以铝合金薄壁件为例，研究砂型低压铸造工艺，对工业生产有何影响

文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

薄壁件的铸造工艺一直是铸造界的难题，特别是在低压铸造技术应用于铝合金复杂薄壁件铸件生产时，由于砂型浇注系统的复杂性，使铸件的质量难以保证。

因此，要想保证铸件质量，就必须对砂型浇注系统进行优化设计，在满足铸件质量要求的前提下，尽量减少浇注系统数量，尽可能地降低铸件成本。

本文通过对一件铝合金复杂薄壁件低压铸造工艺进行分析，阐述了薄壁件砂型浇注系统的设计原则及设计要点，对低压铸造工艺应用于铝合金复杂薄壁件生产具有一定的参考价值。

铝合金复杂薄壁件在低压铸造工艺中，由于其结构特点，容易产生缩孔、缩松等缺陷，导致铸件报废。

而目前的传统工艺由于浇注系统设计不合理，对铸件质量影响很大，特别是针对铝合金复杂薄壁件，其砂型浇注系统设计难度更大。

在低压铸造工艺中，由于铸件体积小、壁薄，在铸造过程中由于重力作用及浇注时金属液对型腔壁的冲刷作用，型壳常会出现缩孔、缩松、砂眼等缺陷。同时由于铝合金零件有较强的收缩性，使铸件容易产生缺陷。

因此在进行铸件低压铸造工艺设计时，必须考虑浇注系统的设计，包括浇注系统的类型、位置以及形状。

砂型低压铸造工艺的原理

在砂型低压铸造的生产过程中，由于金属液是由型腔内的气体压力将型壳内的气体强制排出，从而获得无气孔、无缩孔、无砂眼等缺陷的砂型。

在砂型低压铸造中，由于金属液在型腔内的流动速度较快，在型腔内形成真空负压，金属液和型壳之间存在着压力差。

由于铸件在充型过程中会产生负压，因此金属液和型壳之间也存在着一定的压差，当压力达到一定值时，金属液和型壳之间的压差就会出现一个空隙点，这个空隙点就是我们常说的低压区。

当该空隙点出现之后，型壳内就会形成负压，当低压区出现之后，金属液在流动过程中就会不断地对型壳进行冲击、剪切和摩擦等作用，当金属液流动到型腔内一定高度时，由于该高度处压力很小，因此在该高度处压力能够满足金属液的充型需求。

但是在金属液流动到该高度之后，由于受到重力和流速差的影响，导致金属液会逐渐向下流动。

当该高度处的压力小于金属液对型壳的冲刷力时，这时候就会形成一个压降，当压降达到一定值时，金属液就会在重力和流速差的作用下将型壳从铸件上冲掉。

由于压降和冲刷力是随着压降和流速差不断变化的，因此在冲刷力作用下，就会将型壳从铸件上冲掉，在铸件上留下的压降或冲刷力越大，则铸件缺陷出现越严重。

砂型低压铸造工艺中，金属液在充型过程中，其速度是很快的，同时还会受到重力和流速差的影响，因此当金属液流动到型腔内一定高度时，其速度就会逐渐降低，而在该高度处的压力却不会改变，当压力降低到一定值时，就会形成一个低压区。

而当金属液流动到型壳内一定高度时，由于该高度处压力很小，因此在该高度处就不会出现负压，金属液在流动过程中就不会对型壳产生任何冲刷或剪切作用，因此在该高度处就会出现一个真空负压区。

当金属液流动到真空负压区时，由于该高度处的压力很小，因此当金属液流动到该高度处时，型壳内就不会出现负压，金属液就会对型壳产生冲刷作用，造成型壳被破坏。而在该高度处，由于压力很小，因此当金属液流动到该高度处时，型壳就会被破坏。

根据上述原理可知，在砂型低压铸造过程中，金属液和型壳之间存在着压差和真空负压区。当金属液流动到型腔内一定高度时，由于该高度处压力很小，因此该高度处就会出现一个低压区。

砂型低压铸造工艺的特点和优势

与传统的砂型铸造工艺相比，低压铸造工艺具有以下几个优点：

生产成本低。低压铸造工艺由于省去了浇冒口、型壳等附加设备，模具费用和生产成本都比传统的砂型铸造工艺要低得多，这是由于采用砂型铸造工艺生产时，可以降低铸件的结构和尺寸要求，简化模具设计，减少模具费用。

铸件表面质量好。低压铸造工艺由于省去了浇冒口、型壳等附加设备，省去了一些金属液的处理过程，因此铸件表面质量得到了改善。

生产周期短。由于低压铸造工艺在浇注过程中，只有金属液的压入和压铸型腔壁的不断凝固等这一过程，因此生产周期很短。

生产效率高。由于低压铸造工艺的充型速度比传统砂型铸造工艺要高得多，因此生产效率也相应地提高了。

易于实现自动化生产。由于低压铸造工艺省去了浇冒口、型壳等附加设备，因此便于实现自动化生产。

环境污染小。低压铸造工艺的充型过程不需要加热保温、排气和造型等条件，因此环境污染小。

能生产高精度铸件。由于低压铸造工艺充型速度比传统砂型铸造工艺要高得多，因此铸件的尺寸精度和表面质量也都比传统砂型铸造工艺要高得多，同时由于充型速度高、金属液流动性好，因此能生产高精度的铸件。

由于低压铸造工艺不需要使用型壳，因此可以实现机械化、自动化生产，特别是在浇注系统设计上有很大的灵活性和自由度。同时由于没有金属液的冷却和保温过程，铸件的表面质量也有很大提高。

这也可以减少铸件缺陷。低压铸造工艺由于没有使用型壳，因此可减少铸件的缺陷，特别是在薄壁件生产中，减少了铸件缺陷的产生。

低压铸造工艺适用范围广。低压铸造工艺是一种适用于各种材质铸件的先进的铸造方法，由于低压铸造工艺不需要复杂的浇注系统，因此，除了小型砂型铸造以外，各种材质铸件均可采用低压铸造工艺进行生产。

提高产品质量。由于低压铸造工艺采用真空浇注和消失模成型，因此可改善铸件表面质量和内在质量，提高铸件的内在质量和机械性能。同时由于不需要复杂的型壳处理过程，因此可缩短铸件生产周期，提高生产效率。

砂型低压铸造工艺的应用前景和发展趋势

随着低压铸造技术的发展，砂型低压铸造工艺也不断改进，逐步完善，特别是在设计方面，已能生产出不同型号的铸件，满足了不同用户的需要。其产品应用领域也由最初的铸造铸铁发展到铝合金、镁合金及一些难熔金属的砂型低压铸造。

目前，国内各大公司已逐步将低压铸造技术应用于铝、镁合金复杂薄壁件生产中。如国内著名的北京矿冶研究总院和中国铝业公司、洛阳钼业集团有限公司、新余矿业集团、江西有色金属冶矿总公司等都有各自的铸造工厂或生产基地。

由于目前砂型低压铸造工艺发展较快，已广泛应用于各种金属及合金零件的低压铸造生产中。虽然目前砂型低压铸造工艺在我国的应用还比较少，但随着其生产技术的不断提高和发展，其应用前景是十分广阔的。

低压铸造在国外已经广泛应用于航空航天、汽车、电子等领域，其产品涉及到汽车发动机、发动机控制系统、仪表控制系统等，有的甚至还用于航天火箭、卫星、导弹的生产。近年来，我国已大量采用低压铸造生产发动机转子，国外已应用于汽车变速箱壳体。

目前我国汽车工业已成为全球最大的汽车工业，国内对低压铸造技术的应用也越来越广泛，如目前我国用于车身覆盖件生产的就有多种采用低压铸造工艺制造的汽车覆盖件，如轿车的发动机盖、风挡及轮罩等。

特别是近年来随着国内轿车产量的不断增长，对轿车铸件的需求也越来越大。

目前，国内在轿车覆盖件的低压铸造方面已形成一定规模和生产技术，但由于我国地域辽阔，各地区间铸件质量存在很大差异。因此，未来几年内砂型低压铸造工艺在我国仍有一定的发展空间。

随着砂型低压铸造技术在我国的不断发展，其在金属薄壁件生产中的应用也越来越广泛。但是由于砂型低压铸造工艺与传统铸造工艺相比存在很大差异，在设计方面也存在很大差异性，因此要想提高铸件质量必须对传统铸造工艺进行改进。

首先要针对铸件质量要求来设计浇注系统；其次要对铸型进行合理设计，并利用计算机技术进行模拟分析；同时还要对型砂进行合理选择，并对铸型进行合理造型。

通过以上措施，可以有效提高铸件质量。虽然砂型低压铸造工艺在我国有较长的发展历史，但是由于其应用技术还不成熟，因此仍需要对该工艺进行进一步改进和完善。

笔者观点

采用砂型低压铸造工艺生产铝合金复杂薄壁件时，由于铸件尺寸小，壁薄，铸件形状复杂，并且在低压铸造过程中易产生缩孔、缩松等缺陷，因此砂型浇注系统的设计很重要，应该根据铝合金材料的特性、零件结构特点以及铸造工艺要求等，合理选择浇注系统类型和位置。

在对砂型浇注系统设计时，应优先采用直浇道式浇注系统；在满足铸件质量要求的前提下，尽量减少浇口数量；如果铸件结构复杂、壁厚较小、铸件形状较复杂时，可以采用多个浇口并联的方式。

最后需要说明的是，目前国内针对铝合金复杂薄壁件低压铸造技术尚处于摸索阶段，还没有成熟的技术方案和成套设备。国内外尚没有一个比较成熟的工艺方案，需要根据生产实践进行探索。

目前国内很多厂家为了降低成本，采取了一些措施，如选用价格相对便宜的原材料，但由于模具寿命短，且制造周期长，加工费用高，导致铸件成本较高。另外，在生产过程中还存在工艺控制不合理等问题。因此，采用新的技术方案和设备是非常必要的。

总之，为了提高铸件质量、降低铸件成本、缩短生产周期和减少废品率，在铸造生产中应采用先进的工艺技术和设备。同时也应该重视对材料、模具以及浇注系统等方面的研究，为提高我国低压铸造技术水平做出贡献。

笔者观点

1.孙伟民，陈亚刚，王军，秦文杰等。铸造工艺仿真技术及其在复杂薄壁铸件生产中的应用。铸造与铸造工程，2008 (4)：65-69.

2.王天义等。铝合金薄壁结构件低压铸造工艺的设计及实例分析。铸造与铸造工艺，2007 (4)：85-86.

3.周国辉，冯晓凤。低压铸造技术在汽车发动机转子上的应用。铸造工艺，2011 (5)：20-21.

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