原標(biāo)題:1000型鋁合金壓鑄梯級(jí)結(jié)構(gòu)及壓鑄工藝優(yōu)化

摘 要:在鋁合金梯級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，既要考慮梯級(jí)的安全性和輕量化，又要考慮梯級(jí)的壓鑄成形工藝。通過(guò)采用ABAQUS有限元分析軟件，對(duì)梯級(jí)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，優(yōu)化梯級(jí)結(jié)構(gòu)。通過(guò)采用MAGMA軟件，對(duì)梯級(jí)的澆注系統(tǒng)進(jìn)行充填和凝固數(shù)值模擬分析，優(yōu)化澆注系統(tǒng)和壓鑄成形工藝。通過(guò)產(chǎn)品試制驗(yàn)證，梯級(jí)達(dá)到國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)生產(chǎn)要求。

梯級(jí)是自動(dòng)扶梯最主要的零件。梯級(jí)部件結(jié)構(gòu)主要包括：梯級(jí)、梯級(jí)軸、主輪、輔輪等,見圖1。梯級(jí)分為整體式和裝配式，整體式梯級(jí)一般為鋁合金整體壓鑄，由踏板、踢板及支架3部分組成，踏面和踢面鑄有筋條，起防滑作用和相鄰梯級(jí)導(dǎo)向作用。整體式梯級(jí)質(zhì)量輕、剛度好、精度和外觀質(zhì)量高，便于制造、裝配和維修。隨著壓鑄技術(shù)發(fā)展，整體式壓鑄鋁合金梯級(jí)逐漸取代裝配式梯級(jí)，在自動(dòng)扶梯中得到大量使用。

圖1  整體式壓鑄鋁合金梯級(jí)部件結(jié)構(gòu)圖

1、梯級(jí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

整體式壓鑄梯級(jí)的主要特點(diǎn)是體積大、長(zhǎng)度長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)自動(dòng)扶梯一般采用600、800、1 000 mm，一般雙梯的梯級(jí)長(zhǎng)度常用1 000 mm。梯級(jí)鑄件一般質(zhì)量在13 kg左右，有的甚至達(dá)15 kg，鑄件一般壁厚在3 mm左右。梯級(jí)要求安全、自重輕、剛度好，彈性變形小，耐腐蝕性強(qiáng)，裝拆維護(hù)方便，制造成本及能耗低。

1.1 梯級(jí)材料特性

1000型梯級(jí)材料選用鋁合金A380,其化學(xué)成分和力學(xué)性能要求見表1。該鋁合金具有較高的強(qiáng)韌性能、良好的切削性和鑄造性，其屈服強(qiáng)度為160 MPa，彈性模量為72 GPa，泊松比υ為0.3，密度為2.7 g/cm³。

表1 A380化學(xué)成分及力學(xué)性能

1.2 梯級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在梯級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，既要考慮安全、技術(shù)要求符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也要考慮整體式梯級(jí)的輕量化以及壓鑄工藝。梯級(jí)最大外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為1 009 mm×411 mm×340 mm，對(duì)3種不同的梯級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析比較，見圖2。

結(jié)構(gòu)1：梯級(jí)壁厚為1.8 mm，橫向有2根主加強(qiáng)筋，筋板厚度為3.5 mm，高度為45 mm，長(zhǎng)度為810 mm。同時(shí)為加強(qiáng)踏板的剛度，在踏板中間設(shè)計(jì)了一根小的加強(qiáng)筋?？v向有4根主加強(qiáng)筋，筋板厚度為2 mm，見圖2a。

結(jié)構(gòu)2：梯級(jí)壁厚為1.8 mm，橫向有1根主加強(qiáng)筋，筋板厚度為3 mm，高度為65 mm，長(zhǎng)度為810 mm?？v向有5根主加強(qiáng)筋，筋板厚度為2.5 mm，見圖2b。

結(jié)構(gòu)3：梯級(jí)壁厚為1.8 mm，壁厚均勻，橫向筋板最小端壁厚為3 mm，高度為85 mm，長(zhǎng)度為810 mm?？v向有3根主加強(qiáng)筋，筋板厚度2mm，見圖2c。

圖2 3種不同的梯級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

梯級(jí)踏板（結(jié)構(gòu)3）的梳齒結(jié)構(gòu)見圖3, 踏板的壁厚為2 mm，梳齒高度為11 mm，單個(gè)梳齒小端厚度為2.43 mm，踏板上共有111個(gè)梳齒，相鄰2個(gè)梳齒之間的中心距為9.14mm。踢板梳齒槽結(jié)構(gòu)見圖3b，梳齒槽壁厚為1.8 mm，梳齒槽深度為6 mm，相鄰2個(gè)梳齒槽之間的中心距為18.28 mm。

圖3 梯級(jí)踏板、踢板細(xì)節(jié)尺寸示意圖（結(jié)構(gòu)3）

3種不同的整體式梯級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比分析見表2。

表2 3種不同的整體式梯級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比分析

1.3 梯級(jí)靜力學(xué)分析

根據(jù)GB 16899-2011，梯級(jí)應(yīng)進(jìn)行抗彎變形試驗(yàn)，梯級(jí)踏板中央放置一塊鋼板，鋼板尺寸為0.2 m×0.3 m，厚度為28 mm，并使其0.2 m的一邊與梯級(jí)前緣平行，0.3 m的一邊與梯級(jí)前緣垂直，乘客載荷為3 000 N，垂直作用在鋼板上，梯級(jí)踏板的變形量不應(yīng)大于4 mm，且應(yīng)無(wú)永久變形。

采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)的梯級(jí)進(jìn)行靜力學(xué)分析。根據(jù)梯級(jí)的實(shí)際工況，將主輪位置所在的軸套內(nèi)表面施加固定約束，鋼板置于梯級(jí)中間，施加3 000 N載荷，靜力學(xué)分析見圖4~圖6。

（1）結(jié)構(gòu)1：梯級(jí)的等效應(yīng)力見圖4a，最大應(yīng)力為125.90 MPa，發(fā)生在兩邊斜支架與踏面筋板交匯附近，小于梯級(jí)屈服強(qiáng)度160 MPa。梯級(jí)的等效位移見圖4b，最大位移為0.98 mm，發(fā)生在踏面邊緣的中間位置，小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的4 mm變形量以內(nèi)。

圖4 梯級(jí)結(jié)構(gòu)1靜力學(xué)分析

（2）結(jié)構(gòu)2：梯級(jí)的等效應(yīng)力見圖5a，最大應(yīng)力為50.18 MPa，發(fā)生在兩邊主動(dòng)輪軸軸套附近。梯級(jí)的等效位移見圖5b，最大位移為0.41 mm，發(fā)生在踏面邊緣的中間位置。

圖5 梯級(jí)結(jié)構(gòu)2靜力學(xué)分析

（3）結(jié)構(gòu)3：梯級(jí)的等效應(yīng)力見圖6a，最大應(yīng)力為49.20 MPa，發(fā)生在兩邊斜支架與踏面筋板交匯附近。梯級(jí)的等效位移見圖6b，最大位移為0.34 mm，發(fā)生在踏面邊緣的中間位置。

圖6 梯級(jí)結(jié)構(gòu)3靜力學(xué)分析

通過(guò)以上3種不同結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)對(duì)比分析，結(jié)構(gòu)3在最大應(yīng)力和最大位移上均小于結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2，安全系數(shù)為3.25。同時(shí)在質(zhì)量上，結(jié)構(gòu)3比結(jié)構(gòu)1、2分別減少了21%和5%，有效實(shí)現(xiàn)了“輕量化”設(shè)計(jì)。因此，結(jié)構(gòu)3的結(jié)構(gòu)更加合理，成本更低，安全系數(shù)更高，為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

1.4 梯級(jí)模態(tài)分析

利用ABAQUS軟件對(duì)梯級(jí)（結(jié)構(gòu)3）進(jìn)行模態(tài)分析，在主輪和輔輪所在的軸套施加固定約束，鋁合金梯級(jí)前6階模態(tài)的振型和振幅見圖7。其中第1階模態(tài)，頻率為101.60 Hz，振幅為1.032 mm；第2階模態(tài)，頻率為186.95 Hz，振幅為1.028 mm；第3階模態(tài)，頻率為215.56 Hz，振幅為1.035 mm；第4階模態(tài)，頻率為248.53 Hz，振幅為1.041 mm；第5階模態(tài)，頻率為257.62 Hz，振幅為1.613 mm；第6階模態(tài)，頻率為281.39 Hz，振幅為1.352 mm。通過(guò)模態(tài)分析可知，梯級(jí)的固有頻率大于2 0Hz。

圖7 1000型鋁合金梯級(jí)前6階模態(tài)分析

1.5 梯級(jí)諧響應(yīng)分析

根據(jù)梯級(jí)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，除了靜載荷試驗(yàn)和模態(tài)分析以外，梯級(jí)還應(yīng)進(jìn)行動(dòng)載荷試驗(yàn)，模擬實(shí)際使用的工況，驗(yàn)證梯級(jí)的實(shí)際性能。試驗(yàn)應(yīng)以5~20 Hz之間的任一頻率的無(wú)干擾的諧振力波，施加500~3 000 N之間的脈動(dòng)載荷進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)梯級(jí)不產(chǎn)生裂紋，踏面表面不產(chǎn)生4 mm變形。在ABAQUS軟件對(duì)梯級(jí)（結(jié)構(gòu)3）進(jìn)行諧響應(yīng)分析，見圖8，20 Hz諧振力波時(shí)，梯級(jí)最大等效位移為0.64 mm，小于4 mm變形量，見圖9，最大等效應(yīng)力為51.75 MPa，小于鋁合金A380的屈服強(qiáng)度160 MPa。通過(guò)諧響應(yīng)分析，梯級(jí)動(dòng)載荷下，滿足梯級(jí)的國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 等效位移云圖（20 Hz諧振力波）

圖9 等效應(yīng)力云圖（20 Hz諧振力波）

2、梯級(jí)壓鑄工藝優(yōu)化

梯級(jí)外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大、壁厚薄，分布有許多的梳齒結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)筋板，尺寸精度和變形控制要求高，鑄件成形難度大，容易產(chǎn)生氣孔、縮孔、冷隔、粘模，欠鑄、裂紋等壓鑄缺陷，主要缺陷是冷隔。梯級(jí)收縮率為0.55%，溫差控制在40 ℃之內(nèi)，投影面積為4 336 c㎡，選用30 000 KN壓鑄機(jī)。梯級(jí)氣密性沒(méi)有要求，鑄造壓力適當(dāng)降低。鋁液充填過(guò)程中，讓鋁液進(jìn)入型腔后，再切換成高速充填，高速行程短一點(diǎn)。通過(guò)對(duì)梯級(jí)鑄件壓鑄成型工藝進(jìn)行分析，確定壓鑄工藝參數(shù)見表3。

表3 鑄件（A380）壓鑄工藝參數(shù)

2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1） 內(nèi)澆口位置選擇

梯級(jí)（結(jié)構(gòu)3）上有多條縱向加強(qiáng)筋，在設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)，鋁液的填充方向要與加強(qiáng)筋方向一致，使加強(qiáng)筋整條都能得到填充，避免充型過(guò)程中出現(xiàn)壓鑄缺陷。梯級(jí)踏板內(nèi)側(cè)有一條橫跨梯級(jí)的加強(qiáng)筋，此筋板凹陷在型腔內(nèi)部，若此加強(qiáng)筋壓鑄時(shí)強(qiáng)度不足，會(huì)出現(xiàn)粘模情況，模具極難處理。因此，鋁液需對(duì)其進(jìn)行正向充填，以使更多的鋁液優(yōu)先填充加強(qiáng)筋的底部，從而排出加強(qiáng)筋內(nèi)部的氣體。圖10為內(nèi)澆口位置選擇。從圖10a可知，如果內(nèi)澆口選擇在梯級(jí)踏板長(zhǎng)邊進(jìn)料，鋁液填充方向在加強(qiáng)筋填充方向上流量過(guò)小，鋁液很難沖入加強(qiáng)筋，僅靠壓力流，難以保證加強(qiáng)筋的致密性。從圖10b可知，如果內(nèi)澆口選擇在梯級(jí)踢板長(zhǎng)邊進(jìn)料，鋁液填充方向在加強(qiáng)筋填充方向上流量較大，能有比較好的填充效果。所以，內(nèi)澆口位置選擇在踢板長(zhǎng)邊位置。

圖10 內(nèi)澆口位置選擇

（2） 內(nèi)澆口截面積計(jì)算和充填速度驗(yàn)算

內(nèi)澆口截面積計(jì)算如下：

式中，A內(nèi)為內(nèi)澆口截面積，c㎡；k為倍數(shù)系數(shù)，一般為1.1～1.3；G為產(chǎn)品質(zhì)量，g；ρ為鋁合金液態(tài)密度，g/cm³；V為內(nèi)澆口處鋁液的充填速度，m/s；T為鋁液充滿型腔所需的時(shí)間，s。

充填速度對(duì)鑄件成形質(zhì)量和模具壽命有著重要影響，一般充填速度控制在30～60 m/s范圍內(nèi)，充填速度計(jì)算如下：
                        A沖V沖= A內(nèi)V充       （2）

式中，A沖為壓射沖頭截面積；V沖為壓射沖頭速度；A內(nèi)為內(nèi)澆口截面積；V充為充填速度。

針對(duì)梯級(jí)（結(jié)構(gòu)3），計(jì)算內(nèi)澆口截面積和驗(yàn)算充填速度。梯級(jí)體積為3 888 cm³，質(zhì)量G為10.5 kg，一般壁厚為1.8 mm，筋板壁厚為2.43 mm，最大壁厚為25.45 mm。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般溢流槽質(zhì)量占產(chǎn)品質(zhì)量的20%左右，系數(shù)K取1.2。根據(jù)產(chǎn)品的壁厚，充填速度V取40 m/s，充型時(shí)間T取0.06 s。鋁合金液態(tài)密度ρ=2.4 g/cm³。根據(jù)式（1），內(nèi)澆口截面積為：

通過(guò)計(jì)算，內(nèi)澆口截面積為21.88 c㎡。

采用30 000 kN壓鑄機(jī)，壓射沖頭直徑選為Ø180mm，高速壓射階段，壓射沖頭的速度選為4 m/s，根據(jù)式（2），驗(yàn)算充填速度：
              V充=（A沖/A內(nèi)）V沖=46 m/s。

通過(guò)計(jì)算，充填速度為46 m/s，小于60 m/s，充填速度合理，也說(shuō)明內(nèi)澆口截面積合理。

（3）3種不同的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)內(nèi)澆口截面積，結(jié)合梯級(jí)的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)3種不同的澆注系統(tǒng)進(jìn)行分析比較,見圖11。①方案1：梯級(jí)屬于結(jié)構(gòu)件中大范圍平板類型零件，此類產(chǎn)品通常采取平鋪進(jìn)料的方案。澆口布置采用均勻分布的梳形澆口的形式，進(jìn)澆位置選擇在踢板側(cè)，設(shè)計(jì)10支分流道，便于澆注系統(tǒng)與梯級(jí)形成斷口，減少澆注系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品變形的影響，見圖11a。②方案2：根據(jù)梯級(jí)的壁厚和結(jié)構(gòu)特征，澆注系統(tǒng)采用梳形結(jié)構(gòu)，開設(shè)10支分流道，內(nèi)澆口厚度為3 mm，寬度為730 mm，長(zhǎng)度為1.5 mm。料餅厚度50 mm，便于產(chǎn)品補(bǔ)縮，見圖11b。③方案3：澆注系統(tǒng)采用長(zhǎng)錐形切線流道，澆口沿分型面開設(shè)，在澆口寬度方向，填充范圍寬，鋁液填充流動(dòng)較均勻。內(nèi)澆口厚度為2.8 mm，寬度為780 mm，長(zhǎng)度為1.5 mm,見圖11c。

圖11 梯級(jí)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2 數(shù)值模擬仿真分析

采用MAGMA軟件對(duì)梯級(jí)的3種澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模流分析。

（1） 充填過(guò)程分析  方案1：從圖12可以看出，充填達(dá)46%時(shí)，中間的6支分流道，鋁液已經(jīng)到達(dá)內(nèi)澆口，但兩邊的分流道充填距離長(zhǎng)，鋁液明顯滯后。充填達(dá)62%時(shí)，兩邊分流道散熱快、料溫低，同時(shí)在鑄件梯級(jí)軸區(qū)域出現(xiàn)裹氣，此處存在卷氣風(fēng)險(xiǎn)。充填達(dá)82%時(shí)，踏板中間區(qū)域填充完畢，二側(cè)區(qū)域尚未完全充填，鋁液溫度偏低，易產(chǎn)生冷隔。充填達(dá)98%時(shí)，鑄件內(nèi)部大部分區(qū)域均低于液相線，冷隔欠鑄風(fēng)險(xiǎn)高。

圖12 方案1充填過(guò)程分析

方案2：從圖13可以看出，充填達(dá)46%時(shí)，鋁液在中間分流道充填速度快，兩邊分流道充填速度慢。充填達(dá)62%時(shí)，流道內(nèi)有卷氣，鑄件內(nèi)部卷氣嚴(yán)重，料溫較低。充填達(dá)82%時(shí)，在產(chǎn)品轉(zhuǎn)角部位出現(xiàn)明顯裹氣，此處存在卷氣風(fēng)險(xiǎn)。充填達(dá)98%時(shí)，鑄件末端部位出現(xiàn)低于液相線的冷料，此處冷隔風(fēng)險(xiǎn)較高。

圖13 方案2充填過(guò)程分析

方案3：從圖14可以看出，充填達(dá)46%時(shí)，鋁液充填均勻、充填范圍較寬，有利于鑄件成形。雖然流道部位出現(xiàn)滯留氣體，但模流分析顯示氣體并未隨鋁液進(jìn)入產(chǎn)品。充填達(dá)62%時(shí)，充型溫度較好，各部位溫度高于液相線，前鋒冷料可通過(guò)溢流槽排出，產(chǎn)品內(nèi)卷氣風(fēng)險(xiǎn)較低。充填達(dá)82%和98%時(shí)，鑄件末端有些地方出現(xiàn)卷氣，但可以通過(guò)溢流槽排除。

圖14 方案3充填過(guò)程分析

（2） 凝固過(guò)程分析  對(duì)3種澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的凝固過(guò)程進(jìn)行分析，見圖15。可以看出，3種澆注系統(tǒng)的凝固過(guò)程基本相似。凝固溫度分析顯示，兩側(cè)初始溫度較低，凝固速度最快。踏面和踢面依次凝固，澆注系統(tǒng)最后凝固，起到補(bǔ)縮作用。梯級(jí)鑄件具有薄壁的特點(diǎn)，凝固順序?qū)﹁T件質(zhì)量影響不大。

圖15 3種方案凝固過(guò)程分析（凝固45%狀態(tài)）

通過(guò)以上3種澆注系統(tǒng)充填過(guò)程和凝固過(guò)程的模流分析，發(fā)現(xiàn)方案3為最優(yōu)方案。因此，選擇方案3作為梯級(jí)的澆注系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)方案。

2.3 排溢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在壓鑄過(guò)程中，鋁液通過(guò)內(nèi)澆口進(jìn)入型腔，其最后充填的部位是踏板的底部邊緣，易形成夾渣和氣孔。由于鑄件要求表面光滑平整，無(wú)冷隔，氣孔等,設(shè)計(jì)時(shí)，在踏板的底部邊緣分型面處布置尺寸為270 mm×20 mm×15 mm溢流槽2個(gè)，460 mm×20 mm×15 mm溢流槽1個(gè)，以充分排氣和溢料，見圖16。根據(jù)模流分析結(jié)果，在踏板的兩側(cè)邊，合理布置尺寸為80 mm×50 mm×10 mm溢流槽各2個(gè)。在兩邊支架處，合理布置尺寸為60 mm×40 mm×12 mm、30 mm×30 mm×12 mm和90 mm×15 mm×3 mm溢流槽各1個(gè)，溢流口厚度設(shè)計(jì)為1.5 mm。溢流槽后面開設(shè)排氣槽，排氣槽深度設(shè)計(jì)為0.18 mm，排氣槽形狀為“Z”字形，防止鋁液從排氣槽直接噴射出來(lái)。

圖16 梯級(jí)溢流系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3、產(chǎn)品試制

大型復(fù)雜壓鑄模具的制造難度大，1000型梯級(jí)壓鑄模梯級(jí)尺寸大，長(zhǎng)度方向有1 009 mm，模芯采用鑲拼結(jié)構(gòu)，分段加工好后再進(jìn)行組裝。根據(jù)梯級(jí)結(jié)構(gòu)，動(dòng)、定模芯各采用8塊鑲件組成。為了提高梯級(jí)表面光滑平整，減少壓鑄飛邊，需提高鑲件的加工精度和裝配精度，鑲件采用五軸加工中心加工，產(chǎn)品加工精度達(dá)到0.003～0.005 mm，保證鑲件加工精度的穩(wěn)定性，?？虿捎谜w式，提高模架的整體剛性。梯級(jí)選用30 000 kN壓鑄機(jī)，模具溫度為200±10℃，低速壓射速度為0.2 m/s，高速壓射速度為4.0 m/s，增壓階段的鑄造壓力為80 MPa。梯級(jí)鑄件見圖17，通過(guò)對(duì)鑄件的質(zhì)量檢驗(yàn)，鑄件質(zhì)量達(dá)到自動(dòng)扶梯的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖17 1000型梯級(jí)壓鑄件

4、結(jié)論

（1）針對(duì)不同的梯級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元分析，對(duì)梯級(jí)的最大變形和最大應(yīng)力進(jìn)行分析，優(yōu)化了梯級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了梯級(jí)輕量化設(shè)計(jì)，降低了梯級(jí)成本。
（2）通過(guò)充填過(guò)程和凝固過(guò)程數(shù)值模擬分析，優(yōu)化了澆注系統(tǒng)，解決了梯級(jí)易產(chǎn)生氣孔、冷隔等鑄造缺陷。
（3）通過(guò)試模，優(yōu)化壓鑄工藝參數(shù)，鑄件的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品順利實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

作者

柯春松 莊艦 劉紅娟
寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院
唐杰
愛柯迪股份有限公司

本文來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志