原標題：壓鑄A380合金薄壁殼體工藝研究

摘要：為了生產(chǎn)出合格的高精度、輕量化薄壁殼體鑄件，采用壓鑄性能好的A380鋁合金，在冷室壓鑄機上，確定影響因素及水平，合理地設(shè)計試制試驗。采用正交試驗，確定最優(yōu)工藝參數(shù)，得到了合格的薄壁壓鑄A380合金殼體件。

鑄造鋁合金由于其較小的密度和較高的強度，廣泛地應(yīng)用于機電、汽車、航空、航天等領(lǐng)域。隨著綠色、節(jié)能、環(huán)保的意識提高，以及碳中和的要求，零部件的輕量化、精密化及整體化的要求也越來越高。壁厚小于4 mm，局部可低于0.5 mm的高質(zhì)量的鋁合金鑄件受到重視。

1、產(chǎn)品概況

圖1為鋁合金薄壁殼體的零件圖。殼體的壁厚有2.5、3.0、4.6 mm等多個壁厚尺寸，而且有多個腔室，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是典型的薄壁多腔室零件。

圖 1薄壁殼體

薄壁殼體鋁合金鑄件的表面積大且平均壁厚小，表面張力極大的影響充型的流動條件和狀態(tài)。導(dǎo)致成形困難，易變形，且補縮通道易閉合，經(jīng)常會出現(xiàn)澆不足、縮松及縮孔等缺陷，從而導(dǎo)致鑄件質(zhì)量較差。同時薄壁殼體鑄件，加工余量少，存在尺寸控制難度較大的特點。因此，薄壁殼體鋁合金鑄件采用傳統(tǒng)的低壓、差壓鑄造工藝困難較大。

A380鋁合金鑄造性能良好，由于其Cu含量較高，具有較好的強度與機加工性能，在鋁合金壓鑄件中得到廣泛應(yīng)用，其化學(xué)成分見表1。

表1 A380合金化學(xué)成分表 wb/%

為了快速獲得穩(wěn)定可靠的薄壁鋁合金殼體制造工藝流程，通常通過試驗獲得準確、可靠的工藝數(shù)據(jù)。以得到理想的合格零件，隨后再將工藝數(shù)據(jù)制訂成工藝卡片，從而實現(xiàn)零件的批量化生產(chǎn)。

因此，為了獲得高質(zhì)量的A380合金薄壁殼體，采用壓力鑄造，通過對多個關(guān)鍵工藝參數(shù)進行正交試驗，分析關(guān)鍵工藝參數(shù)對薄壁殼體質(zhì)量的影響，旨在為其應(yīng)用提供參考。

2、壓鑄A380合金薄壁殼體工藝過程

A380合金殼體的開發(fā)設(shè)計流程，詳見圖2。

圖2 殼體設(shè)計流程

為了得到合格的薄壁殼體零件，要對殼體毛坯進行去飛邊、X射線檢測、紫外線熒光檢測。其中， X射線檢測是為了檢查零部件內(nèi)部縮松、縮孔等缺陷；紫外線熒光檢測，是檢查殼體表面的微小鑄造裂紋；由于殼體屬于功能性裝配件，還有氣密性檢測要求，所以需要對殼體進行泄漏檢測，保證殼體工作時，流通的高溫氣體不泄露，可以快速建立起壓力。根據(jù)薄壁殼體的投影面積，選擇合模力為3 500 kN的力勁冷壓室壓鑄機。

1.1.1 殼體鑄造過程關(guān)鍵工藝

圖3 壓鑄機壓射過程示意圖

圖3為壓鑄機壓射過程示意圖。影響薄壁殼體質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)有速度、壓力及時間。慢速壓射速度，由t0-t1和t1-t2兩段組成，用V01及V12表示；高速轉(zhuǎn)換點t2開始位置（壓鑄最重要的參數(shù)），高速壓射區(qū)間為L2(t2-t3)；V充為填充速度；P比為增壓比壓。t充、t增和t留為填充時間、增壓時間和留模時間。

實際使用的壓鑄主要工藝參數(shù)見表2。

表2 壓鑄A380合金薄壁殼體件的工藝參數(shù)

3、薄壁殼體正交實驗設(shè)計

針對速度、比壓、時間等關(guān)鍵參數(shù)，采用正交試驗，以獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)。
采取7因子3水平L27（37）正交表見表3。正交試驗表見表4

4、試驗結(jié)果與分析

為了獲得準確可靠的數(shù)據(jù)，按照試驗工藝，每一組壓鑄10件薄壁殼體，通過田口DOE計算，獲得壓鑄A380合金殼體的最優(yōu)工藝參數(shù)。

優(yōu)化目標是表面質(zhì)量、內(nèi)部缺陷及氣密性。根據(jù)試驗及檢測結(jié)果，得到的數(shù)據(jù)見表5。對所有數(shù)據(jù)，輸入到Minitab軟件的設(shè)計表中，按照實驗條件與結(jié)果之間的關(guān)系，通過軟件自動獲得各個影響因素對結(jié)果的均值曲線，并根據(jù)均值曲線進行科學(xué)分析，獲得最優(yōu)參數(shù)。

表5 正交試驗結(jié)果

4.1 影響因素對結(jié)果的分析

對表5進行DOE正交計算，獲得7個因素均值與均值主效應(yīng)圖的影響曲線，可以分析出7個因素對薄壁殼體的影響。

因為殼體成品率屬于望大特性，通過正交計算，可以得到針對殼體試驗均值主效應(yīng)圖，見圖4；同時，可以得到信噪比主效應(yīng)圖，見圖5。

根據(jù)圖4，通過正交計算，可以得出試驗均值響應(yīng)表，詳見表6；根據(jù)圖5，通過正交計算，可以得出試驗信噪比響應(yīng)表，見表7。

表6 均值響應(yīng)

表7 信噪比響應(yīng)

從圖4可以得出，P比與試驗均值呈正相關(guān)且為線性關(guān)系，即隨著P比的增加，試驗均值也顯著增加。這是因為，高的P比能推動金屬液基本充滿型腔，同時高的比壓會使金屬的內(nèi)部組織更為細密，從而使鑄件的質(zhì)量有顯著提高；但是P比太大會出現(xiàn)跑鋁、損壞模具甚至壓鑄機的現(xiàn)象，所以實際生產(chǎn)中，P比盡量選取中間值。另外，V01對試驗均值的響應(yīng)曲線，變化較大，當V01從低到高時，會得到外形輪廓清晰度好的鑄件，同時鑄件表面質(zhì)量高；但是，過高的V01會使鋁液在壓室出現(xiàn)卷積現(xiàn)象，造成鑄件表面出現(xiàn)疊皮現(xiàn)象。當t增時間長，鋁液已經(jīng)凝固，對于薄壁殼體，會造成殼體表面裂紋。因此，薄壁殼體的t增要做到薄、厚兼顧。時間太短，厚壁處因補縮不足，會出現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷；時間過長，會造成薄壁表面開裂。所以，對于體積大，形狀復(fù)雜的殼體薄壁鑄件，t增要選擇適中。而，V12、V充、t充和t留基本是圍繞著試驗均值的中線波動，因此可以理解為這4個因素對試驗均值響應(yīng)影響較小。

通過表6均值響應(yīng)和表7信噪比響應(yīng)可以得出，正交試驗結(jié)果的極差。從表7可以得出，最主要的因素是V01，水平2的工藝參數(shù)對信噪比的響應(yīng)最敏感；其次是t增，水平2的工藝參數(shù)對信噪比的響應(yīng)最敏感；然后是P比，水平3的工藝參數(shù)對信噪比的響應(yīng)最敏感，但是，根據(jù)經(jīng)驗，過高的P比會對模具及設(shè)備造成破壞性影響，因此，推薦P比的工藝參數(shù)也選擇2水平。按照這個方法，針對這三種參數(shù)的響應(yīng)因素，選擇水平為2會得到較好的望大特性。

5、結(jié)論

采用A380合金結(jié)合壓力鑄造比較適宜制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁殼體零件。采用正交試驗算法，給出了優(yōu)化的工藝參數(shù)。充型速度為0.2m/s,增壓時間為5 s，壓射比壓為60 MPa。

作者：

吳玲
燕山大學(xué)機械工程學(xué)院
于樹洪
濱州盟威戴卡輪轂有限公司
趙磊 周喆 于瑞海 宋利剛
中信戴卡股份有限公司

本文來自:《特種鑄造及有色合金》雜志2022年第42卷第05期