摘要：針對某離合器殼體鋁合金的壓鑄成形，應用數值模擬方法，了解鋁合金液體流動充型狀態與鑄件缺陷的分布，優化了鑄件的澆注系統與排氣系統，大大降低了模具的開發周期。同時在試模與試生產階段，從澆注、工藝、模具等方面分析了不同缺陷產生的原因，并提出了改善措施。結果表明，合理的澆注、排氣系統與合理的冷卻是獲得高品質壓鑄件的關鍵。

鋁合金因其質量輕、強度高、耐腐蝕的特點，在汽車，航空航天，交通等領域得到廣泛應用。鋁合金通過強化合金元素 ,其強度大大提高 ,由于質輕、散熱性好等特點 ,完全滿足了離合器殼體、變速箱殼體、側蓋在惡劣環境下工作的要求。由于鋁合金密度低 ,強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設計具有一定的難度。

1、鑄件的結構及開發技術要點

開發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，壓鑄件質量為11.21 kg，平均壁厚為5 mm，投影面積為 201 910mm2,鑄件材質為ADC12 合金；該鑄件有多處的厚壁熱節部位，易造成縮孔；產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，軸承孔機加工后不允許有氣孔外露，并且產品要求氣密性試驗，有非常嚴格的氣密性要求。

圖1：離合器殼體壓鑄零件

圖2：各油道位置圖

根據要求，生產該產品有一定的困難，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，所以設計時在兩處油道交匯處（圖2所標記處）加入外部擠壓，以防止縮松、縮孔出現；同時該產品有較多的螺紋孔、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，從而減少產品氣孔。該零件在27000 kN壓鑄機上生產，配有實時壓射控制系統。

為了縮短開發的周期，使用壓鑄模擬軟件進行分析，結合實際生產經驗，采取兩種不同的進澆方式。一種是從底部與側邊油道兩邊進料，見圖3；另一種是直接從底部進料，見圖4。

對兩種進料方式進行模擬分析，見圖4和圖5。從模擬效果看，本澆注系統能夠實現鋁料的平穩充填，卷氣主要集中在渣包和局部死角位。由于產品結構復雜，局部壁厚不均勻和狹小位置較多，所以呈現出不等速的冷卻速度，據此設計出合理的冷卻系統。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種進料方式不便于自動化設備除去側邊澆道，且類似產品開模時側邊易變形甚至粘模，故本產品采用第2種進料方式。

2、壓鑄工藝的選擇

2.1 高速切換點

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

2.2 真空工藝選擇

型腔內氣體體積約為6.8 L，直徑為160 mm的料室內氣體體積為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處關閉。
為確定最佳的抽真空開始位置和結束位置（射頭行程），對3組參數進行試驗，見表1。

表1：真空參數選擇

試驗結果表明，第1組有較多冷隔、成形不良現象產生。主要是料槽口未封住就開始抽氣，導致料槽里空氣流通加快，表面鋁液氧化冷卻嚴重，鋁液流動性變差，導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抽氣，型腔內氣壓無變化。采用第2組參數，所生產的產品正常。第3組參數生產的產品水尾有較多氣孔。原因是真空閥入料，抽氣效果不好，導致氣孔差，說明理論的抽真空結束位置不適合，需要提前。所以，抽真空的最佳參數為：在180 mm處（射頭過料槽口）處開始抽真空，在490 mm處結束抽真空。

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。由于高真空生產時型腔負壓，隨著沖頭的推進，金屬液高度不斷升高而進入流道，在負壓作用下，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組合，對3組參數做了試驗見表2。

表2：壓鑄工藝參數選擇

采用第1組參數試生產后，發現產品成形良好，水尾有輕微冷隔，入料口有扣模現象，但不嚴重。X光檢測發現，水尾有明顯氣孔，見圖7。

圖7：水尾氣孔

采用第2組參數生產的產品，成形良好，入料口有扣模現象，但不嚴重，X光檢測發現，氣孔較少。

圖8：第2組參數試制結果

采用第3組參數生產的產品，表面呈現麻面、冷隔、夾層等不良。

圖9：第3組參數結果

經過試驗，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、壓鑄生產中的問題

在試模與小批量試生產過程中出現的問題：①去除產品內澆口容易崩入；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電機孔里兩油道間縮孔導致串漏。

圖10：產品缺陷

4、缺陷的原因分析及對策

4.1 產品水口容易崩入成因分析與對策

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

圖11：內澆口和產品連接處增加防崩凸臺

按照上述措施把內澆口和產品連接處增加防崩凸臺后，在后續去除澆道時，從未發生澆口崩入的現象。

4.2 吊裝孔底部縮孔，加工后外露

圖12為吊裝后縮孔。可以看出，吊裝孔的孔深大，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律性，產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，吊裝孔內加工后無縮孔外露情況發生。

4.3 油道交匯處擠壓銷底部縮松

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

圖13：下抽芯擠壓銷

因為主要是生產過程中此處溫度不穩定導致與擠壓參數不合適，因此需加強生產過程中此處溫度監控。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運水的開度情況以及鋁料溫度數據，并記錄對應的擠壓參數。當此處溫度出現較大變化時，需檢查模具運水及鋁料溫度，若不能快速檢查出問題所在，需適當調整擠壓參數。措施實施后,擠壓銷底部內部質量穩定。

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、粘鋁現象，嚴重時還會破壞關鍵地方的致密層，導致漏氣，影響產品的力學性能，必須加以控制。燒傷、粘鋁是模具局部溫度過高引起的，所以加強燒傷位置冷卻是關鍵。

圖14：減料位和角位燒傷

第一，優化燒傷位置的噴涂，保證噴涂噴到位，一些噴霧機噴不到的死角位增加內噴涂；第二，優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，燒傷、粘鋁等缺陷得到有效控制。

4.5 電機孔油道間縮孔原因分析與對策

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

圖15：電機孔兩油道

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構的高壓點冷針，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，發生故障難處理導致生產效率低等問題。后者改成快換結構的高壓點冷針，雖然針的強度會有所降低，即便生產過程中斷裂，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。這樣做在加強冷卻的同時減少加工余量，還可以使兩針熱節位錯開。高壓點冷針加長后，此處內部質量良好，此處兩油道間無出現串漏現象，效果明顯。

圖16：加長高壓點冷針后X光

5、結束語

數值模擬能為鋁合金壓鑄件的質量控制及缺陷改善提供良好的參考依據；合理的高速切換點選擇對鑄件良好內部質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處的縮孔缺陷，表面處理技術的運用和合理的冷卻設計為獲得高質量的鑄件提供了可靠的保障；合理修改鑄件結構、減少加工余量對壓鑄品質提升都有積極意義。

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