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铝合金机构箱是中型铸件，结构工艺性较好。目前，国内对于铝合金机构箱的生产大多以砂型铸造为主，而针对这类产品设计专门的金属型模具并用于实际生产方面的研究较少有人涉及。本文通过铸件工艺分析，设计了一套金属模，同砂型铸造相比，由于金属型冷却速度较快，铸件组织较致密，可进行热处理强化，力学性能比砂型铸造高15%左右；与压力铸造相比，金属型使用寿命长，一次性投入较少。金属型所生产的铸件质量稳定，表面粗糙度优于砂型铸造，劳动条件好，废品率低，生产效率高，可获得较高精度、较好力学性能的铸件。
1 机构箱铸件工艺分析
1.1 铸件材料
铸件材质力ZL101A，其化学成分见表1。 （图片） 1.2 铸件结构特点
铝合金机构箱零件如图1，长400mm，宽356mm，高176.4mm，重量为6.7kg，最大壁厚为16mm，最薄处为6mm。铸件壁厚不均匀，内外侧面具有小凸台且台面为机加工面，在台面上后续加工有螺纹孔及通孔，箱口处带内边缘，该结构不利于内部型芯的取出。（图片） 1.3 铸件工艺设计参数选择
根据箱体结构可知，该零件毛坯即设计铸件图的结构也为边缘带凸台，箱口处带内边缘。考虑到凸台上后续加工通孔的方便及节省材料，在设计台面上有较大尺寸通孔的位置，毛坯壁内设置有一定深度的凹槽。由于箱体铸件具有内边缘的特殊结构，不利于金属型芯的取出，故采用砂芯。图2为绘制的铸件图，加黑部位为机加值。（图片） 2 金属模结构设计
2.1 外模结构设计
金属模的结构设计应使外型和芯盒具有足够的强度和刚度，保证填砂时模具不发生变形和损坏，同时考虑起模性能及实际可操作性，在此前提下尽量减轻模具重量，降低模具加工成本。
2.1.1 壁厚选择及分型面上主要尺寸确定
对于铝合金铸件用金属型，减少壁厚会降低金属型的蓄热能力，降低对铸件的冷却速度，为了提高对铸件的冷却速度，应适当增加金属型壁厚。该铸件最小壁厚δ件=6＜10mm，则金属型壁厚δ型=15～20mm，由于铸件中凸台的存在，应使实际壁厚略大于计算壁厚，留有一定余量，故金属型壁厚增加为30mm。金属型分型面上主要结构参数如表2所示。（图片） 2.1.2 型腔尺寸确定
金属型型腔尺寸的计算，除根据铸件公称尺寸及偏差外，还应考虑到铸件材质从固相线冷却到室温时的收缩、涂料层的厚度、以及金属型材料从室温升至预热温度时的膨胀率。可用公式(1)计算。（图片） 式中Ax——型腔尺寸，mm；
Ap——铸件尺寸的中间值，mm；
K——综合线收缩率，%；
δ——涂层厚度，mm；
△Ax——型腔尺寸制造公差，mm。
根据铸件的受阻情况为有型芯、有阻碍，取K为0.9%；涂料厚度δ取每边为0.2mm，型腔凹处取上限值，凸处取下限值，中心距L处δ等于零。在计算型腔尺寸时采用粗略的计算方法，计算出来型腔的基本尺寸为已涂涂料的尺寸，计算如下：（图片） 式中A——铸件图中尺寸
A型——已涂涂料型腔基本尺寸
2.1.3 装配与定位
活动块与金属型本体的配合尺寸取决于受热部分所用的制造材料、尺寸、形状等因素，通常金属芯、顶杆、活动块等活动部件与金属型本体之间保持一定间隙。金属模与造型模板之间的定位方式采用定位销定位，销钉材料为45钢，淬火，硬度为33～38HRC。考虑到定位销工作时要受到铸型受热变形的影响，故常采用H8或H9配合公差，即一半以H8/s7呈过盈配合，一半以H8/f9呈间隙配合。
2.2 芯盒结构设计
砂芯材料选为自硬砂，粘结剂为树脂类。根据箱体毛坯结构特点，砂芯的固定为单头固定，为了砂芯头安装的可靠稳定，将芯座高度h设置为60mm，则根据(A+B)/2=(391.4+347)/2=369.2mm和h=60mm，砂芯头与金属型芯座的配合间隙δ为1.0mm。配合尺寸如图3所示。（图片） 芯盒材料选为木模，将芯盒设计为分块式以方便砂芯成型后开型，用于成型的共有6块，它们靠外边设计的箱框定位，箱框用钉子连接。芯盒的安装过程如图4所示。图4中，(a)为4个板和成型底板组成的芯盒框，用钉子连接固定；(b)为将4周1、2、3、4四个成型砂芯板放入箱框内；(c)为成型砂芯头的木模板，图中1处设计目的是方便成型砂芯头放入金属型芯座；(d)为将(c)中成型板放入后的状态。放入制备好的砂子后，夯实，盖上设计好的盖板，翻转芯盒，开芯盒时先取出结构(a)，再从四个方向取出成型木板(b)中1、2、3、4，接下来直接取出型芯即可。（图片） 2.3 金属模材质选择
金属模选材为QT500-5，硬度为147～241HBS，退火热处理。球墨铸铁具有良好的耐热、耐蚀性能，比片状石墨铸铁制成的金属型发生裂纹的可能性低。
2.4 金属型锁紧结构设计
本文金属型结构设计为对开式偏心锁结构，如图5所示。开口销将锁扣固定在金属型的凸耳之间，通过偏心手把的转动，将两半型锁紧。锁扣和偏心手把的材料均为45钢，热处理后硬度为35～40HRC。（图片） 2.5 金属型装配图
成型铝合金机构箱毛坯的金属型如图6。编号3与编号2、7之间是靠编号10销钉和9螺钉定位和连接；编号2、7之间用编号11锁扣锁紧；编号1和编号2、7之间用编号8连接，靠自身结构定位；编号5与编号1之间用编号6销钉和自身结构定位。编号1和编号2、7配合面上设有用于敲开编号1的凹槽。（图片） 开型时，先取出编号1，接着编号2、7前后分型，而编号5将留在铸件上，随后再取出，最后从编号3上取出铸件。
3 机构箱熔铸工艺设计
3.1 浇注系统设计
该金属型的浇注方式设计为缝隙式浇道，根据铸件最小壁厚为6mm，可设计缝隙厚度为6～9mm，取为9mm，缝隙宽度为10～14mm，集渣包直径为20～30mm，取为30mm。结构如图7所示。（图片） 3.2 冒口设计
使用常用的结晶等温线法及内切圆法找出铸件上可能产生缩孔或缩松的热节部位，在热节处设置冒口。铝合金铸件明冒口高度应不小于60mm，不大于200mm，直径一般不超过100mm，尺寸过小时补缩效果不好。但冒口尺寸过大，浪费金属液，甚至引起其他铸造缺陷。该金属型中设计4个冒口，冒口高度取H=60mm，冒口尺寸如图8所示。
3.3 浇注工艺
铝舍金机构箱铸造工艺图如图9。（图片） 金属型浇注前预热温度设为200～300℃。预热后再喷刷涂料，铸件型腔工作面用涂料成分为氧化锌、水玻璃和水，涂层厚度为0.2mm；浇冒口系统涂料，成分为石棉粉、氧化锌、水玻璃和水，涂层厚度为0.5mm。
金属型浇注温度范围为680～780℃。浇注时液流要连续，稳定而不断，按照先慢后快再慢的浇注原则。当浇冒口基本凝固完毕，即可开型。
4 结束语
通过ZL101A铝合金机构箱结构的综合分析，设计铝合金机构箱金属膜，并对该机构箱的铸件成型工艺进行分析。实际生产经验表明，采用金属型生产铝合金机构箱，所得铸件组织较致密，并且有较好的尺寸精度和表面粗糙度，生产效率也有很大提高。
8/23/2012
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