大年夜型薄壁电子机箱骨架制造

导读：针对薄壁电子机箱骨架铸件，设计浇注系统，利用仿真软件对工艺进行仿真及优化，确定最优工艺，采取3D打印砂型铸造工艺完成了铸件的试制，铸件成形良好，最小壁厚达到2.5 mm，尺寸精度及内部质量知足哀求。

随着科学技能发展，航空、航天、船舶等行业零件构造设计呈现出整体化、薄壁化和繁芜化特点，对铸件试制周期、尺寸精度、表面品质和力学性能等也提出了更高的技能哀求。
因此，如何尽快提高此类铸件的快速试制和制造能力，担保铸件高质量精密成形是目前急迫须要办理的问题。
铸造工艺仿真技能，对铸件在成型过程中流场、温度场等进行仿真，能够准确预测缩松、缩孔等铸造毛病，为确定最佳工艺方案、优化工艺参数、缩短新产品试制周期、降落试制本钱供应科学依据。
3D打印砂型铸造技能具有相应速率快、制造周期短、灵巧性高、稳定性好、砂型／砂芯一体化制造及可制造出任意繁芜形状等优点，特殊适宜单件、小批量铸件生产试制，具有广阔的运用前景。
本课题对大型薄壁繁芜电子机箱骨架铸件进行铸造工艺仿真，优化工艺设计，采取3D打印砂型生产出符合哀求的铸件。

某电子机箱骨架铸件构造见图1。
质量为32.5 kg，材质为ZL101A，Ⅱ类铸件，尺寸公差CT8级。
形状尺寸为728 mm673 mm582 mm，两侧方腔壁厚为2.5 mm，别的大面积壁厚为4 mm，最大壁厚为16 mm。
电子机箱骨架的适宜铸造的最小壁厚为6~8 mm，但其范例壁厚为4 mm，随意马虎涌现冷隔；铸件形状较大，壁厚较薄，易变形；铸件薄厚壁交卸处随意马虎存在缩松毛病。

图1 电子机箱骨架构造

表1 砂型铸造铝合金铸件的最小壁厚 mm

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铸造工艺设计与仿真优化

采取主浇注系统+赞助浇注系统的稠浊浇注系统，直浇道为蛇形，直径为45 mm，内浇道壁厚为15 mm，立桶直径为80 mm。
铸件上端两侧壁厚为2.5 mm，部分从立桶处开设横浇道和内浇道，防止合金液流动过长导致冷隔；铸件上部中间薄壁部位单独开设赞助浇注系统，即浇道2，设5个内浇口。
从该处直浇道浇注，可提高充型能力，防止合金液温度较低产生冷隔。

图2 浇注系统

在730 ℃浇注时，铸件无法完备充型，这是由于铸件形状较大，铸件上部壁厚较薄，铝合金液流到上部时温度较低，形成冷隔。
在750 ℃浇注时，浇注温度相对提高，顶端筋部温度为560~600 ℃，铸件能够完备充型，但温度偏低，可能会涌现冷隔的风险。
仿照可知，铸件的毛病紧张分布在凸台的位置。
在凸台上放冷铁共31块后，凸台上的毛病肃清。

（a）730 ℃ （b）750 ℃图3 不同浇注温度下的充型结果

（a）冷铁位置 （b）不放冷铁 （c）放冷铁

图4 放置冷铁前后缩松的仿照结果

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砂型设计及打印

砂型设计时将整体模型按照1%的紧缩率进行缩放，根据铸件构造特色，将砂型分为7块。
砂型设计时，预留出冷铁的位置，后期将成型冷铁采取铸造粘结剂固定到砂型上；砂型子扣斜度为5，砂型合营间隙为0.3 mm。
砂型采取3D打印办法制造，打印材料为100/200目天然硅砂，打印层厚为0.2~0.5 mm。
打印过程中，采取逐点喷洒粘结剂来粘结粉末材料的方法制造砂型。
打印砂型的强度为1.6~2.0 MPa，发宇量为14.1~14.8 mL/g。

1.下箱 2.砂芯Ⅰ3.中箱 4.砂芯Ⅱ 5.砂芯Ⅲ 6.砂芯Ⅳ 7.上箱

图5 砂型设计

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铸件浇注及剖析

将打印好的砂型型腔表面刷醇基涂料两次，对砂芯进行140 ℃4 h烘干。
砂型形状带冷铁的地方，采取酒精喷灯喷烤，然后将砂型合箱。
首先将砂芯Ⅰ通过芯头装置在底箱上；然后将小砂芯Ⅱ、Ⅲ通过铸造粘结剂粘到中箱上；将中箱装置在底箱上，末了将上箱合型。
对砂型进行浇注，浇注温度为750 ℃，浇注的电子机箱骨架铸件实物图见图6。

图6 首次试制铸件实物

图7 为铸件不同位置的毛病。
从图7创造有铸件上端筋部未完备成形，存在冷隔毛病，见图7a，此处冷隔毛病与仿照结果不一致，仿照结果显示铸件在750 ℃浇注时能够完备充型，但筋部温度较低，会涌现冷隔可能。
对铸件进行X射线探伤，结果见图7b，铸件存在两处对称缩松缺，位置见图7c。

（a）冷隔（b）缩松（c）缩松位置

图7 铸件毛病

表2 为铸件主要尺寸丈量结果。
铸件主要安装台尺寸为615 mm，实际为616.2 mm，尺寸偏大，铸件的尺寸均匀偏差率为0.2%，实际紧缩率为0.8%，表明大型铸件的实际紧缩率与设置的紧缩率比较偏小，设计时应根据实际紧缩率进行。

表3是随炉试棒的化学身分，由表3，化学身分符合GB/T1173-2013标准。
力学性能测试取3根试棒的均匀值，抗拉强度为295 MPa，伸长率为3%，符合GB/T9438-2013标准。

表2 首次铸件紧张尺寸丈量结果

表3 随炉试棒的化学身分 %

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工艺优化与剖析

针对铸件上端筋部冷隔毛病，优化铸件构造。
将筋部通过增加加强筋的办法，增加合金液对筋部铝液的补充。
为了防止铸件热处理变形，在铸件开口部位设置加强筋，见图8a。
针对铸件尺寸问题，调度3D打印砂型紧缩率为0.8%。
在铸件涌现缩松毛病的部位，增加两块冷铁。
优化后浇注系统见图8b。
对优化后工艺进行仿照，结果见图9。
由图9a可以看出，铸件能够完备充型，无冷隔，顶部筋处温度为580~600℃，温度较优化前提高。
由图10（b）缩疏松布可以看出，在毛病部位增加冷铁后，该处缩松消逝。
对优化后工艺进行第二次砂型3D打印并试制。
工艺改进后铸件见图10。

（a）加强筋+冷铁 （b）优化后浇注系统

图8 优化构造及浇注系统

（a）充型100% （b）缩疏松布

图9 仿真结果

图10 改进工艺后铸件

对优化后的铸件进行尺寸、化学身分、力学性能、X射线探伤等考验。
对铸件尺寸进行检讨，紧张尺寸结果见表4，安装凸台的尺寸为615.3 mm，铸件整体尺寸精度符合GB/T6414-1999中CT8哀求，这解释电子机箱骨架铸件的紧缩率不能按一样平常铝硅合金紧缩率1%进行设置，大型薄壁铸件实际紧缩率按0.8%得当。

表4 优化后铸件紧张尺寸丈量结果

对铸件进行X射线探伤。
结果见图11，筋部没有冷隔、缩松毛病。
采取3D打印砂型铸造工艺，能够生产出知足哀求的局部壁厚为2.5 mm，范例薄厚为4 mm的大型薄壁铸件。
仿照技能能够较为准确的预测铸件中缩松毛病的位置，为工艺设计供应理论依据。
一样平常铝硅合金铸件设计紧缩率为1%，大型薄壁电子机箱骨架铸件实际紧缩率为0.8%，比设计紧缩率偏小。

图11 X光探伤结果

来源：司金梅，吕三雷，李晶晶，等. 基于工艺仿真和3DP砂型的大型薄壁电子机箱骨架制造[J].特种铸造及有色合金，2020，40（12）：1384-1387.