原標(biāo)題:鋁合金變速箱外殼壓鑄模設(shè)計(jì)及工藝分析

摘 要:針對鋁合金鑄件在壓鑄充填過程中常伴有氣孔、縮孔、冷隔等缺陷的現(xiàn)象，以汽車鋁合金變速箱外殼為例，分析變速箱外殼的結(jié)構(gòu)特征，對其澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、抽芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定最佳工藝參數(shù)，經(jīng)過試驗(yàn)與分析，最終經(jīng)過實(shí)際壓鑄生產(chǎn)驗(yàn)證，確定了工藝方案的合理性。結(jié)果表明：當(dāng)定模溫度為200 ℃、動模為220 ℃、鋁液澆注溫度為670 ℃、慢壓射速度為0.18 m/s、快壓射速度為4.5 m/s、內(nèi)澆道的壓射速度為48 m/s、留模時間為30 s時，鑄件成形品質(zhì)較好。合理壓鑄工藝設(shè)計(jì)不僅能提高生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品的合格率，還能簡化模具設(shè)計(jì)制造流程，減少模具開發(fā)成本。

前 言：鋁合金具有密度小、強(qiáng)度較高、耐腐蝕、耐磨、導(dǎo)熱性能好、易于加工、外形美觀等方面的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、航空、機(jī)械、通訊等領(lǐng)域。鋁合金的成形方法，主要包括壓力鑄造、砂型鑄造、擠壓鑄造等。目前49%的鋁合金產(chǎn)品都是通過壓鑄成形的。壓鑄鋁合金使用范圍非常廣泛，約占壓鑄件總產(chǎn)量的75%以上。壓鑄成形具有產(chǎn)品質(zhì)量好、尺寸精度高、適合大批量生產(chǎn)等多方面的優(yōu)勢。在生產(chǎn)過程中，由于鋁合金鑄件伴隨著熱脹冷縮的物理變化，不可避免地會產(chǎn)生氣孔、縮孔、冷隔、裂紋等缺陷，極大影響了鋁合金鑄件的生產(chǎn)合格率。隨著汽車領(lǐng)域?qū)︿X合金鑄件產(chǎn)品的要求越來越嚴(yán)苛，需要鑄造行業(yè)不斷優(yōu)化壓鑄工藝來滿足產(chǎn)品性能的需求。

1、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

某新研發(fā)的汽車鋁合金變速箱外殼如圖1所示，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，表面遍布輸油管、加強(qiáng)筋、安裝孔等凹凸結(jié)構(gòu)，因此模具具有側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)。變速箱外殼壁厚分析如圖2所示。產(chǎn)品材料為AlSi9Cu3，收縮率0.6%；最大外形尺寸456 mm×381 mm×275 mm；重量9.9 kg；平均壁厚4 mm；有較多的油道孔，所以致密度要求較高，孔隙率要求高，測漏要求嚴(yán)，交樣要求為孔隙率不高于5%，氣孔不大于3 mm。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

圖2 產(chǎn)品壁厚分析圖

2、模具設(shè)計(jì)

2.1?分型面的確立

壓鑄模中，分型面的選擇一般需保證開模后鑄件留在動模側(cè)，方便頂出，并設(shè)置在壓鑄件外形尺寸輪廓的最大斷面處。由于該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)無法直接成形，且與動定模開模方向不一致的部位，這時候需要借助滑塊來成形。且產(chǎn)品需設(shè)置一定的脫模斜度，以便于后期的開模。上、下、右滑塊以及動定模的分型面如圖3所示。其中圖3a是下滑塊的分型線，圖3b為右滑塊的分型線，圖3c為上滑塊的分型線，圖3d為動定模的分型線。確定合適的分型面是模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

圖3 分型面圖

2.2?澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2.1 內(nèi)澆道的設(shè)計(jì)

內(nèi)澆道是壓鑄工藝方案中最重要的一個要素，直接決定產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過程。它設(shè)置在重要或流動不好的產(chǎn)品部位，盡可能保證型腔內(nèi)部流動形態(tài)一致和平穩(wěn)。計(jì)算公式見式（1）。
                                An =G/ρvgt （1）
式中：An 為內(nèi)澆道截面積，㎡ ；G為通過內(nèi)澆道金屬液的質(zhì)量，這里取10.9 kg；ρ 為金屬液密度，取2.7×103 kg/m³ ；vg 為內(nèi)澆道處金屬液的速度，查表取40 m/s；t為充填時間，查表取0.07 s。由式（1）計(jì)算An 為1 441 m㎡ 。

2.2.2 橫澆道與排溢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

橫澆道用以連接直澆道和內(nèi)澆道，且橫澆道的截面積的設(shè)計(jì)應(yīng)能使直澆道到內(nèi)澆道越來越小，這樣既有助于保證鋁液充填時具有一定的壓力，又能防止在澆注過程中出現(xiàn)渦流。排溢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是確保鑄件品質(zhì)的重要部分，其作用都是排出金屬液前端的氣體、冷料、夾雜物及金屬匯流處的液體，以消除壓鑄件的缺陷。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征決定了橫澆道的排布方式，一般根據(jù)模流分析的結(jié)果確定渣包位置的排布。排氣槽的功能對壓鑄件內(nèi)部氣孔有非常大的影響，理想狀態(tài)是排氣槽的截面積達(dá)到內(nèi)澆道截面積的50%以上。排氣槽一般與溢流槽配對采用，排氣槽的日常維護(hù)及清理是確保正常生產(chǎn)所必須的。

2.3?冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

壓鑄模具中，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有利于控制模具的溫度，使其內(nèi)部的熱量達(dá)到一個動態(tài)平衡的狀態(tài)，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量。圖4為動定模冷卻水路圖。圖5為含冷卻系統(tǒng)的產(chǎn)品澆注系統(tǒng)三維模型，冷卻系統(tǒng)包含水路以及一些針對某些特定位置設(shè)計(jì)的高壓點(diǎn)冷機(jī)構(gòu)，高壓點(diǎn)冷設(shè)置在凝固時間較長的區(qū)域，單獨(dú)給該位置降溫。

圖4 動定模冷卻水路圖

圖5 含冷卻系統(tǒng)的產(chǎn)品澆注系統(tǒng)圖

2.4?抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于與分模方向不一致的側(cè)孔、側(cè)凹不易直接成形區(qū)域，一般采用抽芯結(jié)構(gòu)。壓鑄過程中，對于該變速箱外殼而言，開模順序?yàn)閯佣７珠_后，先抽芯后頂出。如圖6所示，對于圖中標(biāo)方框的兩個側(cè)孔，由于其方向與開模方向不一致，具有一定的起模角度，因此這兩個位置均采用液壓油缸抽芯結(jié)構(gòu)成形。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征，將這兩個液壓油缸抽芯結(jié)構(gòu)設(shè)置在動模上。圖7為該產(chǎn)品的壓鑄模具圖。

圖6 鑄件外觀結(jié)構(gòu)圖

1.鎖模柱 2.底板 3.固定塊 4.頂針 5.動模框 6.動模芯 7.定模芯 8.集水器 9.油缸支架 10.油缸 11.活動鑲塊 12.冷卻水管 13.定模框 14.熔杯

圖7 壓鑄模具平面布置圖

3、壓鑄機(jī)及工藝參數(shù)的選擇

3.1?壓鑄機(jī)的選型

壓鑄機(jī)選擇取決于壓射能量、壓室容量、鎖模力和模具安裝尺寸等。鎖模力，即用來克服壓鑄生產(chǎn)時的脹型力，從而鎖緊模具的分型面，以達(dá)到防止鋁液飛濺的目的。通常情況下，模具的鎖模力應(yīng)大于理論計(jì)算得出的脹型力。否則，模具無法鎖緊，型腔中的壓力無法保證，且鋁液在填充過程中容易從分型面溢出，產(chǎn)生飛邊等缺陷，嚴(yán)重影響著鑄件的尺寸精度。脹型力公式可用下式表示：

（1）模具無偏心時的脹型力：
                                  P=pA （2）

（2）有抽芯機(jī)構(gòu)時，楔緊塊的斜面所受的法向作用力：
                       P=p1A1 tan α （3）

式（2）、式（3）中：P為模具分型面上的脹型力，N；p為壓射比壓MPa；A為鑄件、澆注系統(tǒng)、溢流槽在分型面上的投影之和；P1 為楔緊塊斜向的法向分力，kN；A1 側(cè)向活動型芯成形部分投影面積，㎡；α 為楔緊塊傾斜角。

（3）鎖模力的計(jì)算：
                                   T=KF總 （4）

式中：K為安全系數(shù)，這里取1.2。查鋁合金壓射比壓推薦值，對于耐氣密性件，壓射比壓的推薦值80～120 MPa，這里取90 MPa，滑塊的傾斜角為10°。經(jīng)計(jì)算，所需要的鎖模力要不低于31 161.6 kN。根據(jù)鎖模力的計(jì)算結(jié)果以及安裝尺寸、開模行程等校核，使用3200T或以上壓鑄機(jī)，最終選擇壓鑄機(jī)型號為：布勒3200T。另該壓鑄機(jī)壓室容量和安裝尺寸等參數(shù)也均滿足要求。

3.2?壓鑄工藝參數(shù)選擇

壓鑄工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)為流動、凝固及成形理論。選擇合理的壓鑄工藝參數(shù)，進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)試運(yùn)行。壓室直徑確定為140 mm，探究最佳模具的預(yù)熱溫度、澆注溫度、沖頭速度的壓鑄工藝參數(shù)。將模具預(yù)熱溫度設(shè)置為140、160、180、200和220 ℃，澆注溫度設(shè)置為650、670、680、690和700 ℃，壓射速度設(shè)置為0.1、2.5、3.5、4.0和4.5 m/s。依次進(jìn)行多次正交試驗(yàn)，分析比較得出最佳工藝參數(shù)。

3.2.1 模具預(yù)熱溫度

模具的預(yù)熱溫度對于產(chǎn)品的品質(zhì)具有重要影響，一般模具預(yù)熱溫度在180 ℃以上，且為澆注溫度的1/3左右，薄壁或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品可適當(dāng)調(diào)高，此時，鑄件品質(zhì)較好。若模具預(yù)熱溫度設(shè)置過低，鑄件由于收縮應(yīng)力變大，易產(chǎn)生裂紋；模具預(yù)熱溫度過高，預(yù)熱時間增加，延長生產(chǎn)節(jié)拍，降低生產(chǎn)效率。經(jīng)過多次調(diào)試，較合理的模具預(yù)熱溫度控制在定模為200 ℃，動模為220 ℃。

3.2.2 澆注溫度

澆注溫度是熔融金屬從壓室進(jìn)入型腔的平均溫度，以保溫爐上的溫度值表示。澆注溫度對產(chǎn)品質(zhì)量有重要的影響，溫度過高凝固時收縮大、氣體溶解度大、鑄件容易產(chǎn)生裂紋、晶粒粗大及粘型；溫度過低易產(chǎn)生澆不足、冷隔及表面流紋等缺陷。此外還與壓射速度和合金成分有關(guān)，經(jīng)過多次試驗(yàn)，澆注溫度在670 ℃較好。

3.2.3 壓射速度

鋁液充填入型腔，壓射速度分為兩個階段：慢壓射速度和快壓射速度。慢壓射階段是指沖頭推動鋁液前進(jìn)直至沖頭將壓室中的鋁液推入內(nèi)澆道的運(yùn)動過程，快壓射階段是指鋁液充滿型腔時沖頭的壓射速度。快壓射速度與充型質(zhì)量有著十分密切的聯(lián)系，沖頭壓射速度過低，鑄件無法成形或成形品質(zhì)較差。提高壓射速度，從而提高熔融鋁液的流動性，能避免流痕、冷隔等缺陷的產(chǎn)生。經(jīng)過多次實(shí)踐，該產(chǎn)品的最佳快壓射速度取4.5 m/s。內(nèi)澆道的壓射速度與快壓射速度的關(guān)系為：
             VnAn =VkAk （5）

式中：Vn 為內(nèi)澆道的壓射速度，m/s；An 為內(nèi)澆道面積，由式（1）得An =1 450 m㎡ ；Vk 為快壓射速度，選4.5 m/s；Ak 為壓室內(nèi)孔面積，壓室直徑為140 mm。經(jīng)計(jì)算，得內(nèi)澆道的速度為48 m/s。

4、壓鑄生產(chǎn)過程

本產(chǎn)品壓射過程分五個階段：①澆注階段；②低速填充階段Ⅰ（慢速封口）；③低速填充階段Ⅱ，金屬液堆積；④高速切換與填充階段；⑤增壓壓實(shí)階段。

壓射過程結(jié)束后壓鑄機(jī)開模，同時靜模抽芯機(jī)構(gòu)抽芯-繼續(xù)開模、動模抽芯-繼續(xù)開模并頂出壓鑄件-取件機(jī)械手取出壓鑄件-噴涂機(jī)械手噴涂脫模劑，完成一次壓鑄過程循環(huán)。圖8為最終鋁合金變速箱外殼壓鑄成品圖。變速箱外殼表面輪廓清晰，表面無飛翅、裂紋、氣孔、冷隔等缺陷。后續(xù)經(jīng)機(jī)加工后，在測試臺通過了高低壓測漏試驗(yàn)的驗(yàn)證。

圖8 鋁合金變速箱外殼壓鑄件

5、結(jié)論
（1）根據(jù)鋁合金變速箱外殼的結(jié)構(gòu)特征，對其進(jìn)行壓鑄模設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的主要包括：分型面的確定、澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、抽芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。壓鑄模的結(jié)構(gòu)對鑄件的成形質(zhì)量有著重要影響。
（2）經(jīng)過多次試驗(yàn)，最佳工藝參數(shù)為：定模溫度為200 ℃，動模溫度為220 ℃；鋁液澆注溫度為670 ℃；慢壓射速度為0.18 m/s，快壓射速度為4.5 m/s；內(nèi)澆道的壓射速度為48 m/s；留模時間為30 s時，鑄件成形品質(zhì)較好，經(jīng)檢驗(yàn)測試，滿足技術(shù)要求。
（3）針對鋁合金壓鑄件出現(xiàn)的氣孔、冷隔、泄漏等問題，通過優(yōu)化壓鑄工藝，可以大大減少生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，提高經(jīng)濟(jì)效益。

作者
周倩 黃明宇
南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院
任浩
天津雄邦壓鑄有限公司
王俊有
雄邦壓鑄（南通）有限公司
本文來自：《鑄造》雜志