原標(biāo)題：電動(dòng)滑板車前叉的低含氣量壓鑄工藝研究與實(shí)踐

摘要

基于壓鑄CAE云計(jì)算平臺(tái)智鑄超云，對(duì)電動(dòng)滑板車前叉鑄件的壓鑄工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)及優(yōu)化，分析了不同壓射工藝對(duì)壓鑄件質(zhì)量的影響，同時(shí)進(jìn)行了實(shí)際鑄件生產(chǎn)的壓射工藝試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果基本一致，采用優(yōu)化后的壓射工藝設(shè)計(jì)獲得了外形輪廓清晰、表面光滑、尺寸精度高、無缺陷的前叉壓鑄件，實(shí)現(xiàn)了壓鑄件的T6處理，從而進(jìn)一步提高了其力學(xué)性能。經(jīng)上機(jī)實(shí)測(cè)，鑄件達(dá)到了電動(dòng)滑板車產(chǎn)品的前叉零件技術(shù)要求，可實(shí)現(xiàn)“以鑄代鍛”。

壓鑄生產(chǎn)具有生產(chǎn)率高、尺寸精度高、成本低和近凈成形等優(yōu)點(diǎn)，在交通工具、電子通信、儀器儀表、計(jì)算機(jī)和電器等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)壓鑄技術(shù)具有高壓高速的特點(diǎn)，大多以噴射、紊流形式充填型腔，導(dǎo)致普通壓鑄件通常內(nèi)部都存在卷氣、氧化夾渣和縮松等缺陷。不但降低了壓鑄件的力學(xué)性能和氣密性，而且不能進(jìn)行較多余量的機(jī)械加工、焊接和熱處理，從而限制了壓鑄件的應(yīng)用范圍。

電動(dòng)滑板車比傳統(tǒng)電動(dòng)自行車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、車輪小、輕巧簡(jiǎn)便，能節(jié)省大量社會(huì)資源。是現(xiàn)代人用來作為代步工具、休閑娛樂的一種新型的綠色環(huán)保的產(chǎn)物。前叉部件在電動(dòng)車結(jié)構(gòu)中處于前方部位，它的上端與車把部件相連接，車架部件與前管配合，下端與前軸部件配合，組成電動(dòng)車的導(dǎo)向系統(tǒng)。由于位置的特殊性，因此對(duì)前叉零件的質(zhì)量要求比較高，特別是其強(qiáng)度。目前主要采用金屬型重力鑄造或鍛造方法，重力鑄造電動(dòng)車前叉零件致密性和強(qiáng)度不高，生產(chǎn)效率較低，而采用鍛件性能好，但是機(jī)械加工量大，成本高。結(jié)構(gòu)件的壓鑄生產(chǎn)多采用半固態(tài)或真空壓鑄，這都會(huì)為壓鑄生產(chǎn)過程增加工序，工藝更加復(fù)雜，生產(chǎn)成本增加。為此，本文通過采用低含氣量壓鑄工藝為某高端電動(dòng)滑板車生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)前叉壓鑄件，基于智鑄超云壓鑄CAE云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行壓鑄工藝的模擬仿真，通過模擬分析可預(yù)測(cè)卷氣、縮松、縮孔等缺陷，并進(jìn)行工藝的優(yōu)化，從而可有效避免壓鑄缺陷的產(chǎn)生，縮短開發(fā)周期，提高鑄件品質(zhì)，降低成本，為該類鑄件的壓鑄生產(chǎn)提供參考。

1 壓鑄件分析及工藝設(shè)計(jì)

1.1　前叉壓鑄件分析

該鑄件是某公司生產(chǎn)的電動(dòng)滑板車前叉三維實(shí)體，如圖1所示。最大外形尺寸為197 mm×103 mm×76 mm，毛坯重520 g，其結(jié)構(gòu)適中，但壁厚不均，薄壁處約為4.5 mm，厚壁部位超過12 mm，平均壁厚約為7 mm。壓鑄件要求沒有氣孔，能進(jìn)行T6處理，需通過滾筒測(cè)試疲勞沖擊20萬次，要求不會(huì)產(chǎn)生裂紋、變形和斷裂。合金材料選擇A380，化學(xué)成分如表1所示。

圖1 前叉部件三維圖

表1 A380鋁合金化學(xué)成分 wB/%

1.2 壓鑄工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，內(nèi)澆道設(shè)置在圓柱孔一側(cè)，為減輕金屬液高速充型產(chǎn)生紊流及沖擊型芯，且又要保證讓金屬液盡可能均勻地流經(jīng)內(nèi)澆道的整個(gè)厚度，故內(nèi)澆道采用環(huán)形進(jìn)澆方式。同時(shí)，為了避免在澆口位置產(chǎn)生噴射，將內(nèi)澆道的厚度設(shè)置為與產(chǎn)品澆口位置壁厚相等，澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖2所示。產(chǎn)品最大的投影面積為79 c㎡，澆注系統(tǒng)的投影面積約為81 c㎡，產(chǎn)品為結(jié)構(gòu)件，有強(qiáng)度要求，所以需選擇較高的壓實(shí)壓力，因此選擇250 t壓鑄機(jī)。

圖2 前叉壓鑄工藝圖

2 壓鑄工藝的數(shù)值模擬

采用壓鑄模擬仿真云計(jì)算平臺(tái)（智鑄超云）對(duì)前叉的壓鑄工藝進(jìn)行模擬分析。澆注溫度為660 ℃，模具工作溫度設(shè)置為200 ℃左右，最大低速壓射速度為0.57 m/s，低速采用勻加速壓射工藝，高速壓射速度為4 m/s。分別模擬了三種不同起高速位置對(duì)充填過程的影響。高速位置如圖3所示。高速位置1設(shè)置在內(nèi)澆道，高速位置2往前移到了前叉鑄件圓柱孔末端，高速位置3則進(jìn)一步將起高速位置前移到了鑄件的分叉部位。高速位置1的充填過程模擬結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，由于在低速壓射階段采用了勻加速壓射技術(shù)，所以鋁液在壓室中運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)翻滾或回流現(xiàn)象，從而避免了將壓室氣體卷入鋁液中，最終帶入鑄件，如圖4a、b、c和d所示。在內(nèi)澆道位置起高速后，鋁液進(jìn)入型腔時(shí)流動(dòng)平穩(wěn)，由于采用了等壁厚的澆口，沒有出現(xiàn)噴射現(xiàn)象，如圖4e所示。但是，在鋁液到達(dá)前叉鑄件圓柱孔末端位置時(shí)，由于型腔空間增大，從而產(chǎn)生一定噴射現(xiàn)象，合金液在此處產(chǎn)生紊流，如圖4f所示。當(dāng)鋁液完成此部位填充后，后續(xù)的充填過程都比較平穩(wěn)，如圖4g和h所示。從圖5a所示的高速位置1充填過程卷氣壓力分布也可以看出，在前叉鑄件圓柱孔末端附近卷氣壓力較大，容易產(chǎn)生氣孔和夾渣等缺陷。

圖3 起高速位置示意圖

圖4 高速位置1充填過程模擬結(jié)果

為了消除前叉鑄件圓柱孔末端位置的卷氣，考慮將起高速位置往前移，如圖3b和c所示。高速位置往前移后的充型過程卷氣壓力分布的模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 充填過程卷氣壓力分布圖

從圖中可以看出，當(dāng)起高速前移到位置2時(shí)，在前叉鑄件圓柱孔末端位置的卷氣壓力有所改善，但是還沒有完全消除，如圖5b所示；當(dāng)起高速前移到位置3時(shí)，在前叉鑄件圓柱孔末端位置的卷氣壓力基本消除，如圖5b所示。從圖6所示高速位置3充填過程的溫度分布圖可以看出，合金液進(jìn)入型腔后，流動(dòng)平穩(wěn)，由于高速位置前移到了零件型腔中，避免了在鑄件圓柱孔末端位置產(chǎn)生大的噴射流，從而可消除該處的卷氣現(xiàn)象。

圖6 高速位置3充填過程模擬結(jié)果

另外，高速位置前移會(huì)延長(zhǎng)充型的時(shí)間，增加形成冷隔、澆不足等缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。但是，從其溫度分布圖可以看到，最后充填完型腔后合金液還具有較高的溫度，基本上都在620 ℃，高于A380鋁合金的液相線溫度（599 ℃），低溫的合金液基本上都留在了料筒中，沒有進(jìn)入型腔。

3 生產(chǎn)實(shí)踐

為了進(jìn)行驗(yàn)證模擬優(yōu)化方案的可行性，采用該壓鑄工藝開發(fā)了壓鑄模具進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，具體壓射工藝為：鋁熔體出爐溫度為660 ℃，低速壓射采用勻加速壓射工藝，其最高臨界速度為0.57 m/s，高速速度為4 m/s，模具溫度控制在200 ℃左右。分別采用高速位置2和3進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，都獲得了外形輪廓清晰、表面光滑、尺寸精度高的前叉壓鑄件，前叉壓鑄件的實(shí)物圖如圖7所示。通過對(duì)鑄件整體的X光透射探傷發(fā)現(xiàn)，采用高速位置2進(jìn)行生產(chǎn)的前叉壓鑄件在靠近圓柱孔末端位置存在較多的孔洞，如圖8a所示。采用阿基米德法獲得鑄件的密度為2.718 g/cm³，孔隙率為8.09‰。而采用高速位置3所生產(chǎn)的鑄件內(nèi)部沒有發(fā)現(xiàn)孔洞，如圖8b所示，將鑄件從中間剖開后也沒有發(fā)現(xiàn)縮松、縮孔、氣孔和氧化夾雜等缺陷，剖切面沒有發(fā)現(xiàn)孔洞，組織致密，如圖7b所示。鑄件的密度達(dá)到2.739 g/cm³，孔隙率僅為0.39‰。由此可見，壓鑄件的孔隙率遠(yuǎn)小于2%的壓鑄件標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也說明壓鑄件的含氣量很低。

圖7 前叉壓鑄件

圖8 前叉壓鑄件X射線探傷圖

另外將高速位置3所生產(chǎn)的鑄件進(jìn)行525 ℃+4 h固溶處理和170 ℃+2 h時(shí)效處理，其表面沒有發(fā)現(xiàn)鼓泡現(xiàn)象。通過在前叉鑄件本體取樣進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，鑄態(tài)的抗拉強(qiáng)度260 MPa，屈服強(qiáng)度169 MPa，伸長(zhǎng)率為2.2%，T6處理后強(qiáng)度和韌性都得到了較大的提升，即抗拉強(qiáng)度提高到342 MPa，屈服強(qiáng)度為222 MPa，伸長(zhǎng)率為3.6%。鑄件的組織如圖9所示，從圖中可以看出，鑄態(tài)組織中α-Al相呈顆粒狀或近球狀，經(jīng)過T6處理后，硅相呈顆粒狀或短棒狀，同時(shí)有Al2Cu和Mg2Si等顆粒增強(qiáng)相析出，在組織分布也較為均勻，從而使得鑄件性能得到進(jìn)一步的強(qiáng)化。最后前叉壓鑄件經(jīng)實(shí)際裝車經(jīng)20萬次疲勞沖擊強(qiáng)度測(cè)試沒有斷裂或變形，符合電動(dòng)滑板車產(chǎn)品的前叉零件技術(shù)要求。此件由2021年至2023年生產(chǎn)，已生產(chǎn)近4萬臺(tái)套。最后一批交貨的鑄件經(jīng)超115萬次負(fù)載疲勞實(shí)驗(yàn)（圖10），鑄件仍未發(fā)生斷裂，遠(yuǎn)超前叉零件技術(shù)要求。

圖9 壓鑄件顯微組織

圖10 前叉裝配負(fù)載疲勞測(cè)試報(bào)告

4 結(jié)論

（1）基于智鑄超云—壓鑄CAE云計(jì)算平臺(tái)，對(duì)不同壓射工藝方案進(jìn)行壓射過程的模擬分析，結(jié)果表明，采用高速位置3進(jìn)行壓射時(shí)，合金液進(jìn)入型腔后，流動(dòng)平穩(wěn)，由于高速位置前移到了零件型腔中，避免了在鑄件圓柱孔末端位置產(chǎn)生大的噴射流，從而可消除該處的卷氣現(xiàn)象。

（2）壓鑄生產(chǎn)工藝為鋁液澆注溫度為660 ℃，低速壓射采用勻加速壓射工藝，其最高臨界速度為0.57 m/s，高速速度為4 m/s，模具溫度控制在200 ℃左右，起高速在高速位置3，獲得了外形輪廓清晰、表面光滑、尺寸精度高、無缺陷的前叉壓鑄件。

（3）前叉壓鑄件鑄態(tài)的抗拉強(qiáng)度260 MPa，屈服強(qiáng)度169 MPa，伸長(zhǎng)率為2.2%；T6處理后抗拉強(qiáng)度提高到342 MPa，屈服強(qiáng)度為222 MPa，伸長(zhǎng)率為3.6%，滿足了電動(dòng)滑板車產(chǎn)品的前叉零件技術(shù)要求。

（4）前叉壓鑄件的密度達(dá)到2.739 g/cm³，孔隙率為0.39‰，壓鑄件的孔隙率遠(yuǎn)小于2%的壓鑄件標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也說明壓鑄件的含氣量很低，實(shí)現(xiàn)了壓鑄件的低含氣量成形。

作者：
龔杰 龍文元
南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院
謝隆保 龔杰
廈門格耐爾科技有限公司

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