原標題:鋁合金變速箱外殼壓鑄模設計及工藝分析

摘 要:針對鋁合金鑄件在壓鑄充填過程中常伴有氣孔、縮孔、冷隔等缺陷的現象，以汽車鋁合金變速箱外殼為例，分析變速箱外殼的結構特征，對其澆注系統、冷卻系統、抽芯結構進行設計，確定最佳工藝參數，經過試驗與分析，最終經過實際壓鑄生產驗證，確定了工藝方案的合理性。結果表明：當定模溫度為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，鑄件成形品質較好。合理壓鑄工藝設計不僅能提高生產效率以及產品的合格率，還能簡化模具設計制造流程，減少模具開發成本。

前 言：鋁合金具有密度小、強度較高、耐腐蝕、耐磨、導熱性能好、易于加工、外形美觀等方面的優點，廣泛應用于汽車、航空、機械、通訊等領域。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，約占壓鑄件總產量的75%以上。壓鑄成形具有產品質量好、尺寸精度高、適合大批量生產等多方面的優勢。在生產過程中，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合格率。隨著汽車領域對鋁合金鑄件產品的要求越來越嚴苛，需要鑄造行業不斷優化壓鑄工藝來滿足產品性能的需求。

1、產品結構分析

某新研發的汽車鋁合金變速箱外殼如圖1所示，產品結構十分復雜，表面遍布輸油管、加強筋、安裝孔等凹凸結構，因此模具具有側抽芯機構。變速箱外殼壁厚分析如圖2所示。產品材料為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，交樣要求為孔隙率不高于5%，氣孔不大于3 mm。

圖1 產品結構圖

圖2 產品壁厚分析圖

2、模具設計

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，方便頂出，并設置在壓鑄件外形尺寸輪廓的最大斷面處。由于該產品結構十分復雜，內部的結構無法直接成形，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。且產品需設置一定的脫模斜度，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計的關鍵。

圖3 分型面圖

2.2?澆注系統的設計

2.2.1 內澆道的設計

內澆道是壓鑄工藝方案中最重要的一個要素，直接決定產品質量和生產過程。它設置在重要或流動不好的產品部位，盡可能保證型腔內部流動形態一致和平穩。計算公式見式（1）。
                                An =G/ρvgt （1）
式中：An 為內澆道截面積，㎡ ；G為通過內澆道金屬液的質量，這里取10.9 kg；ρ 為金屬液密度，取2.7×103 kg/m³ ；vg 為內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）計算An 為1 441 m㎡ 。

2.2.2 橫澆道與排溢系統設計

橫澆道用以連接直澆道和內澆道，且橫澆道的截面積的設計應能使直澆道到內澆道越來越小，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渦流。排溢系統的設計是確保鑄件品質的重要部分，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。產品的結構特征決定了橫澆道的排布方式，一般根據模流分析的結果確定渣包位置的排布。排氣槽的功能對壓鑄件內部氣孔有非常大的影響，理想狀態是排氣槽的截面積達到內澆道截面積的50%以上。排氣槽一般與溢流槽配對采用，排氣槽的日常維護及清理是確保正常生產所必須的。

2.3?冷卻系統的設計

壓鑄模具中，冷卻系統的設計有利于控制模具的溫度，使其內部的熱量達到一個動態平衡的狀態，從而保證產品的質量。圖4為動定模冷卻水路圖。圖5為含冷卻系統的產品澆注系統三維模型，冷卻系統包含水路以及一些針對某些特定位置設計的高壓點冷機構，高壓點冷設置在凝固時間較長的區域，單獨給該位置降溫。

圖4 動定模冷卻水路圖

圖5 含冷卻系統的產品澆注系統圖

2.4?抽芯機構設計

對于與分模方向不一致的側孔、側凹不易直接成形區域，一般采用抽芯結構。壓鑄過程中，對于該變速箱外殼而言，開模順序為動定模分開后，先抽芯后頂出。如圖6所示，對于圖中標方框的兩個側孔，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構成形。根據產品結構特征，將這兩個液壓油缸抽芯結構設置在動模上。圖7為該產品的壓鑄模具圖。

圖6 鑄件外觀結構圖

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、壓鑄機及工藝參數的選擇

3.1?壓鑄機的選型

壓鑄機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時的脹型力，從而鎖緊模具的分型面，以達到防止鋁液飛濺的目的。通常情況下，模具的鎖模力應大于理論計算得出的脹型力。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，產生飛邊等缺陷，嚴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）有抽芯機構時，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、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）鎖模力的計算：
                                   T=KF總 （4）

式中：K為安全系數，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°。經計算，所需要的鎖模力要不低于31 161.6 kN。根據鎖模力的計算結果以及安裝尺寸、開模行程等校核，使用3200T或以上壓鑄機，最終選擇壓鑄機型號為：布勒3200T。另該壓鑄機壓室容量和安裝尺寸等參數也均滿足要求。

3.2?壓鑄工藝參數選擇

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

3.2.1 模具預熱溫度

模具的預熱溫度對于產品的品質具有重要影響，一般模具預熱溫度在180 ℃以上，且為澆注溫度的1/3左右，薄壁或結構復雜的產品可適當調高，此時，鑄件品質較好。若模具預熱溫度設置過低，鑄件由于收縮應力變大，易產生裂紋；模具預熱溫度過高，預熱時間增加，延長生產節拍，降低生產效率。經過多次調試，較合理的模具預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。澆注溫度對產品質量有重要的影響，溫度過高凝固時收縮大、氣體溶解度大、鑄件容易產生裂紋、晶粒粗大及粘型；溫度過低易產生澆不足、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，經過多次試驗，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直至沖頭將壓室中的鋁液推入內澆道的運動過程，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量有著十分密切的聯系，沖頭壓射速度過低，鑄件無法成形或成形品質較差。提高壓射速度，從而提高熔融鋁液的流動性，能避免流痕、冷隔等缺陷的產生。經過多次實踐，該產品的最佳快壓射速度取4.5 m/s。內澆道的壓射速度與快壓射速度的關系為：
             VnAn =VkAk （5）

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

4、壓鑄生產過程

本產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增壓壓實階段。

壓射過程結束后壓鑄機開模，同時靜模抽芯機構抽芯-繼續開模、動模抽芯-繼續開模并頂出壓鑄件-取件機械手取出壓鑄件-噴涂機械手噴涂脫模劑，完成一次壓鑄過程循環。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。后續經機加工后，在測試臺通過了高低壓測漏試驗的驗證。

圖8 鋁合金變速箱外殼壓鑄件

5、結論
（1）根據鋁合金變速箱外殼的結構特征，對其進行壓鑄模設計。設計的主要包括：分型面的確定、澆注系統的設計、冷卻系統的設計、抽芯結構的設計等。壓鑄模的結構對鑄件的成形質量有著重要影響。
（2）經過多次試驗，最佳工藝參數為：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，鑄件成形品質較好，經檢驗測試，滿足技術要求。
（3）針對鋁合金壓鑄件出現的氣孔、冷隔、泄漏等問題，通過優化壓鑄工藝，可以大大減少生產成本，縮短生產周期，提高經濟效益。

作者
周倩 黃明宇
南通大學機械工程學院
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