摘要：針對某離合器殼體鋁合金的壓鑄成形，應(yīng)用數(shù)值模擬方法，了解鋁合金液體流動充型狀態(tài)與鑄件缺陷的分布，優(yōu)化了鑄件的澆注系統(tǒng)與排氣系統(tǒng)，大大降低了模具的開發(fā)周期。同時在試模與試生產(chǎn)階段，從澆注、工藝、模具等方面分析了不同缺陷產(chǎn)生的原因，并提出了改善措施。結(jié)果表明，合理的澆注、排氣系統(tǒng)與合理的冷卻是獲得高品質(zhì)壓鑄件的關(guān)鍵。

鋁合金因其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕的特點，在汽車，航空航天，交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鋁合金通過強(qiáng)化合金元素 ,其強(qiáng)度大大提高 ,由于質(zhì)輕、散熱性好等特點 ,完全滿足了離合器殼體、變速箱殼體、側(cè)蓋在惡劣環(huán)境下工作的要求。由于鋁合金密度低 ,強(qiáng)度性能與灰鑄鐵相近 ,韌性卻高于灰鑄鐵 ,且有良好的鑄造性能，因此, 應(yīng)用鋁合金可以明顯地減輕汽車自重。離合器殼體的制造比較困難，且其要具有耐磨、抗熱、抗變形、氣密性好等特性 ,所以離合器殼體的工藝開發(fā)設(shè)計具有一定的難度。

1、鑄件的結(jié)構(gòu)及開發(fā)技術(shù)要點

開發(fā)的汽車離合器殼體壓鑄零件見圖1。該零件輪廓尺寸200.55 mm ×562.98 mm×409.06 mm，壓鑄件質(zhì)量為11.21 kg，平均壁厚為5 mm，投影面積為 201 910mm2,鑄件材質(zhì)為ADC12 合金；該鑄件有多處的厚壁熱節(jié)部位，易造成縮孔；產(chǎn)品要求所有外形尺寸符合圖紙的裝配要求，特別是平面度以及位置度要求必須滿足圖紙規(guī)范的要求；密封面氣縮孔Φ0.5～1.0 mm允許1個，氣縮孔小于Φ0.5 mm的允許2個，軸承孔機(jī)加工后不允許有氣孔外露，并且產(chǎn)品要求氣密性試驗，有非常嚴(yán)格的氣密性要求。

圖1：離合器殼體壓鑄零件

圖2：各油道位置圖

根據(jù)要求，生產(chǎn)該產(chǎn)品有一定的困難，尤其油道交匯處對致密度要求很高，否則容易引起油道間串漏，所以設(shè)計時在兩處油道交匯處（圖2所標(biāo)記處）加入外部擠壓，以防止縮松、縮孔出現(xiàn)；同時該產(chǎn)品有較多的螺紋孔、軸承孔，加工面不允許有氣孔外漏，因此采用高真空壓鑄，在壓射過程中減少氣體來源，從而減少產(chǎn)品氣孔。該零件在27000 kN壓鑄機(jī)上生產(chǎn)，配有實時壓射控制系統(tǒng)。

為了縮短開發(fā)的周期，使用壓鑄模擬軟件進(jìn)行分析，結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，采取兩種不同的進(jìn)澆方式。一種是從底部與側(cè)邊油道兩邊進(jìn)料，見圖3；另一種是直接從底部進(jìn)料，見圖4。

對兩種進(jìn)料方式進(jìn)行模擬分析，見圖4和圖5。從模擬效果看，本澆注系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)鋁料的平穩(wěn)充填，卷氣主要集中在渣包和局部死角位。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部壁厚不均勻和狹小位置較多，所以呈現(xiàn)出不等速的冷卻速度，據(jù)此設(shè)計出合理的冷卻系統(tǒng)。動定模狹小位置采用割鑲件的方式，單獨控制冷卻，崩缺后容易更換。第1種進(jìn)料方式不便于自動化設(shè)備除去側(cè)邊澆道，且類似產(chǎn)品開模時側(cè)邊易變形甚至粘模，故本產(chǎn)品采用第2種進(jìn)料方式。

2、壓鑄工藝的選擇

2.1 高速切換點

壓鑄件質(zhì)量為11.21 kg，渣包與溢流道質(zhì)量為1.72 kg，壓射有效長度為890 mm，沖頭直徑為160 mm，所以內(nèi)澆口的高速起點距離為622 mm處。

2.2 真空工藝選擇

型腔內(nèi)氣體體積約為6.8 L，直徑為160 mm的料室內(nèi)氣體體積為8.4 L，即總共需要抽氣的體積為15.2 L。選擇的真空閥排氣口面積為240 mm2 ，排氣流量為55 L/s，故抽氣所需要時間為0.28 s。整個慢速過程平均時間為1.275s，因此理論上抽氣時間足夠。真空閥響應(yīng)時間為80 ms左右，慢速為1m/s，故理論真空閥需在高速切換點前80 mm處關(guān)閉。
為確定最佳的抽真空開始位置和結(jié)束位置（射頭行程），對3組參數(shù)進(jìn)行試驗，見表1。

表1：真空參數(shù)選擇

試驗結(jié)果表明，第1組有較多冷隔、成形不良現(xiàn)象產(chǎn)生。主要是料槽口未封住就開始抽氣，導(dǎo)致料槽里空氣流通加快，表面鋁液氧化冷卻嚴(yán)重，鋁液流動性變差，導(dǎo)致冷隔成形不良等缺陷；并且在壓射開始到封住料槽口這段時間內(nèi)抽氣，型腔內(nèi)氣壓無變化。采用第2組參數(shù)，所生產(chǎn)的產(chǎn)品正常。第3組參數(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品水尾有較多氣孔。原因是真空閥入料，抽氣效果不好，導(dǎo)致氣孔差，說明理論的抽真空結(jié)束位置不適合，需要提前。所以，抽真空的最佳參數(shù)為：在180 mm處（射頭過料槽口）處開始抽真空，在490 mm處結(jié)束抽真空。

2.3 真空輔助條件下高速切換點的選擇

鋁合金離合器殼體在高真空輔助條件下壓鑄成形。由于高真空生產(chǎn)時型腔負(fù)壓，隨著沖頭的推進(jìn)，金屬液高度不斷升高而進(jìn)入流道，在負(fù)壓作用下，金屬液有被吸入型腔的趨勢。因此，在高真空壓鑄生產(chǎn)時，壓鑄高速切換點往往需要提前。

為了獲得最佳的工藝參數(shù)組合，對3組參數(shù)做了試驗見表2。

表2：壓鑄工藝參數(shù)選擇

采用第1組參數(shù)試生產(chǎn)后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品成形良好，水尾有輕微冷隔，入料口有扣?，F(xiàn)象，但不嚴(yán)重。X光檢測發(fā)現(xiàn)，水尾有明顯氣孔，見圖7。

圖7：水尾氣孔

采用第2組參數(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品，成形良好，入料口有扣模現(xiàn)象，但不嚴(yán)重，X光檢測發(fā)現(xiàn)，氣孔較少。

圖8：第2組參數(shù)試制結(jié)果

采用第3組參數(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品，表面呈現(xiàn)麻面、冷隔、夾層等不良。

圖9：第3組參數(shù)結(jié)果

經(jīng)過試驗，采用慢速速度為0.30 m/s,高速速度為5m/s,高速起點為590mm,鑄造壓力為35MPa,比較合適。

3、壓鑄生產(chǎn)中的問題

在試模與小批量試生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題：①去除產(chǎn)品內(nèi)澆口容易崩入；②吊裝孔底部縮孔，加工后外露；③擠壓銷底部縮松；④減料位、角位燒傷粘鋁分析與對策；⑤電機(jī)孔里兩油道間縮孔導(dǎo)致串漏。

圖10：產(chǎn)品缺陷

4、缺陷的原因分析及對策

4.1 產(chǎn)品水口容易崩入成因分析與對策

該產(chǎn)品內(nèi)澆口厚度為5 mm，屬于特厚內(nèi)澆口，所以去除水口很容易造成水口崩入。解決水口崩入的方法：一是在內(nèi)澆口和產(chǎn)品連接處增加防崩凸臺；二是減小內(nèi)澆口厚度；三是采用鋸床鋸斷內(nèi)澆口。第1種方法需要在定模上減料，也就是要繼續(xù)加工定模，首先需要3D造型，然后數(shù)控加工。第2種方法需要補(bǔ)焊入料口位置，再對補(bǔ)焊位置加工。第2種方法改變了模具的澆注特性，并且內(nèi)澆口附近的補(bǔ)焊不穩(wěn)定；考慮到本澆注系統(tǒng)流道全部在下抽芯，沒有其他分支澆道，所以增加防崩凸臺后應(yīng)該會取得良好效果，所以最終選擇第1種方案。

圖11：內(nèi)澆口和產(chǎn)品連接處增加防崩凸臺

按照上述措施把內(nèi)澆口和產(chǎn)品連接處增加防崩凸臺后，在后續(xù)去除澆道時，從未發(fā)生澆口崩入的現(xiàn)象。

4.2 吊裝孔底部縮孔，加工后外露

圖12為吊裝后縮孔?？梢钥闯觯跹b孔的孔深大，周邊壁厚是正常壁厚1.5倍以上，特別是孔底，極易造成縮松、縮孔缺陷。

(a)吊裝孔縮孔                                                                                (b)加工后外露的縮孔

圖12：吊裝孔縮孔，加工后外露

解決該處位置縮孔缺陷的方法。第一將氣孔外漏針加長2 mm左右，減少加工余量，使加工時氣孔不外露；第二將型芯針換成高壓點冷，保證加工不外露；第三直接取消此處的針，驗證縮孔能否加工掉。第1種方法最簡單，只需更換芯針；第2種方法通過增加超點冷,能夠很好解決芯針側(cè)邊縮孔問題，但是芯針頭部縮孔依舊存在；第3種由于縮松和縮孔分布不規(guī)律性，產(chǎn)品加工后縮孔依舊存在。

第1種和第2種方法同時使用,即把型芯針換成高壓點冷針并加長2 mm，吊裝孔內(nèi)加工后無縮孔外露情況發(fā)生。

4.3 油道交匯處擠壓銷底部縮松

圖13為下抽芯擠壓銷。油道交匯處設(shè)計之初考慮到此處厚大，極易造成縮松、縮孔等缺陷，設(shè)計了擠壓銷，在鋁液凝固過程中通過擠壓銷擠壓，使組織更加致密。但在生產(chǎn)過程中，擠壓銷底部偶爾還是會出現(xiàn)縮松，主要還是對鋁液的凝固過程不能很好把握，從而使擠壓參數(shù)設(shè)置不合理，導(dǎo)致擠壓無作用或者作用不明顯。

圖13：下抽芯擠壓銷

因為主要是生產(chǎn)過程中此處溫度不穩(wěn)定導(dǎo)致與擠壓參數(shù)不合適，因此需加強(qiáng)生產(chǎn)過程中此處溫度監(jiān)控。在模具上增加熱電偶 ，實時反饋此處溫度變化，記錄某一溫度范圍內(nèi)運水的開度情況以及鋁料溫度數(shù)據(jù)，并記錄對應(yīng)的擠壓參數(shù)。當(dāng)此處溫度出現(xiàn)較大變化時，需檢查模具運水及鋁料溫度，若不能快速檢查出問題所在，需適當(dāng)調(diào)整擠壓參數(shù)。措施實施后,擠壓銷底部內(nèi)部質(zhì)量穩(wěn)定。

4.4 減料位、角位燒傷粘鋁分析與對策

圖14為減料位、角位有燒傷、粘鋁現(xiàn)象，嚴(yán)重時還會破壞關(guān)鍵地方的致密層，導(dǎo)致漏氣，影響產(chǎn)品的力學(xué)性能，必須加以控制。燒傷、粘鋁是模具局部溫度過高引起的，所以加強(qiáng)燒傷位置冷卻是關(guān)鍵。

圖14：減料位和角位燒傷

第一，優(yōu)化燒傷位置的噴涂，保證噴涂噴到位，一些噴霧機(jī)噴不到的死角位增加內(nèi)噴涂；第二，優(yōu)化燒傷位置的運水冷卻，在保證模具安全的情況下盡量縮短到模具表面的距離，還可以增加高壓點冷等加強(qiáng)冷卻；第三，對燒傷位置做表面處理，臨時措施如模具表面做披覆層增加披覆表面的耐磨性、耐沖擊性及耐熱性，長久措施如滲氮、涂層處理，能使模具具有良好的脫模性。綜合運用以上3種方法能有效控制模溫升高，減輕燒傷、粘鋁等缺陷。通過上述方法改進(jìn)，燒傷、粘鋁等缺陷得到有效控制。

4.5 電機(jī)孔油道間縮孔原因分析與對策

圖15是電機(jī)孔兩油道間存在縮松縮孔，容易導(dǎo)致油道間串漏。主要原因是此處較厚大，并且無冷卻，極易形成縮孔，導(dǎo)致兩油道串在一起。

圖15：電機(jī)孔兩油道

解決該處位置縮孔缺陷有2種方法。第1種方法是把兩型芯針改為擠壓銷針，通過鋁液的擠壓把縮孔缺陷解決；第2種方法是通過把型芯針改為快換結(jié)構(gòu)的高壓點冷針，用高壓冷卻的方法令兩型芯針周圍鋁液先凝固，消除縮孔。前者擠壓針孔，擠壓量有限，效果不明顯，且成本高，需考慮擠壓銷針易斷，發(fā)生故障難處理導(dǎo)致生產(chǎn)效率低等問題。后者改成快換結(jié)構(gòu)的高壓點冷針，雖然針的強(qiáng)度會有所降低，即便生產(chǎn)過程中斷裂，更換也較方便。所以采用第2種方法。按第2種方法更改后，針孔之間縮孔缺陷被消除，但針孔底部由于加工余量過大，仍有縮松縮孔存在，此處漏氣率由原來的60%減少到15%。由于針底部比較厚大，換成高壓點冷針對底部冷卻效果不好。因此將高壓點冷針加長。這樣做在加強(qiáng)冷卻的同時減少加工余量，還可以使兩針熱節(jié)位錯開。高壓點冷針加長后，此處內(nèi)部質(zhì)量良好，此處兩油道間無出現(xiàn)串漏現(xiàn)象，效果明顯。

圖16：加長高壓點冷針后X光

5、結(jié)束語

數(shù)值模擬能為鋁合金壓鑄件的質(zhì)量控制及缺陷改善提供良好的參考依據(jù)；合理的高速切換點選擇對鑄件良好內(nèi)部質(zhì)量和表面成形良好都很重要，而高真空壓鑄對高速切換點有較大影響；型芯針的高壓冷卻解決了壓鑄件熱節(jié)處的縮孔缺陷，表面處理技術(shù)的運用和合理的冷卻設(shè)計為獲得高質(zhì)量的鑄件提供了可靠的保障；合理修改鑄件結(jié)構(gòu)、減少加工余量對壓鑄品質(zhì)提升都有積極意義。

作者：
安肇勇 黃志垣 陸淳佳
廣東鴻圖科技股份有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2020年第40卷第05期