铝合金重力铸造模具的多样化设计

即使是同一零件，采用不同的铸造工艺，模具形式也往往不同，但不管怎样，铝合金重力铸造模具还是有其共性的。

首先，必须选择合适的铸造工艺，铸造工艺的优劣直接关系到铸件质量和工艺出品率的高低。国内有些模具制造厂，已开始使用凝固模拟来进行铸造工艺辅助设计，通过对充型和凝固过程的计算机模拟，发现易产生铸造缺陷的热结部位并予以克服，这对提高铸造工艺设计的可靠性，有效防止模具在调试过程中不必要的返工，是十分重要和有效的。

其次，模具要有好的容热能力。符合要求的较厚实的模架和模块，不仅是模具寿命的有效保证，而且对于模具连续工作过程中温度场的调节都具有非常重要的作用。一些模具厂，为了降低成本，节约用料，一味地降低模具的有效厚度以达到减轻重量的目的，殊不知这不仅大大降低了模具的使用寿命，而且使铸件易于变形，影响铸件尺寸精度，严重时将导致铸件批量报废，给铸造厂造成损失，更严重的是损害了模具厂自身的声誉。

第三，模具要有较可靠的冷却系统和拔气系统。通过冷却，不仅可有效提高劳动生产率，而且可调节铸件温度场、控制铸件冷却速度，进而影响铸件内部组织结构和晶粒尺寸、实现有效控制铸件机械性能的目的。顾名思义，拔气，就是人为地将型腔内部的气体排到型腔外以减少铸件产生气孔类缺陷的可能。同时，通过加装排气塞也可以调剂局部小区域的模温，对防止和克服铝合金开裂和缩陷有很重要的作用。

第四，必须要有与浇铸机相匹配的模具定位装置和便利的模具安装系统。定位装置不仅是保证铸件尺寸、减少披缝和毛刺的关健，而且也是保证浇铸机正常工作的关健，可以说，模具没有好的定位装置，就没有好的合格的铸件。模具必须便于安装和拆卸，因为铝合金重力铸造，每隔一定的时间就必须拆下模具重新喷涂料和修模，如果拆卸不方便，势必增加工人的劳动强度，占用更多的劳动时间，降低产量和效率。

对于铸造厂来说，优质模具就意味着优质铸件，就意味着较低的成本，较高的产值和利润。

目前，国内模具行业发展很快，仅铝合金重力铸造模具生产厂便不下几百家，而且随着汽车制造业的发展和外资的涌入，模具生产厂无论是规模还是技术实力也都在与日俱增，随着数控加工设备的普及应用，模具行业的加工水平与国外已没有多大的差距，许多模具厂也有较先进的检测设备，但我们的管理水平、设计理念、经营理念与国外同行比还有差距，模具材料和热处理强化手段也远远落后于发达国家。目前状况对于铸造模具生产厂来说，有实践经验，既懂模具制造又懂铸造工艺的工程技术人员也是很缺乏的，而模具调试和工艺验证又是模具生产过程中必迈的一道坎，因为得到成功的模具和成熟的工艺是当今许多技术力量较薄弱的铸造厂所希望的。

模具的标准化及模具标准件的应用是今后模具工业发展的必然趋势。这对于起步较迟的铝合金重力铸造更是如此。只有推行了模具标准化，才能规范模具制造厂的行为，促使模具厂提供质优价廉合乎标准的模具才有可能。同时，模具的标准化及模具标准件的应用，将使铸造厂更易于监控模具质量，也使模具的维护和保养更便利。模具标准件的使用，生产规模效应将有助于改变模具行业目前多品种、小批量，生产效率低下的状况，有利于降低成本，提高生产率。

总之，尺寸精确，生产效率高，便于使用和维护是模具行业和铸造行业永远的追求。

对金属重力铸造件补缩角的论述

摘要：对于金属(合金)液浇入型腔后由于体收缩，如果没有采取恰当的措施，那么就会使自己设计出来的铸造件产生疏松和缩孔。本文推导出一种称之谓补缩角理论，可有效地解决上述问题，从而可使自己设计出来的铸造件获得内部组织致密的铸件。从金属铸造起源至今，无论国内国外，重力铸造在很大程度上人们均是采用熔化金属，然后浇注到予制的铸型中，借助于金属的自重补缩凝固，从而获得所设计的铸件。无论是黑色金属或有色金属，人们大体仍采用上述方法生产铸件。随之后来，由于铸造工作的努力探索，捂出了不少铸造理论，观点，方法，而今最盛行的铸造理论是"顺序凝固" "同时凝固"，以及"定向"和"扩散凝固"等等。因此几乎铸造工作者也均用这些理论指导教学和设计生产自己的铸件。但遗憾的是在不少情况下，我们尽管似乎应用了上述某种理论作指导，然而在事实上，使自己生产的铸件却出现了疏松、缩孔或是内部组织致密性不理想。因此，这里就有一个问题，那就是怎么让自己设计出来的铸件，铸造后会获得理想的内部组织致密的铸件，也就是说，怎么恰如其分地让金属浇注件获得理想的补缩:即揭示浇注件补缩实质，从而打通其补缩信道，最后获得内部组织致密的铸件，这就是本文推出的一种称之谓"θ"补缩角的理论。

"θ"补缩角是怎么回事呢？现在在铸造书上或课堂上，人们仍保留上述几种铸造凝固理论，但笔者认为：有一种称之谓"同时凝固"理论有时会被人误解，也就是因为这一误解会导致一些人在工作中失误。我们可以这样说，在以前以及现在，我们还无法创造这一条件，能让铸件浇入型腔后会整体"同时凝固"。我们有些人，看见某个铸件壁厚均匀一致，于是就误认为投入铸造生产时，它会整体同时凝固，从而忽视考虑对该铸件补缩问题。因此，在这种误解情况指导下，可以肯定地说，导致了不少生产出来的铸件内部组织不致密，所以现在我们应该充分地认识同时凝固是相对的，也就是说整体铸件(不论是纯金属或合金)在浇注后，一瞬间是绝对不可能发生整体同时凝固的，对整体铸件来讲，从瞬间角度剖析，它务必遵循由温度差较大的铸件表面开始一直向温度差较小的铸件内部和浇冒口处进展，直到最后冷凝结束才告终，这就是金属铸件顺序接受补缩的凝固实质。

对于顺序凝固这一理论不少工作者做了大量的工作，但是到目前为止，如何使自己设计出来的铸件达到理想顺序凝固，并借助于它顺利地满足铸件顺序补缩凝固。以达到好的铸件内部质量的目标，这在目前还没有提供较理想的计算控制方法。这次本文提供的重力铸造件，采用一种称之?quot;θ"补缩角法就揭示并可以较好地满足，完善其顺序补缩凝固的目的。此法可说是最大限度地，恰如其分地安排由于补缩量不足而产生的铸件缩孔和疏松的有效方法。

下面我们来探讨一下有关重力铸造件的"θ"补缩角。我们知道，金属液浇入铸型后，在冷凝一瞬间，就开始出现：

αV×△F=K…(1) (为了剖析补缩角，我们将体收缩转化成面收缩)αV金属体收缩率(%)
△F铸件断面积(mm2)
K铸件断面积收缩量mm2 (补缩量)
并随时间的延伸，它们在迅速地做αV×△F的工作，直至浇注件完全凝固结束才告终。
下面我们可以假设锡铋合金，它在溶化浇进型腔后，它的体收缩即αV接近于零，则：零乘以△F，还芷浣阶⒓?卸啻蟮亩厦婊??騅值接近于零，所以锡铋合金就不必去考虑补缩量了。

关于金属铸件体收缩即αV的确定。
我们知道，金属液浇注后，会发生液态收缩和凝固收缩以及固态收缩，而给铸件带来疏松，缩孔缺陷，实际上是液态和凝固收缩时发生的，也就是所谓的体收缩，它是本文提到的αV。如碳钢(含碳量以0.1-1.0%)的体收缩αV是10.5%-14%。按上分析。我们又假设有一含碳量为0.4%碳钢件，其体收缩率是αV=11.3%，取一断面积△F=25mm2代入公式(1)：

K=11.3X25=3.5mm2这就说明，这一断面需要的金属补缩量是3.5 mm(2)。这也就证实此公式是具有实际意义的。按此公式，我们可以进一步推导，假设有个圆柱体见图(一)，低层到浇口顶层设置了补缩冒口，顶层热量高，因此，在铸件冷凝过程中，从浇冒口顶层由下往上顺序凝固，同时铸件由下往上接受补缩，也就是说自上而下地输送K(补缩量)，由于铸件自下而上各断面均需要自身的补缩量K，同时又要往下一层输送补缩量，这就务必要迫使铸件由圆柱体改变成平截正圆锥体见图(二)，才能创造满足上述顺序补缩要求，这就在图(二)中形成了r1，也就随之形成了"θ"角。这就可以肯定地说，各种金属(合金)只要αV值不一样(尽管零件形状尺寸大小一样)，则补缩角"θ"值就不一样。为了证实上述理论，同时导出"θ"角值的计算公式，我们对图(一)整体零件所有断面所需要的补缩量进行积分：

例1）：取0.1%碳钢体收缩率αV＝10.5% ?

有一铸件直径等于50mm，高50mm，求其补缩角"θ"值？

以上公式不仅适用于金属(合金)重力铸造同样也用低压铸造件，各种形状铸件，只要先求出其截面积，再求出r1值代入公式(3)式，并找出相对应的h值，其补缩角就不难求出。

谈铝合金重力铸造模具先进设备固然是保证产品质量必不可少的因素，但模具在铸造中的作用同样非常重要。尤其对铝合金汽车零部件生产企业来说，模具的精确度和耐久性对产品质量的影响非常明显。

黑色金属铸造，模具更多的是为了形成铸型型腔，一般情况模具本身并不直接与金属液接触，尤其对于形状复杂的非金属模铸造件更是如此，与灼热金属液接触的是造型材料，主要是型砂，这使造型材料成为影响铸件质量的主要因素。而铝合金重力铸造则不同，由于铝合金熔点较低，铸造性能好，在大量生产时，铸件的外形一般是由模具直接形成的，如发动机的铝合金缸体、缸盖等，这不仅有利于提高劳动生产率，而且更重要的是通过调节模具不同部位的温度分布，来控制铸件的组织结构和晶粒大小，提高铸件质量，同时，避免了大量使用造型材料而带来的环境污染，改善了车间的劳动条件。

随着铸件形状复杂程度不同，铝合金重力铸造模具也各不相同。即使是同一零件，采用不同的铸造工艺，模具形式也往往不同，但不管怎样，铝合金重力铸造模具还是有其共性的。

首先，必须选择合适的铸造工艺，铸造工艺的优劣直接关系到铸件质量和工艺出品率的高低。国内有些模具制造厂，已开始使用凝固模拟来进行铸造工艺辅助设计，通过对充型和凝固过程的计算机模拟，发现易产生铸造缺陷的热结部位并予以克服，这对提高铸造工艺设计的可靠性，有效防止模具在调试过程中不必要的返工，是十分重要和有效的。

其次，模具要有好的容热能力。符合要求的较厚实的模架和模块，不仅是模具寿命的有效保证，而且对于模具连续工作过程中温度场的调节都具有非常重要的作用。一些模具厂，为了降低成本，节约用料，一味地降低模具的有效厚度以达到减轻重量的目的，殊不知这不仅大大降低了模具的使用寿命，而且使铸件易于变形，影响铸件尺寸精度，严重时将导致铸件批量报废，给铸造厂造成损失，更严重的是损害了模具厂自身的声誉。

第三，模具要有较可靠的冷却系统和拔气系统。通过冷却，不仅可有效提高劳动生产率，而且可调节铸件温度场、控制铸件冷却速度，进而影响铸件内部组织结构和晶粒尺寸、实现有效控制铸件机械性能的目的。顾名思义，拔气，就是人为地将型腔内部的气体排到型腔外以减少铸件产生气孔类缺陷的可能。同时，通过加装排气塞也可以调剂局部小区域的模温，对防止和克服铝合金开裂和缩陷有很重要的作用。

第四，必须要有与浇铸机相匹配的模具定位装置和便利的模具安装系统。定位装置不仅是保证铸件尺寸、减少披缝和毛刺的关健，而且也是保证浇铸机正常工作的关健，可以说，模具没有好的定位装置，就没有好的

合格的铸件。模具必须便于安装和拆卸，因为铝合金重力铸造，每隔一定的时间就必须拆下模具重新喷涂料和修模，如果拆卸不方便，势必增加工人的劳动强度，占用更多的劳动时间，降低产量和效率。

对于铸造厂来说，优质模具就意味着优质铸件，就意味着较低的成本，较高的产值和利润。

目前，国内模具行业发展很快，仅铝合金重力铸造模具生产厂便不下几百家，而且随着汽车制造业的发展和外资的涌入，模具生产厂无论是规模还是技术实力也都在与日俱增，随着数控加工设备的普及应用，模具行业的加工水平与国外已没有多大的差距，许多模具厂也有较先进的检测设备，但我们的管理水平、设计理念、经营理念与国外同行比还有差距，模具材料和热处理强化手段也远远落后于发达国家。目前状况对于铸造模具生产厂来说，有实践经验，既懂模具制造又懂铸造工艺的工程技术人员也是很缺乏的，而模具调试和工艺验证又是模具生产过程中必迈的一道坎，因为得到成功的模具和成熟的工艺是当今许多技术力量较薄弱的铸造厂所希望的。

模具的标准化及模具标准件的应用是今后模具工业发展的必然趋势。这对于起步较迟的铝合金重力铸造更是如此。只有推行了模具标准化，才能规范模具制造厂的行为，促使模具厂提供质优价廉合乎标准的模具才有可能。同时，模具的标准化及模具标准件的应用，将使铸造厂更易于监控模具质量，也使模具的维护和保养更便利。模具标准件的使用，生产规模效应将有助于改变模具行业目前多品种、小批量，生产效率低下的状况，有利于降低成本，提高生产率。

总之，尺寸精确，生产效率高，便于使用和维护是模具行业和铸造行业永远的追求。

在轻合金轮毂重力铸造过程中易在轮辋与轮辐连接处产生热节对产品的质量造成不良影响。本文运用软件对这些部位的模具冷却性能进行研究分析不同冷却方式对热节产生的影响。能够很好地发现合金轮毂重力铸造凝固过程中容易产生的各种问题采用优化改进进而降低这些区域的缩孔缺陷。最后对铸造过程的模具温度场进行了循环模拟确定稳定生产前的浇注次数。

在现在的轻合金轮毂重力铸造生产中浇注系统的开设以及冷却系统和其他成型条件的设计主要是通过经验积累来开发的。可是这种看似很合理的做法是缺乏科学的依据的，因为不同的产品使用的材料，涂料，造型等都不是简单的把浇注系统加大和冷却时间加长。在小轮毂的生产中可能出现问题较少，可是大轮毂的生产或者是高J部轮毂的生产过程中，铸造缺陷就很明显了。

通过对铸坯重量和成品间重量的分析就可以发现成品重量大约在铸坯的50%-60%。大量的合金被切削掉了，这样增大铸坯重量是为了获得致密的成品零件，是一种对工艺不自信，对技术不能很好把握的表现。

在熟悉工艺的前提下使用数值分析能对生产起到优化的指导。铸造CAE以铸造工艺理论、凝固理论、传热学、流体力学、数值分析和计算机图形学为理论基础，采用有限元法、有限差分法等多种数值计算方法对铸件凝固过程温度场进行模拟；通过计算温度场中的温度梯度、固相凝固时间等来预测铸件在凝固过程中产生缩孔和缩松的位置、大小和产生时间，判断模具设计和工艺参数设计的合理性，为优化设计提供指导。

在传统的压铸件开发中，需要通过多次调试，不断修正，综合比较不同方案的浇铸结果，才能确定满足设计要求的最佳工装工艺方案。同时压铸模为金属模，在使用过程中受高温合金液反复冲刷，如果制造完成后多次修改，会大幅影响模具寿命。因此，适宜的工装工艺方案的确定，不仅耗时耗力较多，更取决于设计人员的经验积累。

在市场竞争日趋激烈的情况下，为提高铸件质量，缩短新品开发周期，增强企业的核心竞争力，各种铸造新技术，特别是计算机技术得到了越来越广泛的应用。CAD/CAE技术正是这些技术的核心之一。借助于CAD/CAE技术，可实现对铸造生产过程的流场、温度场和应力场的模拟，变未知因素为可知因素，并分析易变因素的影响，预测缺陷的种类和产生的位置，评价工艺的合理性。并在此基础上，对多种工装工艺设计方案进行分析对比，选择最优的设计，从而大大缩短开发周期，降低开发成本，改善铸件质量，提高产品开发一次成功率。

对于金属(合金)液浇入型腔后由于体收缩，如果没有采取恰当的措施，那么就会使自己设计出来的铸造件产生疏松和缩孔。本文推导出一种称之谓补缩角理论，可有效地解决上述问题，从而可使自己设计出来的铸造件获得内部组织致密的铸件。

关键词：铸造件疏松；缩孔；补缩角从金属铸造起源至今，无论国内国外，重力铸造在很大程度上人们均是采用熔化金属，然后浇注到予制的铸型中，借助于金属的自重补缩凝固，从而获得所设计的铸件。无论是黑色金属或有色金属，人们大体仍采用上述方法生产铸件。随之后来，由于铸造工作的努力探索，捂出了不少铸造理论，观点，方法，而今最盛行的铸造理论是"顺序凝固" "同时凝固"，以及"定向"和"扩散凝固"等等。因此几乎铸造工作者也均用这些理论指导教学和设计生产自己的铸件。但遗憾的是在不少情况下，我们尽管似乎应用了上述某种理论作指导，然而在事实上，使自己生产的铸件却出现了疏松、缩孔或是内部组织致密性不理想。因此，这里就有一个问题，那就是怎么让自己设计出来的铸件，铸造后会获得理想的内部组织致密的铸件，也就是说，怎么恰如其分地让金属浇注件获得理想的补缩:即揭示浇注件补缩实质，从而打通其补缩信道，最后获得内部组织致密的件这就是本文推出的一种称之谓"θ"补缩角的理论。

"θ"补缩角是怎么回事呢？现在在铸造书上或课堂上，人们仍保留上述几种铸造凝固理论，但笔者认为：有一种称之谓"同时凝固"理论有时会被人误解，也就是因为这一误解会导致一些人在工作中失误。我们可以这样说，在以前以及现在，我们还无法创造这一条件，能让铸件浇入型腔后会整体"同时凝固"。我们有些人，看见某个铸件壁厚均匀一致，于是就误认为投入铸造生产时，它会整体同时凝固，从而忽视考虑对该铸件补缩问题。因此，在这种误解情况指导下，可以肯定地说，导致了不少生产出来的铸件内部组织不致密，所以现在我们应该充分地认识同时凝固是相对的，也就是说整体铸件(不论是纯金属或合金)在浇注后，一瞬间是绝对不可能发生整体同时凝固的，对整体铸件来讲，从瞬间角度剖析，它务必遵循由温度差较大的铸件表面开始一直向温度差较小的铸件内部和浇冒口处进展，直到最后冷凝结束才告终，这就是金属铸件顺序接受补缩的凝固实质。