激光切割机铝横梁铝合金横梁低压铸造工艺的设

机械加工金融行业创作者资料库网络平台《机械加工月刊》、北欧国家英文核心理念学术期刊《军用铸成及有色金属钛》周刊强强，面世控制技术及应用领域时评，概要。

原标题：某铝钛横梁半金属型低机械加工造工艺控制技术设计

摘要：激光切割机铝横梁以某铝硅钛横梁为研究对象，分析机床横梁的结构特点、工作条件、材料特性及工艺控制技术要求，对横梁进行了合理的半金属型低机械加工造工艺控制技术设计，在此基础上，设计和制定了相应工艺控制技术参数，并运用AnyCasting软件进行了模拟分析。结果表明，该工艺控制技术不仅能满足品质要求，还能通过在不同位置处增设冷却水道并控制水流的进出顺序及时间，对工艺控制技术进行改进，设计出利于最终铸件综合性能的顺序凝固，减少铸件中的缺陷，并且保证铸件有较高的工艺控制技术出品率，成型铸件品质好。

随着制造业控制技术的发展，机床工况和结构越来越复杂，同时对各零部件的质量及精度要求也越来越高。横梁作为滑板、主轴箱、滑枕等零部件的支撑结构，其好坏直接影响着机床的工作性能，这对制造工艺控制技术提出了较高的要求。由于低机械加工造及金属型铸成的工艺控制技术特点，常用于要求较高的场合，其具有较好的充型及补缩效果，可用于较薄件及有色金属金属件的铸成。本课题结合低机械加工造、金属型铸成、砂型铸成的各工艺控制技术特点，对机床用横梁进行了工艺控制技术设计并通过Any-Casting软件进行分析模拟，为机床横梁铸件的生产提供参考。激光切割机铝横梁

一激光切割机铝横梁

横梁结构特点及要求

横梁铸件三维造型及内部结构见图1。最大外形尺寸为2480 mm×553 mm×278 mm，质量为78kg，属于中型铸件；铸件最小壁厚为6mm，最大壁厚处达10mm，铸件整体壁厚较均匀，主要壁厚为6mm，其壁厚基本均匀；顶部具有多个圆柱孔，小圆柱孔直径为60mm，大圆柱孔直径为80mm；底座具有阶梯型方孔及通孔特征，底座与梁身之间具有加强筋。从图1b可知，各壁面具有等距分布的加强筋，且上下面之间的加强筋与各壁面加强筋相错连接，底部具有多个等距排列的方孔。因此是形状复杂、壁厚均匀的薄壁铸件。

图1：横梁三维图

横梁材质为ZL114A，化学成分见表1。体收缩率为 4.0%~4.5%。要求采用低机械加工造，外型面采用钢制模具。

表1：ZL114A化学成分w_b/%

二

铸成工艺控制技术设计

1、工艺控制技术特性分析及工艺控制技术方案

该铸件是机床用横梁结构复杂，内部各交错的加强筋之间不易成形，铸件分型困难；长宽高比率大。根据铸件控制技术要求及毛坯的尺寸，选取铸件尺寸公差等级CT8；选取铸件的质量公差为6级；起模斜度为0.5°。采用金属型造型时，机械加工余量等级为D激光切割机铝横梁～F级，考虑到方便加工，根据零件图纸各个加工面粗糙度要求均为Ra12.5及低机械加工造的自上而下凝固，确定加工面的尺寸分别为：横梁梁身垂直面加工余量为2 mm，水平方向上加工余量为3 mm；横梁底座方槽及方孔部分的垂直面加工余量定位为3 mm，水平方向上加工余量为5 mm。由于加强筋上有两个Φ50 mm×15mm的圆柱孔，若铸成出来，则需要在上模中设计抽芯机构，这使得模具结构复杂，增加了设计成本，故两个孔为不铸出孔，采用机加工完成。根据横梁的结构特点和控制技术要求，最终确定采用金属型低机械加工造。横梁的材质为ZL114A。铝钛有严重的氧化和吸气倾向，容易产生析出性气孔、针孔，主要是水蒸气分解产生的气体造成的，因此一般需要提高铸芯的刚度。芯部由于有交错的加强筋，若采用无退让性金属型芯成型，型芯不能取出，故芯部采用砂芯成型。综上所述，横梁采用金属型低机械加工造，内部型腔采用砂芯成型，即半金属型低机械加工造。2、分型面选择结合低机械加工造及金属型铸成的工艺控制技术特点及横梁的结构特点，在最大平面处阶梯分型，见图2。该分型面的选择方便造芯和砂芯的稳固定位，起模后铸件留于包紧力较大的的上型中，便于铸件的取出，方便下芯，降低工艺控制技术难度。

激光切割机铝横梁

图2：分型面的位置

3、铸型设计横梁的上下模采用H13热作模具钢。铸型采用水平的阶梯分型，模具分为上模、下模，其结构见图3。

图：3铸型结构

金属型的厚薄影响铸型的强度、刚度、质量、寿命和铸型的蓄热、铸件的冷却速度等。对于熔点较低的轻钛铸件，铸件壁厚一般较薄，此时铸件冷却速度主要决定于金属型的蓄热能力，因此，增加金属型的壁厚可提高铸件的凝固速度，但增加到一定厚度后，凝固速度逐渐减弱甚至消失，一般约为20 mm，金属型的蓄热能力对铸件的凝固速度没有多大影响了。铸型壁厚选取参考值见表2，根据δ_型=（2.5~3）δ_件件计算得出壁厚为21 mm，综合考虑其他因素，取δ_型=40 mm。

表2：铸型壁厚选取参考值  mm

4、浇冒系统设计根据铸件的结构特点、尺寸、质量、控制技术要求、铸成钛特性等，浇口位置设置见图4（图上部分），浇口位置位于横梁底座，有利于铸件两侧面的成型，减小浇不足、冷隔等缺陷，充型较快，缩短周期；横梁工作面放置侧面，以防这些表面上产生砂眼、气孔和夹渣等缺陷。

图4：浇口位置激光切割机铝横梁

由于铸件体积较大，长高比大，且对铸件质量要求较高，结钛属型铸成及低机械加工造的工艺控制技术特点，横梁采用底注式浇注系统，1个升液管、1个横流道、16个分流道、16个内浇道的浇注系统浇注。金属液通过布置在横梁底部中心位置处的升液管进入横流道，横流道布置于横梁底部中间，分流道别对应浇口位置设计。经计算，得出浇注时间为34.12 s，充型时间为12.6 s；内浇道形状为圆形，内浇道出口的速度取12 cm/s，则内浇道的截面尺寸为523 cm2，截面圆的直径为25.3 cm；内浇道截面尺寸确定后，根据截面积比A_升：A_横：A_内=（2～2.3）:（1.5～1.7）：1，得A_升为1 203 cm2，A_横为889 cm2。横浇道的截面为梯形，梯形上下底边分别为24 cm、28.4 cm，高度为34 cm。升液管下部在金属液中，上部与铸型连接，是金属液体流入型腔的通道，升液管的截面形状为圆形，在靠近横浇道位置处减小截面积提高充型压力；截面圆直径为40.6 cm，靠近截面处的锥形锥度为18°。对于铝钛，升液管离坩埚底部的距离一般为50~100 mm。设计的升液管与浇道的连接方式见图5。

图5：升液管与浇道的连接方式激光切割机铝横梁

三

砂芯设计

1、砂芯方案设计

横梁内部采用呋喃树脂自硬砂制砂芯。砂芯的整体三维形状见图6。由于砂芯较长，为使砂芯具有一定的刚度，从而避免砂芯在搬运过程中损坏，采用可拆卸式砂芯，将整个砂芯分为3部分，将3部分砂芯组装起来。若整体采用芯骨支撑，从实际考虑芯骨放在距离分型面近的一侧比较符合实际生产，这样距离分型面远的一侧容易变形，也可能刚度不足；因此，为了满足砂芯的刚度要求，并且能够实现砂芯的相互定位，提高铸型的成型精度，利用孔轴配合原理将整个砂芯分为3部分，其中中间部分两边设计出圆柱轴，与砂芯成型部分一体，左右两部分砂芯的中心设计出圆柱孔与圆柱相配合，设计的砂芯见图7。

图6：砂芯三维图

图7：各段砂芯图

2、砂芯芯头及芯骨设计激光切割机铝横梁为保证砂芯的安放稳固及定位准确，本次设计了两个芯头定位。分别对称布置，芯头形状见图11。对于长度小于1 000 mm的中型、小型砂芯，水平芯头的长度一般在20~100 mm之间。水平芯头的长度为40 mm，芯头与芯座的间隙一般为0.2 mm，水平芯头能从芯盒中顺利取出，芯头可不留斜度，而由芯座留斜度。

图8：芯头设计

在砂芯中埋置芯骨，以提高其强度和刚度，材质选用圆钢。3、砂芯的排气由于树脂自硬砂制芯，因此，在设计、制造砂芯过程中，要注意砂芯的排气，使砂芯中产生的气体能够从砂芯芯头排出，见图9。在管道砂芯内部埋入随型的蜡线，蜡线熔出后得到弯曲的排气道；中间砂芯部分用通气针扎出排气道。

图9：砂芯排气道的形式

四

铸成工艺控制技术参数及模拟分析

横梁的低机械加工造工艺控制技术的加压过程，一般分为：升液、充型、增压结晶、保压以及卸压放气5个阶段，经过计算得出加压过程中各阶段参数见表3。综合铝钛横梁的结构及工艺控制技术特点，选择浇注温度为710 ℃，模具预热温度为360 ℃。

表3：加压过程各阶段参数 (MPa)

模拟分析采用Any-casting 软件进行，主要包括铸件充型过程中的温度场，充型时间，充型顺序分析；凝固过程中温度场、凝固时间、凝固顺序分析，以及铸件缺陷查看。导入横梁、浇注系统的stl文件，进行三角形网格划分，初次模拟的浇注温度为710 ℃，模具预热温度为360 ℃。按表4设置充型的压力，冷却状态为自然冷却。模拟结果见图10。可以看出，铝液由下向上充型，直到充满型腔，充型时间为13.33 s。从铸件充型顺序可以看出，铝液经升液管进入横浇道，再经分流道，最后由16个内浇口进入型腔内。铝液首先从内浇口部位进入横梁的底部，然后逐渐往上充填。充型过程直接影响铸件的质量，如果铝液在充型过程中充型顺序不合理、充型过程不平稳及其时间太长等问题会导致铸件产生浇不足、卷气等缺陷，从而使铸件缺陷范围增大。由铸件充型顺序模拟过程可知，铸件的充型顺序是合理的。激光切割机铝横梁

图10：充型模拟过程

铸件凝固过程模拟见图11。可以看出，铸件从上往下凝固，刚刚开始时，铸件凝固较快，但整个梁身的冷却时间比较集中，可能造成补缩不能顺利进行，从而造成铸件的不完整以及梁身的内应力达不到要求；到后期，由于铸型的温度有所增加，凝固较慢，靠近浇注系统处最后凝固；根据铸件凝固过程模拟分析，铸件内浇道处最先开始凝固，说明铸件可以通过自身膨胀实现补缩；铸件从顶部壁薄处开始凝固，壁厚处最后凝固。因此铸件的凝固复合低机械加工造原理，由此凝固顺序及凝固时间可以验证改工艺控制技术较合理。

图11：铸件凝固过程

铸件模拟概率缺陷参数见图12。可以看出，此种方案设计浇注产生的缺陷较少，主要集中在距离浇口较远处，该处可能出现浇不注、缩孔、缩松等缺陷，但内部加强肋板基本没有缺陷。通过以上模拟结果分析，铸件壁最薄处铸件最先凝固，壁较厚及最后靠近浇口位置处较后凝固，整体缺陷比较少。激光切割机铝横梁

图12：铸件缺陷结果分析

为使铸件的凝固时间缩短，防止铸成缺陷，故铸型的不同位置增设冷却水道。横梁顶部最先凝固，得不到补缩，容易产生缩孔，所以为了防止缩孔，需要加速轮缘部分的冷却速度，在壁较厚的阶梯处，也容易产生缺陷，也需要加快冷却速度以防止铸成缺陷，为此设计的冷却水道的位置图见图16。

图16：冷却水道位置

冷却水道的条件设置见表3。

表4：冷却水道参数

五

结语

对某机床用横梁进行结构特点分析，设计了其铸成工艺控制技术。采用半金属型低机械加工造工艺控制技术进行制造，横梁外部采用金属型成型，内部采用砂芯组芯造型；设计了底注开放式无冒口浇注系统，并运用Any-casting对已计算好的工艺控制技术参数进行模拟验证，并在此工艺控制技术基础上进行改进，在不同位置增加直径不等的冷却水道，并控制进出水的顺序及时间，生产出合格的铝钛机床横梁。

作者：激光切割机铝横梁

吴巧 梅益

贵州大学机械工程学院

本文来自：《军用铸成及有色金属钛》周刊社2019年第39卷第09期