原標(biāo)題：壓鑄水泵殼體的工藝開發(fā)

鋁合金因其密度低、強度高、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，水泵殼體作為汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的核心部件，其幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，殼體壁內(nèi)帶循環(huán)水道，要求有良好的力學(xué)性能和氣密性，考慮其工作環(huán)境，水泵殼體需要具有耐高溫、高壓性能。鋁合金具有散熱性好、強度高等特點能完全滿足水泵殼體工作環(huán)境的要求。水泵殼體由于其結(jié)構(gòu)特殊等原因，同類型產(chǎn)品在鋁合金壓鑄生產(chǎn)中易產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷，導(dǎo)致其在一定壓力的工作條件下時，泄漏風(fēng)險提高，由此給壓鑄工藝設(shè)計及其缺陷改善帶來挑戰(zhàn)性。針對此問題，本研究提出相關(guān)措施并進(jìn)行分析，旨在為相關(guān)生產(chǎn)提供參考。

圖文結(jié)果

零件為水泵殼體，三維結(jié)構(gòu)見圖1。該零件輪廓尺寸為162 mm×141.5 mm×167.5 mm，質(zhì)量為1.38 kg，鑄件材質(zhì)為ADC12合金，平均壁厚為3 mm，產(chǎn)品面及分型面要求不能有毛刺、飛邊缺陷，所有外形尺寸需要符合圖紙及裝配需求。產(chǎn)品對泄漏有嚴(yán)格的技術(shù)要求：油道在0.2 MPa氣壓下無泄漏，水道在0.2 MPa氣壓下無泄漏，所以油道及水道內(nèi)腔不能出現(xiàn)縮松、氣孔等內(nèi)部質(zhì)量缺陷。

圖1 水泵殼體三維示意圖

主流道考慮鋁液填充行程長短影響，盡量保證鋁液從壁厚處流向壁薄處，同時考慮到金屬液補縮通道不會過早堵塞，設(shè)計時適當(dāng)加大了主流道的寬度、厚度。由于主流道填沖流向與銷釘柱孔的填充方向接近垂直，造成銷釘柱成為填充困難的地方，需要對填充困難位置設(shè)置澆口，利于完全填充，故增設(shè)正對銷釘柱的側(cè)澆道。由于主流道和側(cè)澆道的料流填充，導(dǎo)致兩者包圍的中間柱臺成為最后填充的位置，考慮到柱臺由于最后填充而容易造成的冷隔及氣孔缺陷對產(chǎn)品質(zhì)量影響大，故而在兩流道中間再設(shè)置一個小支流道，以改善柱臺出現(xiàn)末端填充而影響產(chǎn)品質(zhì)量的情況。根據(jù)以上分析，預(yù)設(shè)澆排系統(tǒng)設(shè)計見圖2。

該零件為中小型零件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用1模1腔的澆注形式，根據(jù)產(chǎn)品分型結(jié)果，模具主體結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖3，除正常動定模分型外，還需要兩個抽芯滑塊以及一根抽芯針，以保證產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)的正常成形。模具抽芯動作需要注意，左抽芯2與斜抽芯1有順序關(guān)系：模具開模后要先打出斜抽芯針1后，才能夠打左抽芯2；合模前先打入左抽芯2再打入斜抽芯針1。

圖2 預(yù)設(shè)澆排系統(tǒng)

圖3 模具主體結(jié)構(gòu)
1.斜抽芯針 2.左抽芯 3.定模型芯
4.右抽芯 5.動模型芯

使用Magma軟件對預(yù)設(shè)零件澆排系統(tǒng)進(jìn)行高壓鑄造仿真模擬，并對結(jié)果進(jìn)行分析。鋁液充型過程見圖4。可以看出，鋁液充型過程平穩(wěn)，多個內(nèi)澆口金屬液在水道口有料流交匯，各流道層次分明，無明顯對沖、包卷等現(xiàn)象，中間銷釘柱由主流道填充，預(yù)設(shè)的對沖銷釘柱側(cè)澆道模流顯示雖未填充銷釘柱位置，但對水尾的填充有非常明顯的效果，所以側(cè)澆道先保留。

圖5為充型鋁液溫度場。可以看出，鋁液溫度為650 ℃，處于ADC12液相線溫度580 ℃以上，整體溫度均勻，在合理范圍之內(nèi)。

圖6為填充氣壓仿真結(jié)果?？梢钥闯?，大部分氣體主要分布在渣包位置，產(chǎn)品主要問題點在中間銷釘柱臺位置，存在氣體包卷較嚴(yán)重的情況。

圖7為鋁液填充速度仿真結(jié)果示意圖。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，在內(nèi)澆口沖擊不出現(xiàn)粘模情況下，對于有孔隙率要求的鑄件，內(nèi)澆口速度一般控制在40~70 m/s。從速度分析可以看出，產(chǎn)品主流道內(nèi)澆口速度為65 m/s，在合理范圍之內(nèi)。

圖8為產(chǎn)品熱節(jié)仿真結(jié)果?？梢钥闯?，主流道對沖的產(chǎn)品油道位置熱節(jié)最大，該位置也是產(chǎn)品壁厚最大、產(chǎn)品凝固最慢的位置，縮孔風(fēng)險極大，應(yīng)在相應(yīng)位置增加冷卻保證鑄件的順序凝固。

圖4 鋁液填充示意圖

圖5 鋁液填充溫度場

圖6 氣壓分布

圖7 填充速度示意圖

圖8 產(chǎn)品熱節(jié)示意圖

根據(jù)設(shè)計的鑄件，產(chǎn)品投影面積為22 490 mm2，澆排投影面積為20 164 mm2，左滑塊的投影面積為10 135 mm2，右滑塊的投影面積為10 462 mm2；取安全系數(shù)1.25，壓射比壓為80 MPa，滑塊楔緊角為8°得到漲型力為456 kN，測量模具厚度為815 mm，根據(jù)已有機型，選擇8 000 kN壓鑄機來進(jìn)行生產(chǎn)。

以8 000 kN壓鑄機實際生產(chǎn)進(jìn)行驗證，理論計算高速位置為420 mm，選擇400、420和440 mm 3種高速切換位置進(jìn)行實際生產(chǎn)驗證，結(jié)果見圖9。以最終確認(rèn)的參數(shù)連續(xù)生產(chǎn)200件，并完成后續(xù)除毛刺、機加工工序后，得到生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表1（單個缺陷分別統(tǒng)計，存在一個產(chǎn)品多種缺陷的情況）。通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品報廢最主要的問題為：氣孔、縮孔和縮松。

圖9 不同高速位置生產(chǎn)殼體的缺陷

表1 加工后產(chǎn)品缺陷及占比

銷釘柱內(nèi)部氣孔加工易外漏，說明預(yù)設(shè)方案對銷釘孔氣孔實際改善效果不明顯。針對此問題，現(xiàn)制定以下方案進(jìn)行改善。

方案1，加強側(cè)澆道。由于側(cè)澆道正對銷釘柱填充方向，采用加強側(cè)澆道，增強對銷釘柱結(jié)構(gòu)的鋁液填充以改善其內(nèi)部質(zhì)量，側(cè)澆道寬度拉寬至原來的兩倍。更改前后的側(cè)澆道見圖10。側(cè)澆道加強后高速狀態(tài)連續(xù)生產(chǎn)10件，送試加工驗證，其中6件有不同程度的銷釘孔氣孔外漏，占比較高，氣孔外漏狀態(tài)見圖11。加強側(cè)澆道對銷釘孔氣孔改善效果不明顯，主要原因是側(cè)澆道路徑較長，鋁液在側(cè)澆道鋁液未完全填充銷釘柱時，又被主流道的料流從另一側(cè)的連接筋打回來形成包卷造成氣孔。加強側(cè)澆道對水尾氣孔有明顯改善，保留更改后的流道繼續(xù)驗證其他方案。

圖10 更改側(cè)澆道

圖11 加工后銷釘孔氣孔外漏

方案2，增加局部擠壓。在金屬液充型完成之后，經(jīng)過一定時間冷卻凝固，使金屬液在型腔中處于半固態(tài)時，在最后凝固的厚壁處通過擠壓銷施加壓力進(jìn)行強制補縮，使組織更致密，由此減少或消除該處的縮孔、氣孔缺陷。該銷釘柱對應(yīng)定模區(qū)域有足夠位置可以布置擠壓油缸，該銷釘柱的型芯針改為擠壓針。增加局部擠壓后，銷釘柱氣孔稍有改善，X光探傷結(jié)果見圖12?？梢娡に嚄l件下，兩件產(chǎn)品的銷釘柱外側(cè)位置仍有分散氣孔，氣孔狀態(tài)需要繼續(xù)改善。此外，擠壓銷使用過程不穩(wěn)定，容易造成柱臺粘模，即使增加擠壓針前端斜度及部分產(chǎn)品位置斜度，對柱臺粘模的改善效果不明顯。

圖12 增加搭橋后X光圖片

方案3，增加過料搭橋。一方面，針對擠壓銷使用過程中容易造成柱臺粘模的問題，粘模都在兩側(cè)筋條出現(xiàn)斷裂后導(dǎo)致，說明側(cè)邊兩處筋條已經(jīng)難以承受擠壓銷施加給銷釘柱的力，增加過料搭橋可以均衡擠壓銷的受力；另一方面，在主流道方向增加過料搭橋，鋁液能夠順著主流道方向?qū)χ虚g銷釘柱進(jìn)行更快地填充，保證銷釘柱內(nèi)部質(zhì)量，增加過料搭橋前后見圖13?？梢钥闯?，增加過料搭橋后，擠壓效果穩(wěn)定，通過對銷釘柱進(jìn)行X光探傷，結(jié)果見圖14，結(jié)果顯示銷釘柱無氣孔。

通過增加擠壓銷以及增加過料搭橋，兩種方案同時實施，連續(xù)生產(chǎn)15件送試加工驗證，銷釘柱孔加工出來全部合格，改善后加工狀態(tài)見圖15，銷釘柱氣孔得到完全解決。

圖13 增加過料搭橋

圖14 局部擠壓及增加過料搭橋后X光圖片

圖15 改善后銷釘孔加工后狀態(tài)

數(shù)值模擬分析時側(cè)澆道主要填充水尾部分，保留了側(cè)澆道，但之前開設(shè)的側(cè)澆道稍窄，對水尾位置填充的作用有限，后續(xù)在改善銷釘孔氣孔過程中，加強側(cè)澆道雖然對銷釘孔氣孔改善無效果，但是對水尾氣孔改善明顯，說明預(yù)留并加強側(cè)澆道對水尾氣孔的改善有明顯作用，X光檢測結(jié)果見圖16。水尾位置整體氣孔狀態(tài)對比圖9c有改善，但是鑄件中間位置還有一處較明顯的氣孔，見圖16b，針對該位置氣孔仍需要改善。

該位置在產(chǎn)品肉厚位置，考慮到該位置由于過熱導(dǎo)致的補縮不足，設(shè)計點冷針方案，X光顯示改善效果不明顯；該位置屬于填充末端位置，最終的冷料在該位置難以排出，在對應(yīng)分型位置增加渣包，見圖17。增加渣包后，X光探傷顯示該位置氣孔得到明顯改善。

圖16 加工后銷釘孔氣孔外漏

圖17 增加渣包改善結(jié)果

入料口位置產(chǎn)品油道，由于模具結(jié)構(gòu)限制，產(chǎn)品鑄件無法出針，為產(chǎn)品肉厚位置。該鑄件加工至成品的油道加工，相當(dāng)于在整體鋁塊中加工出?14 mm×26 mm的孔，加工鋁料多，加工后顯示縮孔非常嚴(yán)重。

方案1，使用3D打印隨形冷卻。油道位置改隨形冷卻前后見圖19。圖19a中右側(cè)異形鑲件由于位置小無法布置兩個點冷接頭，因此該異形鑲件右邊打一個點冷孔及鑲件中間打兩處通道與左側(cè)運水管相接，所打出的3個工藝孔用螺堵封住，接入運水后，異形鑲件右側(cè)點冷孔里運水難以流動，同時調(diào)整運水時間等措施效果不明顯。右側(cè)異形鑲件由原點冷及開設(shè)的串通點冷孔改為隨形冷卻，接入運水后冷卻水在鑲件內(nèi)部流動，更容易帶走熱量，冷卻效果提高，見圖19b。

鑲件改隨形冷卻后，生產(chǎn)驗證15件，對產(chǎn)品油道加工，改隨形冷卻后油道加工狀態(tài)見圖20。對比圖18，縮孔明顯減小，但是仍然存在，說明3D打印隨形冷卻鑲件減少了產(chǎn)品因凝固導(dǎo)致的縮松，需要繼續(xù)改善。

圖18 油道位置縮孔

圖19 油道位置隨形冷卻

圖20 油道縮孔減少后狀態(tài)

方案2，減薄油道對沖位置的內(nèi)澆口。為了讓油道位置能夠更快冷卻，需要減少對油道位置持續(xù)供給熱量的通道，采用減薄油道對沖位置的內(nèi)澆口方案，內(nèi)澆口主要減薄對沖油道位置的厚度，占主流道整體內(nèi)澆口的一半，減薄內(nèi)澆口前后示意圖見圖21。通過內(nèi)澆口改薄，同時使用3D打印鑲件隨形冷卻，高速連續(xù)生產(chǎn)50件，全部加工驗證，油道縮孔得到較好改善，改善后加工狀態(tài)見圖22。

圖21 減薄內(nèi)澆口示意圖

圖22 改善后加工圖

結(jié)論

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)，縮短了開發(fā)時間；合理的速度切換點選擇是保證鑄件良好內(nèi)部質(zhì)量和表面成形的重要依據(jù)。調(diào)整工藝參數(shù)不能影響產(chǎn)品質(zhì)量時，要從鑄件結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)多方面考慮缺陷原因。

《壓鑄水泵殼體的工藝開發(fā)》
羅宇輝 廖建強 梁正濤 管維健
廣東鴻圖武漢壓鑄有限公司

本文轉(zhuǎn)載自《特種鑄造及有色合金》