原標(biāo)題：離合器殼體壓鑄工藝分析及缺陷改善

摘 要：國產(chǎn)新一代CVT變速箱燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、舒適性好，成本低，但是集成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，功能的多樣化給離合器殼體的制造帶來了極大的挑戰(zhàn)。通過應(yīng)用并完善高壓點(diǎn)冷型芯針設(shè)計(jì)，可以有效地提高熱節(jié)的冷卻效果，延長針的使用壽命；通過改進(jìn)毛坯形狀設(shè)計(jì)，增加擠壓銷的直徑，可以有效解決厚大位置內(nèi)部縮松、縮孔缺陷，保證產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量和氣密性。

前 言：國產(chǎn)新一代CVT變速箱可獲得傳動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)工況的最佳匹配，但是變速箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚變化大，內(nèi)部品質(zhì)、表面品質(zhì)、加工尺寸精度、氣密性要求高，導(dǎo)致產(chǎn)品制造困難，廢品率高，需要對(duì)壓鑄工藝進(jìn)行研究和改進(jìn)。

我司生產(chǎn)的離合器殼體，材質(zhì)是ADC12合金，輪廓尺寸是545 mm×430 mm×230 mm，一般壁厚是3.5 mm，產(chǎn)品質(zhì)量是10.47 kg。該產(chǎn)品峰值年產(chǎn)量為20萬件，內(nèi)部質(zhì)量要求優(yōu)于ASTM E 505 2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，外觀質(zhì)量要求裝配及密封位置加工后氣孔直徑小于0.4 mm，間隔大于8 mm，數(shù)量小于3個(gè)；外觀質(zhì)量要求毛坯表面不允許有鑄點(diǎn)、冷隔、裂紋、飛邊、毛刺等缺陷；氣密性要求高壓油道在300 kPa的壓力下，泄漏量小于3 mL/min。

通過對(duì)離合器殼體的壓鑄工藝設(shè)計(jì)、壓鑄缺陷的原因分析和工藝改進(jìn)，提出類似產(chǎn)品的典型壓鑄缺陷問題解決方法。

1、壓鑄工藝設(shè)計(jì)

1.1 壓鑄機(jī)型選擇

壓鑄時(shí)，為了保證鑄件尺寸精度和內(nèi)部質(zhì)量，防止壓鑄過程飛料，必須鎖緊分型面。因此選擇關(guān)鍵是壓鑄機(jī)鎖模力大小的計(jì)算。

鑄造總投影面積：

A鑄造投影面積=A產(chǎn)品+A澆道+A溢流槽=3 229 c㎡

F鎖≥安全系數(shù)×壓射比壓×A鑄造投影面積=1.1×75×3229=2 6640 kN

根據(jù)鎖模力計(jì)算結(jié)果和公司壓鑄機(jī)臺(tái)資源，選擇IDRA的27 000 kN壓鑄機(jī)。

1.2 壓鑄模具設(shè)計(jì)

內(nèi)澆口設(shè)計(jì)應(yīng)該使鋁液的充型距離盡可能的短，以減少鋁液溫度的降低；澆口位置應(yīng)該使鋁液到達(dá)型腔各處位置距離相等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離部位同時(shí)充填和凝固；應(yīng)該設(shè)置在壓鑄件厚壁處，實(shí)現(xiàn)順序填充、壓力補(bǔ)縮。根據(jù)該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，兩個(gè)大的軸承孔內(nèi)部、高壓油道內(nèi)部質(zhì)量要求高，根據(jù)金屬液填充流向的需要，澆注系統(tǒng)采用梳形設(shè)計(jì)，澆口厚度為4 mm，位于產(chǎn)品壁厚5 mm分型線位置，設(shè)置在定模面上。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖1，模具設(shè)計(jì)見圖2和圖3。

圖1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 定模設(shè)計(jì)

圖3 動(dòng)模設(shè)計(jì)

1.3 嵌件工藝設(shè)計(jì)

為了提高變速箱輸出帶輪軸前軸承孔的耐磨性能，產(chǎn)品設(shè)計(jì)了嵌件結(jié)構(gòu)，嵌件材料為ADC14合金，壁厚為3 mm,見圖4。要求嵌件在模具上放置位置準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠，壓鑄過程中，鋁液和嵌件緊密結(jié)合無間隙，且該孔用作機(jī)加工定位孔。嵌件內(nèi)徑φ78.57±0.03 mm，動(dòng)模定位凸臺(tái)直徑φ78.45±0.01 mm，配合間隙單邊0.04~0.08 mm，嵌件使用烤箱加熱至200 ℃，人工拿取與模具前端貼合放置。嵌件在模具上定位見圖5。

圖4 嵌件

圖5 動(dòng)模嵌件定位

1.4 壓鑄工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

鑄造壓力選擇75 MPa, 填充速度為50 m/s；內(nèi)澆口總橫截面積為1 490 m㎡；沖頭直徑為160 mm, 沖頭橫截面積=πD2/4=20 096 m㎡；內(nèi)澆口和沖頭速度比= 沖頭橫截面積/內(nèi)澆口總橫截面積=13.49；沖頭速度=內(nèi)澆口速度/內(nèi)澆口和沖頭速度比=3.7m/s；G內(nèi)澆口通過質(zhì)量=G產(chǎn)品質(zhì)量+G渣包重量=13 500 g；填充時(shí)間=內(nèi)澆口通過質(zhì)量/（鋁液密度×內(nèi)澆口截面積×填充速度）=68 s；

高速切換位置，一般以溶湯到達(dá)澆口的位置為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量和功能需求，前后調(diào)整切換位置來選擇最佳位置，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較大，產(chǎn)品某位置出現(xiàn)缺陷時(shí)，都可以通過調(diào)整切換位置來觀察缺陷的變化來改善產(chǎn)品，見圖6，計(jì)算方法如下：

高速行程= G內(nèi)澆口通過質(zhì)量/沖頭橫截面積/AI液密度=(13500/20096)/2.64×1000=254 mm；

料柄厚度為35mm；

高速切換點(diǎn)=壓室有效長度-料柄厚度-高速行程=915-35-254=626mm；

圖6 高速行程及切換點(diǎn)位置

2、壓鑄缺陷分析及改進(jìn)

(1)問題1 產(chǎn)品變殼安裝密封面上的M10螺紋孔，毛坯孔大端直徑為7.5 mm，深24 mm，加工完成后，在300 kPa的空氣壓力下和高壓油道發(fā)生竄漏，發(fā)生比例達(dá)50%，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的密封及使用功能。漏氣位置見圖7。

圖7 漏氣位置

原因是，M10螺紋孔位置局部厚大，達(dá)到20 mm，屬于熱節(jié)，在壓鑄成形過程中，產(chǎn)生約5 mm大小的縮孔，導(dǎo)致M10螺紋孔和高壓油道串漏，缺陷解剖及X光檢查，見圖8。

圖8 缺陷解剖及X光

針對(duì)產(chǎn)品M10螺紋孔位置局部厚大產(chǎn)生縮孔問題，通過采用高壓型芯點(diǎn)冷針進(jìn)行解決，型芯針直徑為7.5 mm，內(nèi)部冷卻通道直徑為3.5 mm，單邊壁厚為2 mm，見圖9。實(shí)際使用過程中，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)冷針頭部粘鋁，冷卻效果差，主要原因是原設(shè)計(jì)冷卻通道底端距離針頭部6 mm，不能快速有效冷卻，改進(jìn)為冷卻通道底端距離針頭部3 mm，見圖10，不易斷針，冷卻效果良好，縮孔缺陷問題得到徹底解決，不良為0。

圖9 改善前超點(diǎn)冷針設(shè)計(jì)

圖10 改善后超點(diǎn)冷針設(shè)計(jì)

(2) 問題2：產(chǎn)品高壓油道孔，毛坯孔大端直徑為8 mm，深87 mm，加工完成后，前部M10螺紋孔出現(xiàn)黑皮殘留，螺紋孔內(nèi)1/4周無螺牙，該批次發(fā)生比例達(dá)47%，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的裝配和密封性能，導(dǎo)致批量報(bào)廢。螺紋不良見圖11。

圖11 螺紋孔形狀、尺寸及缺陷位置

原因在于，型芯針孔大端尺寸要求φ8±0.3 mm，實(shí)測(cè)結(jié)果為7.98 mm，尺寸合格；型芯針孔深度要求：87±1 mm，實(shí)測(cè)結(jié)果為86.79 mm，尺寸合格。但是型芯針在距離頂部40.83 mm處，開始發(fā)生彎曲；長度29.69 mm處，型芯針表面有輕微拉傷，表面涂層有脫落；長度16.27 mm處，嚴(yán)重粘鋁，見圖12。

圖12 型芯針彎曲位置

高壓點(diǎn)冷型芯針冷卻不足，表面溫度過高，金屬液易粘模，導(dǎo)致嚴(yán)重粘鋁，脫模困難，損壞型芯針；型芯針熱硬度和熱穩(wěn)定性不足，抗熱疲勞及突變失效的能力差，兩個(gè)因素疊加導(dǎo)致型芯針易發(fā)生彎曲變形。

針對(duì)產(chǎn)品高壓點(diǎn)冷型芯針彎曲，工藝改進(jìn)措施如下：①高壓點(diǎn)冷型芯針原設(shè)計(jì)，內(nèi)孔直徑為2.5 mm，中心管直徑為2.3 mm，單邊間隙只有0.1 mm，排水量小，容易堵塞，影響冷卻效果，見圖13；設(shè)計(jì)改進(jìn)后，內(nèi)孔直徑為3 mm，中心管直徑為2 mm，單邊間隙為0.5 mm，排水暢通，可以有效保證冷卻效果。改善措施實(shí)施后，針表面沒有粘鋁、拉傷缺陷，表面質(zhì)量良好。

圖13 高壓點(diǎn)冷型芯針

②由于該型芯針直徑小且比較長，容易彎曲變形，導(dǎo)致壽命只有200件，嚴(yán)重影響生產(chǎn)連續(xù)性，需要對(duì)針的材料和壽命進(jìn)行改善。材料由SKD61改為W360合金，硬度(HRC)為52~56，同時(shí)表面進(jìn)行滲氰處理，提高型芯針表面硬度和耐磨性。實(shí)施改善措施后，針沒有發(fā)生彎曲，只是在接近壽命時(shí)會(huì)發(fā)生斷裂，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，壽命按9000件進(jìn)行管理，可以保證連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

（3）問題3：產(chǎn)品軸承孔旁的M6螺紋孔，深度為21 mm，加工完成后，在300 kPa壓力下和高壓潤滑油道發(fā)生串漏，發(fā)生比例為35%，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的密封及使用功能。漏氣位置見圖14。

圖14 M6螺紋孔和高壓潤滑油道串漏位置

高壓潤滑油道形狀復(fù)雜，直徑為φ6 mm的油道無法出抽芯，需要加工完成，導(dǎo)致壁厚為15 mm的油道區(qū)域，內(nèi)部產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷，而M6螺紋孔和高壓潤滑油道最近距離為15.4 mm，容易發(fā)生串漏。針對(duì)縮松易發(fā)生泄漏位置，采用擠壓工藝，毛坯凸臺(tái)直徑為14 mm，擠壓銷針設(shè)計(jì)為φ6 mm，擠壓銷針套為φ12 mm，擠壓行程為15 mm，對(duì)縮松、縮孔缺陷有所改善，但是由于局部厚大，擠壓銷直徑小，傳遞的鋁液補(bǔ)縮能力不能夠完全解決該缺陷，導(dǎo)致串漏[4]。改進(jìn)前擠壓銷設(shè)計(jì)見圖15。

圖15 改進(jìn)前擠壓銷設(shè)計(jì)

通過修改毛坯設(shè)計(jì)，凸臺(tái)直徑由原來φ14 mm增加至φ22 mm，擠壓銷針改為φ14 mm，擠壓銷針套為φ20 mm，擠壓行程為15 mm，見圖16。措施實(shí)施后，產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量良好，沒有發(fā)生泄漏。

圖16 改進(jìn)后擠壓銷設(shè)計(jì)

3、結(jié)論
（1）應(yīng)用并優(yōu)化高壓點(diǎn)冷型芯針，可以有效地強(qiáng)化產(chǎn)品孔內(nèi)熱節(jié)處的冷卻，提高毛坯表面的致密性，避免縮孔和泄漏缺陷。
（2）通過改善高壓點(diǎn)冷型芯針設(shè)計(jì)，改善針的材料和表面處理工藝，可以有效地避免針彎曲問題，同時(shí)延長了型芯針的使用壽命，由原來的200件增加到8 000件，應(yīng)用效果良好。
（3）通過改進(jìn)毛坯形狀設(shè)計(jì)，增加擠壓銷的尺寸，可以有效解決厚大位置內(nèi)部組織縮松、縮孔缺陷，保證產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量和氣密性。

作者
周海軍 吳玉婷 趙郁鎏 劉后堯 張森
廣東鴻圖南通壓鑄有限公司
本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志