原標題：鋁合金壓鑄過程中減少長抽芯針變形和偏擺研究

摘要：針對變速箱側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、模具結構和抽芯針的材料對其變形和偏擺的影響。結果表明，澆注方案和關鍵工藝參數選擇對減少長抽芯針變形和偏擺非常重要。長抽芯針定位穩定性、針與針套分段式配合結構、高壓冷卻結構均可降低長抽芯針變形和偏擺的可能性。高強度材料的長抽芯針可降低長抽芯針變形和偏擺的可能性。

隨著汽車行業的快速發展和節能環保形勢要求，汽車鋁合金輕量化實現了飛速發展。因此，高精密壓鑄鋁合金鑄件需求量越來越大，所要求的產品品質也越來越高。壓鑄鋁合金缸體、閥體、殼體、變速箱側蓋等鑄件均設計大量高壓油道孔。針對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，需要設計長抽芯針。而在壓鑄成形過程中，長抽芯針容易出現變形和偏擺問題。鋁合金壓鑄件在壓鑄成形過程中導致長抽芯針發生變形和偏擺的原因很多，但目前針對此問題的報道較少。

本課題結合了我司高精密壓鑄鋁合金鑄件變速箱側蓋的實際生產情況：深高壓油道孔（長度大于250 mm）采用壓鑄毛坯一次成形，無需再進行機加工。為了減少長高壓油道對應的長抽芯針在壓鑄生產過程中的變形和偏擺，針對高精密壓鑄鋁合金鑄件變速箱側蓋的壓鑄生產工藝、模具結構、長抽芯針材料性能進行了研究，并提出了改進措施。

1、壓鑄生產工藝

高精密壓鑄鋁合金鑄件變速箱側蓋，鑄件質量為3.26 kg，材質為ADC12鋁合金，外輪廓尺寸為404 mm×304 mm×100 mm，澆注質量為6.1 kg，其中高壓油道孔長為262 mm，直徑為φ10 mm，整個油道壁厚要求大于3.5 mm，油道在298 kPa的空氣壓力下，泄漏量小于0.81 mL/min。在壓鑄生產過程中，澆注系統設計、關鍵壓鑄工藝參數選擇等，對高壓油道孔對應的長抽芯針變形和偏擺都存在影響。

1.1澆注系統設計

澆注系統的設計對金屬液在模具內流動的方向與狀態、模具的壓力傳遞等起到重要的控制作用，并且能調節填充速度、填充時間和模具的溫度分布等填充型腔的工藝條件。通過對此變速箱側蓋進行模流分析確定最優澆注系統方案為多點進澆方式（見圖1）。

圖1 澆注系統

按照以上澆注系統方案開展模流分析,結果見圖2。

圖2 模流分析

模流分析結果表明：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的沖擊作用。根據受力平衡，只要此長抽芯針定位足夠穩定，強度足夠高，可以避免在壓鑄成形過程中由于鋁液對其沖擊而導致的變形和偏擺。②從填充率為100%的溫度場可以看出，高壓油道長抽芯針所受溫度分布比較均勻，溫度梯度不明顯。同時生產過程中還可以通過調節鋁液溫度、模具溫度、噴涂時間、冷卻時間來削弱溫度場對高壓油道長抽芯針變形和偏擺影響。

1.2 壓鑄工藝參數選擇

壓鑄工藝參數對鑄件品質非常重要，其中溫度對高壓油道長抽芯針影響最大。當溫度過低時，高壓油道長抽芯針所受內外溫差大，鋁液就會對其產生強烈的沖擊，受到沖擊后很容易變形、開裂受損。當有高溫的鋁液注入時，長抽芯針的溫度會迅速上升，進行冷卻時，此處鋁液冷卻速度緩慢，導致鑄件會有縮孔、縮松等缺陷出現，使鑄件質量受到嚴重的影響。因此控制好高壓油道長抽芯針溫度不僅影響鑄件品質，而且對其變形和偏擺也有影響。其他條件控制不變，通過調節鋁液溫度、模具溫度、噴涂時間、冷卻時間來看鑄件內部質量以及高壓油道長抽芯針表面燒傷粘鋁。

表1 壓鑄工藝參數方案對比

結果發現，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。

經過對以上4種方案調試驗證，在保證鑄件內部品質的同時，又要保證長抽芯針表面外觀，最優的參數：鋁液溫度為660 ℃，模具溫度為150 ℃，噴涂時間為17 s，冷卻時間為11 s。

2、模具結構

高壓油道長抽芯針結構主要包括長抽芯針定位結構、針與針套配合結構、長抽芯針高壓點冷結構。

2.1長抽芯針定位結構

長抽芯針定位結構見圖3。可以看出，長抽芯針用T型連接結構（長抽芯針與連接桿是配合連接）不會導致針向前造成壁位薄；長抽芯針進入型腔位置有面限位保證長抽芯針成形長度尺寸，不會出現過程抽心向前移動的情況；長抽芯針有前后兩個部件定位，不會出現長抽芯針的抽離和插入動作的偏擺。因此，此長抽芯針定位穩定，在生產過程中造成抽芯針偏擺的可能性較小。

圖3 長抽芯針定位結構

2.2 針與針套配合結構

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。按照以往經驗值，此針與針套有效配合段長度為30 mm。實際生產發現，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，會導致長抽芯針定位不好，發生偏擺。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，但出現長抽芯針套因配合長度過長導致抽芯針卡死現象。

經過不斷改進優化針套結構，研究出分段式針套結構（見圖4），既減少抽芯針套因配合長度過長導致抽芯針卡死現象，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 針套漸變式結構

2.3 長抽芯針高壓點冷冷卻結構

對比研究了長抽芯針有高壓點冷冷卻和無高壓點冷冷卻兩種狀態下，長抽芯針的變形和偏擺。在其他條件保持不變的情況下，驗證長抽芯針有高壓點冷冷卻和無高壓點冷冷卻狀態下各壓鑄300模次后長抽芯針外觀情況。結果發現，長抽芯針有高壓點冷冷卻結構，壓鑄300模次之后針的外觀面光潔、無燒傷粘鋁；無高壓點冷冷卻結構壓鑄300模次之后針的外觀面燒傷、粘鋁嚴重。

采用高壓點冷冷卻結構（見圖5），通過對冷卻時間調整，可以將抽芯針溫度控制在適宜溫度范圍內，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 長抽芯高壓點冷冷卻結構

3、抽芯針材料

不同材料的抽芯針強度不一樣。選用不同材料的抽芯針，在其他條件保持不變的情況下，進行壓鑄驗證，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號材料為熱作模具鋼，硬度為HRC 40~50，材料屈服強度為490~685 MPa，抗拉強度為685~985 MPa；2號材料是在1號材料上進行改良，保留了1號材料的優點，并且得到更好的耐熱裂紋性；3號材料為高速鋼，硬度≥56HRC；4號為特殊熱作模具鋼，硬度為52~57HRC，高硬度，高韌性和極高熱穩定性。隨著壓鑄模次增加，從同心度的變化可以看出，1號材料、2號材料、3號材料的抽芯針在壓鑄模次未達到1.5萬就出現抽芯針同心度大于所要求值0.25。4號材料的抽芯針的同心度隨著壓鑄模次增加穩定較好，且壓鑄模次達到4.3萬模次，同心度仍小于所有要求值0.25。說明4號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號材料的抽芯針，同時抽芯針壽命收嚴至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

可以建立簡單數學模型（見圖7），可以看出，如抽芯針模具結構足夠穩定的情況下，x方向的分解的力與所受模具結構反作用力的合力為0，抽芯針僅受y方向力的影響。模具結構的穩定性影響x方向的受力。y方向的受力不僅受壓鑄生產工藝影響，而且受抽芯針本身材料強度的影響。因此為了減少生產過程中鋁液對抽芯針的沖擊力F1，F2，F3…，FN而導致抽芯針的變形和偏擺影響。

圖7 抽芯針受力數學模型

多點進澆方式，鋁液溫度為660 ℃,模具溫度為150 ℃,噴涂時間為17  s，冷卻時間為11 s對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冷冷卻，研發出長抽芯針與針套配合段分段式結構，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材料抽芯針強度可滿足此抽芯針實際所需承受的力，減少抽芯針變形和偏擺的可能性。

4、結語

按照以上壓鑄生產工藝、模具結構、采用W360材料抽芯針，我司變速箱側蓋高壓油道長抽芯針未出現變形和偏擺導致油道孔壁厚問題。

作者：

李秋旭
廣東鴻圖南通壓鑄有限公司

孫永明 吳廣堅 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