原標(biāo)題：鋁合金壓鑄過程中減少長抽芯針變形和偏擺研究

摘要：針對(duì)變速箱側(cè)蓋深高壓油道孔壓鑄成型過程長抽芯針變形和偏擺問題，研究了壓鑄工藝、模具結(jié)構(gòu)和抽芯針的材料對(duì)其變形和偏擺的影響。結(jié)果表明，澆注方案和關(guān)鍵工藝參數(shù)選擇對(duì)減少長抽芯針變形和偏擺非常重要。長抽芯針定位穩(wěn)定性、針與針套分段式配合結(jié)構(gòu)、高壓冷卻結(jié)構(gòu)均可降低長抽芯針變形和偏擺的可能性。高強(qiáng)度材料的長抽芯針可降低長抽芯針變形和偏擺的可能性。

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展和節(jié)能環(huán)保形勢要求，汽車鋁合金輕量化實(shí)現(xiàn)了飛速發(fā)展。因此，高精密壓鑄鋁合金鑄件需求量越來越大，所要求的產(chǎn)品品質(zhì)也越來越高。壓鑄鋁合金缸體、閥體、殼體、變速箱側(cè)蓋等鑄件均設(shè)計(jì)大量高壓油道孔。針對(duì)致密性要求高的高壓油道孔，傾向于采用壓鑄毛坯一次成形，需要設(shè)計(jì)長抽芯針。而在壓鑄成形過程中，長抽芯針容易出現(xiàn)變形和偏擺問題。鋁合金壓鑄件在壓鑄成形過程中導(dǎo)致長抽芯針發(fā)生變形和偏擺的原因很多，但目前針對(duì)此問題的報(bào)道較少。

本課題結(jié)合了我司高精密壓鑄鋁合金鑄件變速箱側(cè)蓋的實(shí)際生產(chǎn)情況：深高壓油道孔（長度大于250 mm）采用壓鑄毛坯一次成形，無需再進(jìn)行機(jī)加工。為了減少長高壓油道對(duì)應(yīng)的長抽芯針在壓鑄生產(chǎn)過程中的變形和偏擺，針對(duì)高精密壓鑄鋁合金鑄件變速箱側(cè)蓋的壓鑄生產(chǎn)工藝、模具結(jié)構(gòu)、長抽芯針材料性能進(jìn)行了研究，并提出了改進(jìn)措施。

1、壓鑄生產(chǎn)工藝

高精密壓鑄鋁合金鑄件變速箱側(cè)蓋，鑄件質(zhì)量為3.26 kg，材質(zhì)為ADC12鋁合金，外輪廓尺寸為404 mm×304 mm×100 mm，澆注質(zhì)量為6.1 kg，其中高壓油道孔長為262 mm，直徑為φ10 mm，整個(gè)油道壁厚要求大于3.5 mm，油道在298 kPa的空氣壓力下，泄漏量小于0.81 mL/min。在壓鑄生產(chǎn)過程中，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵壓鑄工藝參數(shù)選擇等，對(duì)高壓油道孔對(duì)應(yīng)的長抽芯針變形和偏擺都存在影響。

1.1澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)金屬液在模具內(nèi)流動(dòng)的方向與狀態(tài)、模具的壓力傳遞等起到重要的控制作用，并且能調(diào)節(jié)填充速度、填充時(shí)間和模具的溫度分布等填充型腔的工藝條件。通過對(duì)此變速箱側(cè)蓋進(jìn)行模流分析確定最優(yōu)澆注系統(tǒng)方案為多點(diǎn)進(jìn)澆方式（見圖1）。

圖1 澆注系統(tǒng)

按照以上澆注系統(tǒng)方案開展模流分析,結(jié)果見圖2。

圖2 模流分析

模流分析結(jié)果表明：①按照以上澆注方案，高壓油道長抽芯針在壓鑄成形過程中受到幾股鋁液同時(shí)的沖擊作用。根據(jù)受力平衡，只要此長抽芯針定位足夠穩(wěn)定，強(qiáng)度足夠高，可以避免在壓鑄成形過程中由于鋁液對(duì)其沖擊而導(dǎo)致的變形和偏擺。②從填充率為100%的溫度場可以看出，高壓油道長抽芯針?biāo)軠囟确植急容^均勻，溫度梯度不明顯。同時(shí)生產(chǎn)過程中還可以通過調(diào)節(jié)鋁液溫度、模具溫度、噴涂時(shí)間、冷卻時(shí)間來削弱溫度場對(duì)高壓油道長抽芯針變形和偏擺影響。

1.2 壓鑄工藝參數(shù)選擇

壓鑄工藝參數(shù)對(duì)鑄件品質(zhì)非常重要，其中溫度對(duì)高壓油道長抽芯針影響最大。當(dāng)溫度過低時(shí)，高壓油道長抽芯針?biāo)軆?nèi)外溫差大，鋁液就會(huì)對(duì)其產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，受到?jīng)_擊后很容易變形、開裂受損。當(dāng)有高溫的鋁液注入時(shí)，長抽芯針的溫度會(huì)迅速上升，進(jìn)行冷卻時(shí)，此處鋁液冷卻速度緩慢，導(dǎo)致鑄件會(huì)有縮孔、縮松等缺陷出現(xiàn)，使鑄件質(zhì)量受到嚴(yán)重的影響。因此控制好高壓油道長抽芯針溫度不僅影響鑄件品質(zhì)，而且對(duì)其變形和偏擺也有影響。其他條件控制不變，通過調(diào)節(jié)鋁液溫度、模具溫度、噴涂時(shí)間、冷卻時(shí)間來看鑄件內(nèi)部質(zhì)量以及高壓油道長抽芯針表面燒傷粘鋁。

表1 壓鑄工藝參數(shù)方案對(duì)比

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，方案1，X光探傷50件，合格28件，合格率為56%；高壓油道長抽芯針表面無燒傷有粘鋁。方案2，X光探傷50件，合格43件，合格率為86%；高壓油道長抽芯針表面無明顯燒傷粘鋁。方案3，X光探傷50件，合格40件，合格率為80%；高壓油道長抽芯針表面燒傷粘鋁嚴(yán)重。方案4，X光探傷50件，合格50件，合格率為100%；高壓油道長抽芯針表面無燒傷粘鋁。

經(jīng)過對(duì)以上4種方案調(diào)試驗(yàn)證，在保證鑄件內(nèi)部品質(zhì)的同時(shí)，又要保證長抽芯針表面外觀，最優(yōu)的參數(shù)：鋁液溫度為660 ℃，模具溫度為150 ℃，噴涂時(shí)間為17 s，冷卻時(shí)間為11 s。

2、模具結(jié)構(gòu)

高壓油道長抽芯針結(jié)構(gòu)主要包括長抽芯針定位結(jié)構(gòu)、針與針套配合結(jié)構(gòu)、長抽芯針高壓點(diǎn)冷結(jié)構(gòu)。

2.1長抽芯針定位結(jié)構(gòu)

長抽芯針定位結(jié)構(gòu)見圖3。可以看出，長抽芯針用T型連接結(jié)構(gòu)（長抽芯針與連接桿是配合連接）不會(huì)導(dǎo)致針向前造成壁位薄；長抽芯針進(jìn)入型腔位置有面限位保證長抽芯針成形長度尺寸，不會(huì)出現(xiàn)過程抽心向前移動(dòng)的情況；長抽芯針有前后兩個(gè)部件定位，不會(huì)出現(xiàn)長抽芯針的抽離和插入動(dòng)作的偏擺。因此，此長抽芯針定位穩(wěn)定，在生產(chǎn)過程中造成抽芯針偏擺的可能性較小。

圖3 長抽芯針定位結(jié)構(gòu)

2.2 針與針套配合結(jié)構(gòu)

針套的長度取決于鑲件的厚度，且一般抽芯針與針套有效配合長度按照抽芯針直徑的3倍選取。變速箱側(cè)蓋的高壓油道長抽芯針成型段長為262 mm，直徑為φ10 mm。按照以往經(jīng)驗(yàn)值，此針與針套有效配合段長度為30 mm。實(shí)際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，如高壓油道長抽芯針與針套有效配合段為30mm，長抽芯針針套配合長度較短，會(huì)導(dǎo)致長抽芯針定位不好，發(fā)生偏擺。因此嘗試將此高壓油道長抽芯針與針套有效配合段延長至40 mm，但出現(xiàn)長抽芯針套因配合長度過長導(dǎo)致抽芯針卡死現(xiàn)象。

經(jīng)過不斷改進(jìn)優(yōu)化針套結(jié)構(gòu)，研究出分段式針套結(jié)構(gòu)（見圖4），既減少抽芯針套因配合長度過長導(dǎo)致抽芯針卡死現(xiàn)象，又增加針與針套配合長度，從而減少抽芯針偏擺的可能性，提高抽芯針壽命。

圖4 針套漸變式結(jié)構(gòu)

2.3 長抽芯針高壓點(diǎn)冷冷卻結(jié)構(gòu)

對(duì)比研究了長抽芯針有高壓點(diǎn)冷冷卻和無高壓點(diǎn)冷冷卻兩種狀態(tài)下，長抽芯針的變形和偏擺。在其他條件保持不變的情況下，驗(yàn)證長抽芯針有高壓點(diǎn)冷冷卻和無高壓點(diǎn)冷冷卻狀態(tài)下各壓鑄300模次后長抽芯針外觀情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長抽芯針有高壓點(diǎn)冷冷卻結(jié)構(gòu)，壓鑄300模次之后針的外觀面光潔、無燒傷粘鋁；無高壓點(diǎn)冷冷卻結(jié)構(gòu)壓鑄300模次之后針的外觀面燒傷、粘鋁嚴(yán)重。

采用高壓點(diǎn)冷冷卻結(jié)構(gòu)（見圖5），通過對(duì)冷卻時(shí)間調(diào)整，可以將抽芯針溫度控制在適宜溫度范圍內(nèi)，這樣可以減少此長抽芯針的燒傷、粘鋁，從而減少抽芯針變形和偏擺的可能性，提高抽芯針壽命。

圖5 長抽芯高壓點(diǎn)冷冷卻結(jié)構(gòu)

3、抽芯針材料

不同材料的抽芯針強(qiáng)度不一樣。選用不同材料的抽芯針，在其他條件保持不變的情況下，進(jìn)行壓鑄驗(yàn)證，記錄并跟蹤抽芯針壓鑄一定模次之后抽芯針的同心度變化情況（見圖6）。1號(hào)材料為熱作模具鋼，硬度為HRC 40~50，材料屈服強(qiáng)度為490~685 MPa，抗拉強(qiáng)度為685~985 MPa；2號(hào)材料是在1號(hào)材料上進(jìn)行改良，保留了1號(hào)材料的優(yōu)點(diǎn)，并且得到更好的耐熱裂紋性；3號(hào)材料為高速鋼，硬度≥56HRC；4號(hào)為特殊熱作模具鋼，硬度為52~57HRC，高硬度，高韌性和極高熱穩(wěn)定性。隨著壓鑄模次增加，從同心度的變化可以看出，1號(hào)材料、2號(hào)材料、3號(hào)材料的抽芯針在壓鑄模次未達(dá)到1.5萬就出現(xiàn)抽芯針同心度大于所要求值0.25。4號(hào)材料的抽芯針的同心度隨著壓鑄模次增加穩(wěn)定較好，且壓鑄模次達(dá)到4.3萬模次，同心度仍小于所有要求值0.25。說明4號(hào)材料的抽芯針在其壓鑄過程中變形較小。為了更好杜絕長抽芯針變形，選用4號(hào)材料的抽芯針，同時(shí)抽芯針壽命收嚴(yán)至3萬模次管控，且每次上模壓鑄前均需要打表測量抽芯針的同心度。

圖6 不同材料的抽芯針在不同模次下針同心度變化曲線圖

可以建立簡單數(shù)學(xué)模型（見圖7），可以看出，如抽芯針模具結(jié)構(gòu)足夠穩(wěn)定的情況下，x方向的分解的力與所受模具結(jié)構(gòu)反作用力的合力為0，抽芯針僅受y方向力的影響。模具結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響x方向的受力。y方向的受力不僅受壓鑄生產(chǎn)工藝影響，而且受抽芯針本身材料強(qiáng)度的影響。因此為了減少生產(chǎn)過程中鋁液對(duì)抽芯針的沖擊力F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3…，F(xiàn)N而導(dǎo)致抽芯針的變形和偏擺影響。

圖7 抽芯針受力數(shù)學(xué)模型

多點(diǎn)進(jìn)澆方式，鋁液溫度為660 ℃,模具溫度為150 ℃,噴涂時(shí)間為17  s，冷卻時(shí)間為11 s對(duì)抽芯針變形和偏擺影響不明顯。抽芯針采用T型連接、定位塊定位和采用高壓點(diǎn)冷冷卻，研發(fā)出長抽芯針與針套配合段分段式結(jié)構(gòu)，減少抽芯針與針套磨損，減少抽芯針變形和偏擺的可能性。W360材料抽芯針強(qiáng)度可滿足此抽芯針實(shí)際所需承受的力，減少抽芯針變形和偏擺的可能性。

4、結(jié)語

按照以上壓鑄生產(chǎn)工藝、模具結(jié)構(gòu)、采用W360材料抽芯針，我司變速箱側(cè)蓋高壓油道長抽芯針未出現(xiàn)變形和偏擺導(dǎo)致油道孔壁厚問題。

作者：

李秋旭
廣東鴻圖南通壓鑄有限公司

孫永明 吳廣堅(jiān) 蘇海章 馮東方
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2022年第42卷第3期