铝合金三通管铸造工艺设计及优化

康永强

中国铝业集团有限公司 北京市 100080

摘要：现如今随着我国制造行业的不断发展和进步，使我国工业整体发展水平得到不断提升，而铝合金便是其中之一，铝合金在我国工业制造中存在着十分重要的作用，对促进工业发展和进步具有着着关键性作用。因此对于本文而言，主要对铝合金三通管铸造工艺进行相的分析，进而提出以下内容，希望能够为同行业工作人员提供相应的参考价值。

关键词：铝合金；三通管；铸造工艺；分析

引言：铝合金的研究以及发展的初期阶段主要是和航空工业相互进行联系的，虽然仅仅只有近百年的发展历史，但是发展速度很快，整体用途也随之扩大，在金属材料中，其产品只排在钢铁之后，位居第二位，而在有色金属材料中则处于首要的位置上，并且铝合金存在着较大的发展前景，实际使用途径也十分广泛。对于铝合金而言，在我国工业上存在着不可替代的重要作用，其合理的应用能够全面带动工业发展和进步，对社会经济水平的提高发挥着不可忽视的重要作用。由于铝合金自身性能十分优化，在进行三通管铸造的过程中，能够提高日后的应用性能，具有更加良好的应用效果，所以在进行铝合金三通管铸造的过程中，要不断优化铸造工艺，加强设计，保证铝合金三通管的整体质量能够满足实际的需要。

1.分析铝合金的概述

铝合金能够根据成分和加工方法将其分为变形铝合金以及铸造铝合金，对于变形铝合金而言，通常情况下将铝合金的配料熔铸成为胚锭，之后再进行塑性变形和加工处理，通过进行轧制和挤压以及铸造等多种方法制作成为产品。对于变形铝合金通常情况下根据各种压力加工方式，将其制作成为管和棒等半成型的合金产品，之后结合其用户进行合理分类。在一九零八年时，美国铝合金公司便研究开发出铝合金1050，之后便将其制作成为钢芯钢芯铝绞线。而在一九一五年时，美国铝合金公司接着研发出来2017铝合金，在一九三三年时发明出了2024铝合金，让铝合金应用范围在快速的扩大和发展。然而在一九四三年时，美国铝液公司接着发明了6063铝合金以及7075铝合金，在此基础上开创出高强度铝合金新纪元，之后通过对铝合金材料研究的不断深入，使铝合金整体性能得到全面提升，因此受到全球工业的高度重视，进而让铝合金逐渐被应用到了各个行业中。然而对于铝合金制铸造，由于其密度相对比较小和强度高，在一定程度上能够形成氧化膜，因此存在着相对来说较为良好的腐蚀性，铝合金的快速发展使其在很多领域中已经取代了钢铁材料，再加上铝金属作为第二大的基础金属材料，在全球范围内的消耗仅次于钢铁，整体密度低和塑性十分良好，存在着非常不错的导电性和导热性，现如今已经受到十分广泛的应用。

2.分析铝合金三通管铸造工艺设计及优化

2.1分析铸造工艺方案的设计

一是浇筑的位置和浇注系统的设计。结合铝合金的凝固理论和实际的经验，在进行浇筑的过程中容易产生氧化膜夹层，从而易形成针孔类缺陷，因此浇注时要求铝液流平稳，因此采用开放式的浇注系统类型。由于管道侧面有一对斜向下的支管，壁厚最大，所以设计浇注系统的内浇道从两个支管进入，利用横浇道补缩。二是分型的确定。根据铸件的结构特点确定铸件中心为分型面，该方案的优点是铸件重要部分在下部，铸件质量能够很好保证，另外该方案也方便造型和下芯。

2.2分析浇筑的工艺模拟

在进行浇筑的过程中，可以采用三维建模软件进行三维实体绘制工作，通过导入模拟软件进行实体设置，通过选择使用Any Casting的any PRE实现有限差分方式划分可变的六面体网格，通常情况下共划分三维网格5026 340个，模拟的浇注温度设置为720℃，型腔温度为室温20℃，砂型与铝液的换热系数设置为500W/(m2·K)铝液与冷铁之间换热系数设置为1200 W/(m2·K)，冷铁与砂型的换热系数为400W/(m2·K)，砂型与砂芯之间的换热系数设置为200W/(m2·K)。首先充型分析通过结合充型时间模拟结果可以看出，从金属液进入型腔直至充满共需3 s，与设计结果基本一致。分析整个充型过程可以看出，液态铝从三通管底部向上升高不断充满型腔，不存在浇不足现象，且液面流动与上升平稳，可以有效避免卷气现象。其次凝固分析根据凝固顺序结果分析可以发现铸件最后凝固位置大部分位于铸件内浇道对应铸件的中上部，这主要是内浇道附近的模数较大，并且充型时不断有铝液在铸件顶部流过，最终也导致了内浇道对应的铸件顶部模数增大，凝固时间较长，最终由于铝液的液态收缩形成了缩沉，所以在此时需要对热节相对较大的位置设置冷铁减少内浇道的模数，并且也可以采用冒口对铸件中的上部进行补缩处理。

2.3分析补缩的工艺优化

2.3.1分析冒口以及冷铁的设计

在逐渐的顶部位置可以设置圆柱形的冒口，而在内浇道的进口位置设置随形冷铁，结合其铸件模数的要求，取圆柱冒口补缩效率η=15%，铝合金收缩率取5%，经过计算验证该冒口可以满足收缩需求。根据铸件模数计算冷铁厚度，经过加入冷铁和冒口优化补缩工艺后，根据凝固顺序来看添加冷铁与冒口以后，铸件内部金属液温度差变大，铸件冷却速度变快，铸件的冒口位置和内浇道附近温度较高，内浇道位置有收缩缺陷以及铸件内部仍然存在缺陷，说明部分缩孔已经转移到了内浇道中，该工艺虽然较无冒口工艺缩孔缺陷明显减少，仍然需要优化冒口和冷铁的设计，彻底消除缩孔缺陷。

2.3.2分析冷铁的优化布置

通过对其进行分析之后，为了能够有效的避免内浇道出现反补缩的情况，因此需要对冷铁进行合理的优化布置，通常情况下可以在支管孔外侧布置，通过冷铁使得支管孔位置模数降低，从而在一定程度上减少了缩孔缺陷。经过对冷铁的不断改进与积极优化，铸件支管孔大壁厚位置凝固提前完成，说明冷铁对铸件金属液凝固顺序起到了调整作用，不仅能够铸件的顺序凝固，同时也在一定程度上保证铸件凝固过程冒口的补缩作用，避免出现不必要的缩孔倾向。

总结：结合对上述内容进行分析研究后可知，在实际进行铝合金三通管中铸造的过程中，需要确定铝合金三通管铸件的铸造工艺方案和工艺参数，并在砂芯的三端顶部都设有芯头，芯头处扎有出气孔，有利于合金液在充型过程中的排气。根据铝合金三通管铸件的结构，确定了铸件的浇注位置，采用底注式开放式浇注系统，最大程度地保证了充型的平稳性。在铸件热节位置设计了保温冒口以及冷铁，有效消除了缩孔缺陷，获得了优化的设计方案，为提升铝合金三通管铸件质量提供了合理的工艺参数。

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