原標題:1000型鋁合金壓鑄梯級結構及壓鑄工藝優化

摘 要:在鋁合金梯級結構設計中，既要考慮梯級的安全性和輕量化，又要考慮梯級的壓鑄成形工藝。通過采用ABAQUS有限元分析軟件，對梯級進行靜態和動態分析，優化梯級結構。通過采用MAGMA軟件，對梯級的澆注系統進行充填和凝固數值模擬分析，優化澆注系統和壓鑄成形工藝。通過產品試制驗證，梯級達到國家質量標準和企業生產要求。

梯級是自動扶梯最主要的零件。梯級部件結構主要包括：梯級、梯級軸、主輪、輔輪等,見圖1。梯級分為整體式和裝配式，整體式梯級一般為鋁合金整體壓鑄，由踏板、踢板及支架3部分組成，踏面和踢面鑄有筋條，起防滑作用和相鄰梯級導向作用。整體式梯級質量輕、剛度好、精度和外觀質量高，便于制造、裝配和維修。隨著壓鑄技術發展，整體式壓鑄鋁合金梯級逐漸取代裝配式梯級，在自動扶梯中得到大量使用。

圖1  整體式壓鑄鋁合金梯級部件結構圖

1、梯級結構優化

整體式壓鑄梯級的主要特點是體積大、長度長，國內自動扶梯一般采用600、800、1 000 mm，一般雙梯的梯級長度常用1 000 mm。梯級鑄件一般質量在13 kg左右，有的甚至達15 kg，鑄件一般壁厚在3 mm左右。梯級要求安全、自重輕、剛度好，彈性變形小，耐腐蝕性強，裝拆維護方便，制造成本及能耗低。

1.1 梯級材料特性

1000型梯級材料選用鋁合金A380,其化學成分和力學性能要求見表1。該鋁合金具有較高的強韌性能、良好的切削性和鑄造性，其屈服強度為160 MPa，彈性模量為72 GPa，泊松比υ為0.3，密度為2.7 g/cm³。

表1 A380化學成分及力學性能

1.2 梯級結構設計

在梯級結構設計中，既要考慮安全、技術要求符合國家標準，同時也要考慮整體式梯級的輕量化以及壓鑄工藝。梯級最大外形尺寸（長×寬×高）為1 009 mm×411 mm×340 mm，對3種不同的梯級結構設計進行分析比較，見圖2。

結構1：梯級壁厚為1.8 mm，橫向有2根主加強筋，筋板厚度為3.5 mm，高度為45 mm，長度為810 mm。同時為加強踏板的剛度，在踏板中間設計了一根小的加強筋。縱向有4根主加強筋，筋板厚度為2 mm，見圖2a。

結構2：梯級壁厚為1.8 mm，橫向有1根主加強筋，筋板厚度為3 mm，高度為65 mm，長度為810 mm。縱向有5根主加強筋，筋板厚度為2.5 mm，見圖2b。

結構3：梯級壁厚為1.8 mm，壁厚均勻，橫向筋板最小端壁厚為3 mm，高度為85 mm，長度為810 mm。縱向有3根主加強筋，筋板厚度2mm，見圖2c。

圖2 3種不同的梯級結構設計

梯級踏板（結構3）的梳齒結構見圖3, 踏板的壁厚為2 mm，梳齒高度為11 mm，單個梳齒小端厚度為2.43 mm，踏板上共有111個梳齒，相鄰2個梳齒之間的中心距為9.14mm。踢板梳齒槽結構見圖3b，梳齒槽壁厚為1.8 mm，梳齒槽深度為6 mm，相鄰2個梳齒槽之間的中心距為18.28 mm。

圖3 梯級踏板、踢板細節尺寸示意圖（結構3）

3種不同的整體式梯級結構設計對比分析見表2。

表2 3種不同的整體式梯級結構設計對比分析

1.3 梯級靜力學分析

根據GB 16899-2011，梯級應進行抗彎變形試驗，梯級踏板中央放置一塊鋼板，鋼板尺寸為0.2 m×0.3 m，厚度為28 mm，并使其0.2 m的一邊與梯級前緣平行，0.3 m的一邊與梯級前緣垂直，乘客載荷為3 000 N，垂直作用在鋼板上，梯級踏板的變形量不應大于4 mm，且應無永久變形。

采用ABAQUS有限元分析軟件對3種不同結構的梯級進行靜力學分析。根據梯級的實際工況，將主輪位置所在的軸套內表面施加固定約束，鋼板置于梯級中間，施加3 000 N載荷，靜力學分析見圖4~圖6。

（1）結構1：梯級的等效應力見圖4a，最大應力為125.90 MPa，發生在兩邊斜支架與踏面筋板交匯附近，小于梯級屈服強度160 MPa。梯級的等效位移見圖4b，最大位移為0.98 mm，發生在踏面邊緣的中間位置，小于國家標準要求的4 mm變形量以內。

圖4 梯級結構1靜力學分析

（2）結構2：梯級的等效應力見圖5a，最大應力為50.18 MPa，發生在兩邊主動輪軸軸套附近。梯級的等效位移見圖5b，最大位移為0.41 mm，發生在踏面邊緣的中間位置。

圖5 梯級結構2靜力學分析

（3）結構3：梯級的等效應力見圖6a，最大應力為49.20 MPa，發生在兩邊斜支架與踏面筋板交匯附近。梯級的等效位移見圖6b，最大位移為0.34 mm，發生在踏面邊緣的中間位置。

圖6 梯級結構3靜力學分析

通過以上3種不同結構的靜力學對比分析，結構3在最大應力和最大位移上均小于結構1和結構2，安全系數為3.25。同時在質量上，結構3比結構1、2分別減少了21%和5%，有效實現了“輕量化”設計。因此，結構3的結構更加合理，成本更低，安全系數更高，為最優設計方案。

1.4 梯級模態分析

利用ABAQUS軟件對梯級（結構3）進行模態分析，在主輪和輔輪所在的軸套施加固定約束，鋁合金梯級前6階模態的振型和振幅見圖7。其中第1階模態，頻率為101.60 Hz，振幅為1.032 mm；第2階模態，頻率為186.95 Hz，振幅為1.028 mm；第3階模態，頻率為215.56 Hz，振幅為1.035 mm；第4階模態，頻率為248.53 Hz，振幅為1.041 mm；第5階模態，頻率為257.62 Hz，振幅為1.613 mm；第6階模態，頻率為281.39 Hz，振幅為1.352 mm。通過模態分析可知，梯級的固有頻率大于2 0Hz。

圖7 1000型鋁合金梯級前6階模態分析

1.5 梯級諧響應分析

根據梯級的國家標準，除了靜載荷試驗和模態分析以外，梯級還應進行動載荷試驗，模擬實際使用的工況，驗證梯級的實際性能。試驗應以5~20 Hz之間的任一頻率的無干擾的諧振力波，施加500~3 000 N之間的脈動載荷進行試驗，發現梯級不產生裂紋，踏面表面不產生4 mm變形。在ABAQUS軟件對梯級（結構3）進行諧響應分析，見圖8，20 Hz諧振力波時，梯級最大等效位移為0.64 mm，小于4 mm變形量，見圖9，最大等效應力為51.75 MPa，小于鋁合金A380的屈服強度160 MPa。通過諧響應分析，梯級動載荷下，滿足梯級的國家安全標準。

圖8 等效位移云圖（20 Hz諧振力波）

圖9 等效應力云圖（20 Hz諧振力波）

2、梯級壓鑄工藝優化

梯級外形結構復雜，體積大、壁厚薄，分布有許多的梳齒結構和加強筋板，尺寸精度和變形控制要求高，鑄件成形難度大，容易產生氣孔、縮孔、冷隔、粘模，欠鑄、裂紋等壓鑄缺陷，主要缺陷是冷隔。梯級收縮率為0.55%，溫差控制在40 ℃之內，投影面積為4 336 c㎡，選用30 000 KN壓鑄機。梯級氣密性沒有要求，鑄造壓力適當降低。鋁液充填過程中，讓鋁液進入型腔后，再切換成高速充填，高速行程短一點。通過對梯級鑄件壓鑄成型工藝進行分析，確定壓鑄工藝參數見表3。

表3 鑄件（A380）壓鑄工藝參數

2.1 澆注系統設計

（1） 內澆口位置選擇

梯級（結構3）上有多條縱向加強筋，在設計澆注系統時，鋁液的填充方向要與加強筋方向一致，使加強筋整條都能得到填充，避免充型過程中出現壓鑄缺陷。梯級踏板內側有一條橫跨梯級的加強筋，此筋板凹陷在型腔內部，若此加強筋壓鑄時強度不足，會出現粘模情況，模具極難處理。因此，鋁液需對其進行正向充填，以使更多的鋁液優先填充加強筋的底部，從而排出加強筋內部的氣體。圖10為內澆口位置選擇。從圖10a可知，如果內澆口選擇在梯級踏板長邊進料，鋁液填充方向在加強筋填充方向上流量過小，鋁液很難沖入加強筋，僅靠壓力流，難以保證加強筋的致密性。從圖10b可知，如果內澆口選擇在梯級踢板長邊進料，鋁液填充方向在加強筋填充方向上流量較大，能有比較好的填充效果。所以，內澆口位置選擇在踢板長邊位置。

圖10 內澆口位置選擇

（2） 內澆口截面積計算和充填速度驗算

內澆口截面積計算如下：

式中，A內為內澆口截面積，c㎡；k為倍數系數，一般為1.1～1.3；G為產品質量，g；ρ為鋁合金液態密度，g/cm³；V為內澆口處鋁液的充填速度，m/s；T為鋁液充滿型腔所需的時間，s。

充填速度對鑄件成形質量和模具壽命有著重要影響，一般充填速度控制在30～60 m/s范圍內，充填速度計算如下：
                        A沖V沖= A內V充       （2）

式中，A沖為壓射沖頭截面積；V沖為壓射沖頭速度；A內為內澆口截面積；V充為充填速度。

針對梯級（結構3），計算內澆口截面積和驗算充填速度。梯級體積為3 888 cm³，質量G為10.5 kg，一般壁厚為1.8 mm，筋板壁厚為2.43 mm，最大壁厚為25.45 mm。

根據經驗，一般溢流槽質量占產品質量的20%左右，系數K取1.2。根據產品的壁厚，充填速度V取40 m/s，充型時間T取0.06 s。鋁合金液態密度ρ=2.4 g/cm³。根據式（1），內澆口截面積為：

通過計算，內澆口截面積為21.88 c㎡。

采用30 000 kN壓鑄機，壓射沖頭直徑選為Ø180mm，高速壓射階段，壓射沖頭的速度選為4 m/s，根據式（2），驗算充填速度：
              V充=（A沖/A內）V沖=46 m/s。

通過計算，充填速度為46 m/s，小于60 m/s，充填速度合理，也說明內澆口截面積合理。

（3）3種不同的澆注系統設計

根據內澆口截面積，結合梯級的結構特征，設計3種不同的澆注系統進行分析比較,見圖11。①方案1：梯級屬于結構件中大范圍平板類型零件，此類產品通常采取平鋪進料的方案。澆口布置采用均勻分布的梳形澆口的形式，進澆位置選擇在踢板側，設計10支分流道，便于澆注系統與梯級形成斷口，減少澆注系統對產品變形的影響，見圖11a。②方案2：根據梯級的壁厚和結構特征，澆注系統采用梳形結構，開設10支分流道，內澆口厚度為3 mm，寬度為730 mm，長度為1.5 mm。料餅厚度50 mm，便于產品補縮，見圖11b。③方案3：澆注系統采用長錐形切線流道，澆口沿分型面開設，在澆口寬度方向，填充范圍寬，鋁液填充流動較均勻。內澆口厚度為2.8 mm，寬度為780 mm，長度為1.5 mm,見圖11c。

圖11 梯級澆注系統設計

2.2 數值模擬仿真分析

采用MAGMA軟件對梯級的3種澆注系統設計方案進行模流分析。

（1） 充填過程分析  方案1：從圖12可以看出，充填達46%時，中間的6支分流道，鋁液已經到達內澆口，但兩邊的分流道充填距離長，鋁液明顯滯后。充填達62%時，兩邊分流道散熱快、料溫低，同時在鑄件梯級軸區域出現裹氣，此處存在卷氣風險。充填達82%時，踏板中間區域填充完畢，二側區域尚未完全充填，鋁液溫度偏低，易產生冷隔。充填達98%時，鑄件內部大部分區域均低于液相線，冷隔欠鑄風險高。

圖12 方案1充填過程分析

方案2：從圖13可以看出，充填達46%時，鋁液在中間分流道充填速度快，兩邊分流道充填速度慢。充填達62%時，流道內有卷氣，鑄件內部卷氣嚴重，料溫較低。充填達82%時，在產品轉角部位出現明顯裹氣，此處存在卷氣風險。充填達98%時，鑄件末端部位出現低于液相線的冷料，此處冷隔風險較高。

圖13 方案2充填過程分析

方案3：從圖14可以看出，充填達46%時，鋁液充填均勻、充填范圍較寬，有利于鑄件成形。雖然流道部位出現滯留氣體，但模流分析顯示氣體并未隨鋁液進入產品。充填達62%時，充型溫度較好，各部位溫度高于液相線，前鋒冷料可通過溢流槽排出，產品內卷氣風險較低。充填達82%和98%時，鑄件末端有些地方出現卷氣，但可以通過溢流槽排除。

圖14 方案3充填過程分析

（2） 凝固過程分析  對3種澆注系統設計方案的凝固過程進行分析，見圖15。可以看出，3種澆注系統的凝固過程基本相似。凝固溫度分析顯示，兩側初始溫度較低，凝固速度最快。踏面和踢面依次凝固，澆注系統最后凝固，起到補縮作用。梯級鑄件具有薄壁的特點，凝固順序對鑄件質量影響不大。

圖15 3種方案凝固過程分析（凝固45%狀態）

通過以上3種澆注系統充填過程和凝固過程的模流分析，發現方案3為最優方案。因此，選擇方案3作為梯級的澆注系統最終設計方案。

2.3 排溢系統設計

在壓鑄過程中，鋁液通過內澆口進入型腔，其最后充填的部位是踏板的底部邊緣，易形成夾渣和氣孔。由于鑄件要求表面光滑平整，無冷隔，氣孔等,設計時，在踏板的底部邊緣分型面處布置尺寸為270 mm×20 mm×15 mm溢流槽2個，460 mm×20 mm×15 mm溢流槽1個，以充分排氣和溢料，見圖16。根據模流分析結果，在踏板的兩側邊，合理布置尺寸為80 mm×50 mm×10 mm溢流槽各2個。在兩邊支架處，合理布置尺寸為60 mm×40 mm×12 mm、30 mm×30 mm×12 mm和90 mm×15 mm×3 mm溢流槽各1個，溢流口厚度設計為1.5 mm。溢流槽后面開設排氣槽，排氣槽深度設計為0.18 mm，排氣槽形狀為“Z”字形，防止鋁液從排氣槽直接噴射出來。

圖16 梯級溢流系統和排氣系統設計

3、產品試制

大型復雜壓鑄模具的制造難度大，1000型梯級壓鑄模梯級尺寸大，長度方向有1 009 mm，模芯采用鑲拼結構，分段加工好后再進行組裝。根據梯級結構，動、定模芯各采用8塊鑲件組成。為了提高梯級表面光滑平整，減少壓鑄飛邊，需提高鑲件的加工精度和裝配精度，鑲件采用五軸加工中心加工，產品加工精度達到0.003～0.005 mm，保證鑲件加工精度的穩定性，模框采用整體式，提高模架的整體剛性。梯級選用30 000 kN壓鑄機，模具溫度為200±10℃，低速壓射速度為0.2 m/s，高速壓射速度為4.0 m/s，增壓階段的鑄造壓力為80 MPa。梯級鑄件見圖17，通過對鑄件的質量檢驗，鑄件質量達到自動扶梯的國家標準。

圖17 1000型梯級壓鑄件

4、結論

（1）針對不同的梯級結構設計，通過有限元分析，對梯級的最大變形和最大應力進行分析，優化了梯級結構，實現了梯級輕量化設計，降低了梯級成本。
（2）通過充填過程和凝固過程數值模擬分析，優化了澆注系統，解決了梯級易產生氣孔、冷隔等鑄造缺陷。
（3）通過試模，優化壓鑄工藝參數，鑄件的各項指標達到國家標準，產品順利實現量產。

作者

柯春松 莊艦 劉紅娟
寧波職業技術學院機電工程學院
唐杰
愛柯迪股份有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志