸造到低压铸造

重力铸造铝制机电外壳哪家做的好：从重力铸造到低压铸造1 浇注系统设计图2 砂芯、金属型装配图电气箱材质为ZL101合金，其合金成分见表1，密度为2.66 g/cm3，该合金的铸造性能良好，流动性好、气密性高、耐蚀性高。可进行热处理强化，具有自然时效能力；铸件结构见图1。其轮廓尺寸为320 mm×215 mm×182 mm，最大壁厚Lmax=22.75 mm，最小壁厚Lmin=14 mm，铸件毛坯质量为4.759 kg，采用低压铸造工艺生产。铸件整体壁厚均匀，在内部四个角处有圆搭子，厚度较大，最大可达34 mm，容易形生热节；在铸件的内部两侧有凸台，厚度为6 mm，平台和凸台之间相互隔离，金属液在此处的流动性会受到一定程度的影响；箱体的前部有内径为62.5 mm、深9 mm的槽孔。根据铸造工艺要求，铸件上的槽孔、螺纹孔等可后续加工。采用UG10.0进行三维建模，模型中有铸件、砂芯以及外围包围的金属型，并进行装配，见图2。图1 铸件模型

导读

针对传统重力铸造船用铝合金电气箱缺陷严重的问题，设计了低压铸造工艺方案，基于ProCAST软件对铸件的生产过程进行了模拟，并根据模拟结果对工艺方案进行了改进。结果表明，选用合理的浇注位置，在箱体内部增设内浇道，且在铸件上部增设冒口，不仅可以对铸件进行有效补缩，同时可收集浮渣，提高铸件品质。

关键词：低压铸造；ProCAST；缩松；冒口

船用铝合金电气箱是船舶常用工件之一。其通常与多种电气元件相互装配，在水下工作，服役环境较差，对电气箱体的要求较高。铝合金电气箱传统的铸造工艺为重力铸造，铸件缺陷较多，铸件的合格率低其性能也不能满足正常的使用。低压铸造可以控制浇注过程中合金液的充型速度，使金属液层流充型，保证充型平稳，所得铸件性能良好。铸件在凝固过程中仍处于一定的压力条件下，浇道内的金属液可以起到补缩作用，使铸件组织更加致密，缺陷也相应的减少。

电气箱材质为ZL101合金，其合金成分见表1，密度为2.66 g/cm3，该合金的铸造性能良好，流动性好、气密性高、耐蚀性高。可进行热处理强化，具有自然时效能力；铸件结构见图1。其轮廓尺寸为320 mm×215 mm×182 mm，最大壁厚Lmax=22.75 mm，最小壁厚Lmin=14 mm，铸件毛坯质量为4.759 kg，采用低压铸造工艺生产。铸件整体壁厚均匀，在内部四个角处有圆搭子，厚度较大，最大可达34 mm，容易形生热节；在铸件的内部两侧有凸台，厚度为6 mm，平台和凸台之间相互隔离，金属液在此处的流动性会受到一定程度的影响；箱体的前部有内径为62.5 mm、深9 mm的槽孔。根据铸造工艺要求，铸件上的槽孔、螺纹孔等可后续加工。

采用UG10.0进行三维建模，模型中有铸件、砂芯以及外围包围的金属型，并进行装配，见图2。

图1 铸件模型

图2 砂芯、金属型装配图

1 浇注系统设计

根据箱体铸件的结构特点以及考虑铸件的凝固顺序和补缩情况，且为了获得致密的铸件，采用底注式浇注系统。根据不同铸件结构选择合理的内浇道位置和数量，保证铸件充型过程的平稳性和凝固顺序的合理性。在压力作用下，金属液通过浇注系统不仅可以填充型腔同时还可以充当补缩冒口，在结晶保压压力下，使铸件得到补缩效果更好。设计以下两种浇注系统，见图3。

(a)方案1 (b)方案2

图3 带有浇注系统的铸件三维模型

低压铸造的充型工艺主要包括升液、充型、增压、凝固和卸压冷却等。在升液阶段金属液尽可能缓慢，有利于型腔内的气体排出；充型阶段保证充型平稳，充满型腔后增压凝固，保证得到致密铸件，随后冷却卸压，完成整个充型过程。根据相关计算公式，确定好各阶段压力值和时间，具体工艺方案见图4。

图4 箱体低压铸造工艺图

考虑电机箱的箱体的结构，在箱体的内部有局部厚度较大处以及平台，有多处壁厚不均匀处，为了保证平稳充型以及顺序凝固，采用底注式浇注系统，有利于铸件的补缩。

2 初始模拟结果

根据实际生产经验，设置初始浇注温度为700 ℃，砂芯温度为25 ℃，同时金属型预热到300 ℃，铸件与砂芯之间的传热系数设为750 W·m-2·K-1，铸件与金属型的传热系数设为2 000 W·m-2·K-1，砂芯和金属型的传热系数设为500 W·m-2·K-1，运用ProCAST软件对两种浇注系统进行模拟[8]。图5为箱体的两种浇注系统充型过程温度场模拟。

(a)方案1，t=7.418 1 s (b)方案1，t=9.798 1 s (c)方案1，t=13.699 1 s

(d)方案2 t=6.318 0 s (e)方案2 t=8.681 4 s (f)方案2 t=11.717 8 s

图5 铸件充型温度场

图6为两种方案的缩松缩孔的具体形成位置。可以看出，方案1没有浇道通入铸件的内腔，铸件充型时间较长，且金属液在在型腔内所受的阻力较大，流动性较差，在铸件的凸台圆搭子处有较为严重的缩松，铸件的顶部在金属液进入后，时间较长，温度降低，金属液的流动性降低，金属液的补缩能力降低，而铸件圆搭子处由于厚度较大，在凝固过程中易产生热节，故在圆搭子处有较为严重的缩松。即在图6中圆搭子以及凸台处缩松严重。

图6 模拟缩孔缩松产生位置

3 工艺改进及验证

方案2有浇道通入箱体内部，金属液进入浇道后可以更好的填充型腔，在压力的作用下，可以使浇道里的金属液对铸件进行补缩，且整个铸件的充型较为平稳，铸件的温度场分布也较为合理，符合顺序凝固，箱体铸件的缺陷也较少。对比可知，方案2更为理想。同时，针对箱体圆搭子处的缩松缺陷，可以考虑增设冒口进行补缩，增设的冒口直径为0.5 dm，冒口高度为0.75 dm。

考虑在凝固过程中，当内浇道末端凝固，不再对铸件上部以及冒口处的熔体施加压力时，上部冒口金属液可以加大对圆搭子处的补缩。此外在低压充型的过程中，可以将型腔内的涂料、氧化物等杂质在充型过程中上浮聚集在上部冒口处，保证了铸件的品质。图7为增设冒口方案及网格划分结果。

(a)浇注系统三维图

(b)面网格划分

(c)体网格划分

图7 增设冒口方案及面网格、体网格

前处理完成之后，在Cast模块按照初始浇注系统方案的参数进行设置，其中浇注温度为700 ℃，砂芯温度为25 ℃，金属型温度为300 ℃，对修改后方案进行模拟仿真。图8为铸件充型过程。可以看出，铸件在5 s时在升液压力的作用下刚刚抵达升液管的顶部，随后进入充型阶段；在充型压力的作用下，金属液开始逐渐上升，进入腔体内部，在6.899 3 s时金属液充满下部浇注系统并开始进入型腔内部，随后在压力作用力，金属液较为平稳的进入型腔。充型过程相对平稳，无明显卷气现象，之后金属液充入冒口处，在13.574 0 s时充型完成。

(a)t =0 s

(b) t=5.000 0 s

(c) t =6.899 3 s

(d)t =8.336 5 s

(e)t =9.352 4 s

(f)t =13.574 0 s

图8 充型过程模拟

图9为铸件的凝固过程。可以看出，当t=13.574 0 s时，铸件开始凝固，基本上是在充型结束的同时开始凝固。铸件的外围被金属型包裹，传热系数大，所以铸件冷却凝固是由外向内逐渐凝固的，而浇道处于砂芯内部，其传热系数较小，则浇道内的金属液可以保证较高的温度以及较好的流动性，因此，在充型结束后的凝固期间，浇道内的金属液在保压压力的作用下仍可以对铸件进行一定量的补缩。而冒口上的金属液在凝固时会与圆搭子处形成补缩区域（见图9中1处），对铸件上的圆搭子起到一定的补缩作用；即在浇注系统的内浇道末端凝固后（见图9中2处），会切断浇道与上部铸件和冒口之间的压力作用关系，此时，上部冒口处的金属液仍具有流动性，从而对下面的圆搭子进行补缩；此外，在金属液充型上升期间，型腔内部的涂料以及一些氧化夹杂物会随着金属液的上升而被挤推到冒口处，同样可以保证铸件的品质。整个铸件的凝固过程符合从外到内的顺序凝固，最终凝固区域保证在浇道以及冒口里，符合实际生产要求。

图9 凝固过程

当铸件凝固完成后，缩松主要集中在冒口和浇注系统里，充分发挥了其补缩的作用。虽然额外增加冒口会消耗更多的金属液，但冒口尺寸较小，并且可以起到良好的补缩效果，保证了铸件的品质。与原浇注系统相比，缩松、缩孔面积明显减小，由此可知增设的冒口补缩效果良好。

图10 缩松缩孔结果

由以上分析可知，在对原有的工艺方案进行了改进，并且在电气箱体的顶部加上补缩冒口，使铸件圆搭子处的缩松情况得到显著改善。根据试验结果，在铸造现场进行了投产试制，试制效果良好，实际铸件见图11。

图11 实际生产的铸件

4 结论

（1）重力铸造充型时，电气箱在圆搭子处有严重的缩松、缩孔，以及表面气孔等缺陷，废品率达到60%以上；采用低压铸造工艺后，产品的合格率明显提高，可达95%以上。

（2）根据充型和凝固模拟结果，分析了铸件的充型过程和凝固特点，对原有的铸件工艺进行了改进，选择合理的浇注位置以及增设4个冒口，获得了良好的铸件，可以为实际生产提供了一定的指导意义。

文献引用：王晓磊，孙少纯，李燕杰. 低压铸造船用铝合金电气箱工艺研究[J].特种铸造及有色合金，2021 41（7）：913-917.