铝合金箱体接头低压铸造模具设计及工艺

 刘玲玲  任爱梅  樊艳会  仪志恒

（1．河南机电高等专科学校机械工程系；2.河南新飞电器有限公司技术研发部）

摘要  针对铝合金箱体接头零件的结构特点，进行了低压铸造模具设计及工艺研究。从模具分型面、型腔尺寸和模具壁厚、排气系统及抽芯方式等方面进行了模拟分析。结果表明，金属液充型平稳，可实现顺序凝固，并具有良好的补缩效果。验证了低压铸造工艺方案和模具结构的合理性。

关键词  铝合金；箱体接头；低压铸造；模具设计

  低压铸造铝合金铸件性能优异。目前，国内外轿车铝轮毂绝大多数采用低压铸造工艺生产。采用低压铸造不但可以生产一些高品质的复杂精密薄壁铸件，又无需设计冒口和进行后续的机加工，已成为一种先进的近净成形铸造技术。

  本课题针对铝合金箱体接头，设计了该零件的低压铸造工艺和模具，并采用ProCAST软件模拟了低压铸造凝固过程，分析了铸造缺陷的成因及防止措施，验证了低压铸造工艺及模具结构设计的合理性。

1零件结构分析及工艺方案设计

1.1结构分析

铝合金箱体接头零件见图1。其材质为AC3A铝合金，质量为1 kg，其化学成分（质量分数）为：12%的Si、1.0%的Cu、1.0%的Mg、0.2%的Ti、1.3%的Ni、0. 2%的Zn，余量为Al。零件外形轮廓尺寸为295 mm×78 mm×128 mm，最小壁厚为2 mm。两个凸台厚度最高，且面与面之间的连接拐角也相对较为厚大。零件内部空间较大，需要采用大芯子，且两个芯子必须相互对接。铸件的气密性要求是在0.3 MPa的压力下保持15 s无泄漏。铸件采用T4热处理工艺。拟采用低压铸造工艺生产。

1.2  浇注系统设计

 低压铸造浇注系统应满足顺序凝固要求。

采用冒口的热节圆设计方法进行内浇口大小计算。

式中，D内为内浇口的直径，mm; D热为热节圆的直径，mm。计算得到内浇口半径为13 mm。

为了保证铝合金不被氧化且充型平稳，采用开放式浇注系统，为单升液管中心浇注，内浇口开在铸件底部较厚的凸台位置，以确保内浇口发挥补缩作用。根据经验数据，取S直：S内=2.0～2.3)：1。通过模拟分析最终得到最优的内浇口面积约为490 mm2，半径为12. 25 mm。直浇道面积为254 mm2，半径为9 mm，内浇口长度为15 mm。浇注系统示意图见图2。

1.3  加压工艺参数

 加压过程控制是低压铸造过程中一个关键的工艺条件，如果加压速度过小，模具很难充满，加压速度过大，液态金属在充型过程中容易产生紊流，并且模具内的气体来不及排出，铸件容易产生气孔等铸造缺陷。

充型加压压力的计算可以依据帕斯卡定律由下式得到。

式中，p充为充型压力，MPa;H为金属液上升的高度，cm;p为金属液密度，g／cm3；k为充型阻力，阻力小取下限，阻力大取上限。结合经验值以及合金液的牛顿粘度，这里k取1.2，由此得出充型压力p充为5 000 Pa。

 增压阶段是合金液充型完成后在一定时间内，突然增加压力给予补缩，使合金液在较高的压力作用下结晶。增压压力p增为(1.5～2．O)；p充为(7 500～10 000)Pa。保压阶段合金液在恒定压力作用下结晶凝固成形，保压压力取值与增压压力相同，保压时间不能小于铸件的凝固时间，经验值为60～100 s，试验取60 s。

 模具预热后，选用10%的Zn0和7%的水玻璃涂料进行喷涂，厚度控制在0.2 mm以内。

2模具设计

2.1分型面的选取

由于零件外表面突出结构较多，所以选择了多面分型方式，见图3。与铸件相接触的模具部分以7个模块组装，模块1固定，与模块2上下分型。模块3与模块4左右分型，模板5将小突出部位包围，确保3、4左右分型，与两个金属芯结合组成模具。模块3与模块4之间的分型面取一条无阻挡的倾斜平面。

2.2型腔尺寸的确定

计算金属型的型腔和型芯尺寸，要根据零件的平均公差加上基本尺寸算出平均尺寸，根据涂料厚度和线收缩率，再考虑到金属型预热后的膨胀和浇注时的膨胀，根据下式计算型腔尺寸A:

式中，A，为铸件平均尺寸，mm;K为综合线收缩率，%；艿为涂料层厚度，mm; AA为型腔尺寸制造偏差。根据经验及此零件结构，取综合线收缩率为0. 8%。

2.3壁厚的选取

 为了降低模具成本，减少金属模具的加工，同时使得金属型的热平衡符合铸件的要求，将模具设计成实体。这样虽然会增加模具的质量，但也提高了模具的强度和刚度。考虑到上方铸件壁厚，厚大的上半模具也使得充型过程中金属液能够顺序凝固。根据铸造工艺来看，上下模具预热温度不同亦解决了顺序凝固问题。

金属型壁厚为25 mm，模具整体结构见图4，金属型芯和模具材料均选用35CrMo模具钢。

2.4排气系统的设计

采用排气槽、间隙排气相结合的方法排气，在芯子上做排气塞式的槽子。将两个半型间的接触面做成排气槽，见图5。此排气槽在斜芯上，深度为1 mm，角度为60。，圆周上有12个排气槽。

2.5抽芯结构的设计

设计两个金属型芯，见图6。1号斜芯需进行有角度的抽芯，1号芯与2号芯之间要用插芯连接，选用液压抽芯机构抽芯。

3数值模拟

 利用ProCAST软件进行数值模拟，取浇注温度为670℃、上模预热温度为300℃、下模预热温度为350。C，充型压力为5 kPa。由于上模和下模、上模和金属芯、下模和金属芯都属于金属一金属界面，传热系数取为5 000 W／(m2．K)，模具与空气界面传热系数为10W／(m2．K)。模具表面设置为空冷，在内浇口处设置热源。

图7为不同时刻的型腔充填过程。可以看出，铸件充型过程中液态金属自下而上逐层充填，充型平稳，未出现裹气和浇不足现象。内浇口处最后充满，可以起到补缩作用，充型时间为0. 79s。由图7可以看出，基本符合顺序凝固的规律，且内浇口处最后凝固，只在局部厚壁部位凝固时间会稍长。这表明通过调整上下模预热温度来改变型腔内的温度分布，形成有利于顺序凝固的温度梯度。图8为凝固时间分布，图9为缺陷分布和大小。由图8和图9可以看出，缩松出现的位置主要位于铸件上部，平均缩松体积为0.12%，基本满足铸件的质量要求。

4结语

  采用计算机辅助设计方法开发了铝合金箱体接头的低压铸造工艺和模具结构。浇注系统采用单升液管中心开放式结构。将模具结构设计成上模、下模和金属型芯镶块3部分。下模固定，上模上下开型，主要型芯镶块左右开型，与两个金属型芯组成模具。同时设计了模具的抽芯机构和排气系统。采用ProCAST软件模拟了铸件的低压铸造过程，结果表明，金属液充型平稳，可实现顺序凝固，并具有良好的补缩效果。验证了低压铸造工艺方案和模具结构的合理性。