.jpg) 原標(biāo)題:鋁合金變速箱外殼壓鑄模設(shè)計(jì)及工藝分析 摘 要:針對(duì)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(xiàn)象，以汽車鋁合金變速箱外殼為例，分析變速箱外殼的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)其澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、抽芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定最佳工藝參數(shù)，經(jīng)過試驗(yàn)與分析，最終經(jīng)過實(shí)際壓鑄生產(chǎn)驗(yàn)證，確定了工藝方案的合理性。結(jié)果表明：當(dāng)定模溫度為200 ℃、動(dòng)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(nèi)澆道的壓射速度為48 m/s、留模時(shí)間為30 s時(shí)，鑄件成形品質(zhì)較好。合理壓鑄工藝設(shè)計(jì)不僅能提高生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品的合格率，還能簡化模具設(shè)計(jì)制造流程，減少模具開發(fā)成本。 前 言：鋁合金具有密度小、強(qiáng)度較高、耐腐蝕、耐磨、導(dǎo)熱性能好、易于加工、外形美觀等方面的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、航空、機(jī)械、通訊等領(lǐng)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(chǎn)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?jí)鸿T件總產(chǎn)量的75%以上。壓鑄成形具有產(chǎn)品質(zhì)量好、尺寸精度高、適合大批量生產(chǎn)等多方面的優(yōu)勢。在生產(chǎn)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(huì)產(chǎn)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(chǎn)合格率。隨著汽車領(lǐng)域?qū)︿X合金鑄件產(chǎn)品的要求越來越嚴(yán)苛，需要鑄造行業(yè)不斷優(yōu)化壓鑄工藝來滿足產(chǎn)品性能的需求。 1、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析 某新研發(fā)的汽車鋁合金變速箱外殼如圖1所示，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，表面遍布輸油管、加強(qiáng)筋、安裝孔等凹凸結(jié)構(gòu)，因此模具具有側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)。變速箱外殼壁厚分析如圖2所示。產(chǎn)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(yán)，交樣要求為孔隙率不高于5%，氣孔不大于3 mm。
圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖
圖2 產(chǎn)品壁厚分析圖 2、模具設(shè)計(jì) 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(dòng)模側(cè)，方便頂出，并設(shè)置在壓鑄件外形尺寸輪廓的最大斷面處。由于該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)無法直接成形，且與動(dòng)定模開模方向不一致的部位，這時(shí)候需要借助滑塊來成形。且產(chǎn)品需設(shè)置一定的脫模斜度，以便于后期的開模。上、下、右滑塊以及動(dòng)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(dòng)定模的分型線。確定合適的分型面是模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
圖3 分型面圖 2.2?澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.2.1 內(nèi)澆道的設(shè)計(jì)
內(nèi)澆道是壓鑄工藝方案中最重要的一個(gè)要素，直接決定產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過程。它設(shè)置在重要或流動(dòng)不好的產(chǎn)品部位，盡可能保證型腔內(nèi)部流動(dòng)形態(tài)一致和平穩(wěn)。計(jì)算公式見式（1）。
2.2.2 橫澆道與排溢系統(tǒng)設(shè)計(jì) 壓鑄模具中，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有利于控制模具的溫度，使其內(nèi)部的熱量達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量。圖4為動(dòng)定模冷卻水路圖。圖5為含冷卻系統(tǒng)的產(chǎn)品澆注系統(tǒng)三維模型，冷卻系統(tǒng)包含水路以及一些針對(duì)某些特定位置設(shè)計(jì)的高壓點(diǎn)冷機(jī)構(gòu)，高壓點(diǎn)冷設(shè)置在凝固時(shí)間較長的區(qū)域，單獨(dú)給該位置降溫。
圖4 動(dòng)定模冷卻水路圖
圖5 含冷卻系統(tǒng)的產(chǎn)品澆注系統(tǒng)圖 2.4?抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 對(duì)于與分模方向不一致的側(cè)孔、側(cè)凹不易直接成形區(qū)域，一般采用抽芯結(jié)構(gòu)。壓鑄過程中，對(duì)于該變速箱外殼而言，開模順序?yàn)閯?dòng)定模分開后，先抽芯后頂出。如圖6所示，對(duì)于圖中標(biāo)方框的兩個(gè)側(cè)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(gè)位置均采用液壓油缸抽芯結(jié)構(gòu)成形。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征，將這兩個(gè)液壓油缸抽芯結(jié)構(gòu)設(shè)置在動(dòng)模上。圖7為該產(chǎn)品的壓鑄模具圖。
圖6 鑄件外觀結(jié)構(gòu)圖
1.鎖模柱 2.底板 3.固定塊 4.頂針 5.動(dòng)?？?6.動(dòng)模芯 7.定模芯 8.集水器 9.油缸支架 10.油缸 11.活動(dòng)鑲塊 12.冷卻水管 13.定?？?14.熔杯 圖7 壓鑄模具平面布置圖 3、壓鑄機(jī)及工藝參數(shù)的選擇 3.1?壓鑄機(jī)的選型 壓鑄機(jī)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(chǎn)時(shí)的脹型力，從而鎖緊模具的分型面，以達(dá)到防止鋁液飛濺的目的。通常情況下，模具的鎖模力應(yīng)大于理論計(jì)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(chǎn)生飛邊等缺陷，嚴(yán)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(shí)的脹型力：
（2）有抽芯機(jī)構(gòu)時(shí)，楔緊塊的斜面所受的法向作用力： 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(tǒng)、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(cè)向活動(dòng)型芯成形部分投影面積，㎡；α 為楔緊塊傾斜角。
（3）鎖模力的計(jì)算： 式中：K為安全系數(shù)，這里取1.2。查鋁合金壓射比壓推薦值，對(duì)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(jīng)計(jì)算，所需要的鎖模力要不低于31 161.6 kN。根據(jù)鎖模力的計(jì)算結(jié)果以及安裝尺寸、開模行程等校核，使用3200T或以上壓鑄機(jī)，最終選擇壓鑄機(jī)型號(hào)為：布勒3200T。另該壓鑄機(jī)壓室容量和安裝尺寸等參數(shù)也均滿足要求。 3.2?壓鑄工藝參數(shù)選擇 壓鑄工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)為流動(dòng)、凝固及成形理論。選擇合理的壓鑄工藝參數(shù)，進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)試運(yùn)行。壓室直徑確定為140 mm，探究最佳模具的預(yù)熱溫度、澆注溫度、沖頭速度的壓鑄工藝參數(shù)。將模具預(yù)熱溫度設(shè)置為140、160、180、200和220 ℃，澆注溫度設(shè)置為650、670、680、690和700 ℃，壓射速度設(shè)置為0.1、2.5、3.5、4.0和4.5 m/s。依次進(jìn)行多次正交試驗(yàn)，分析比較得出最佳工藝參數(shù)。 3.2.1 模具預(yù)熱溫度 模具的預(yù)熱溫度對(duì)于產(chǎn)品的品質(zhì)具有重要影響，一般模具預(yù)熱溫度在180 ℃以上，且為澆注溫度的1/3左右，薄壁或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品可適當(dāng)調(diào)高，此時(shí)，鑄件品質(zhì)較好。若模具預(yù)熱溫度設(shè)置過低，鑄件由于收縮應(yīng)力變大，易產(chǎn)生裂紋；模具預(yù)熱溫度過高，預(yù)熱時(shí)間增加，延長生產(chǎn)節(jié)拍，降低生產(chǎn)效率。經(jīng)過多次調(diào)試，較合理的模具預(yù)熱溫度控制在定模為200 ℃，動(dòng)模為220 ℃。 3.2.2 澆注溫度 澆注溫度是熔融金屬從壓室進(jìn)入型腔的平均溫度，以保溫爐上的溫度值表示。澆注溫度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有重要的影響，溫度過高凝固時(shí)收縮大、氣體溶解度大、鑄件容易產(chǎn)生裂紋、晶粒粗大及粘型；溫度過低易產(chǎn)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(guān)，經(jīng)過多次試驗(yàn)，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(gè)階段：慢壓射速度和快壓射速度。慢壓射階段是指沖頭推動(dòng)鋁液前進(jìn)直至沖頭將壓室中的鋁液推入內(nèi)澆道的運(yùn)動(dòng)過程，快壓射階段是指鋁液充滿型腔時(shí)沖頭的壓射速度?？靿荷渌俣扰c充型質(zhì)量有著十分密切的聯(lián)系，沖頭壓射速度過低，鑄件無法成形或成形品質(zhì)較差。提高壓射速度，從而提高熔融鋁液的流動(dòng)性，能避免流痕、冷隔等缺陷的產(chǎn)生。經(jīng)過多次實(shí)踐，該產(chǎn)品的最佳快壓射速度取4.5 m/s。內(nèi)澆道的壓射速度與快壓射速度的關(guān)系為： 式中：Vn 為內(nèi)澆道的壓射速度，m/s；An 為內(nèi)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(nèi)孔面積，壓室直徑為140 mm。經(jīng)計(jì)算，得內(nèi)澆道的速度為48 m/s。 4、壓鑄生產(chǎn)過程 本產(chǎn)品壓射過程分五個(gè)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(shí)階段。 壓射過程結(jié)束后壓鑄機(jī)開模，同時(shí)靜模抽芯機(jī)構(gòu)抽芯-繼續(xù)開模、動(dòng)模抽芯-繼續(xù)開模并頂出壓鑄件-取件機(jī)械手取出壓鑄件-噴涂機(jī)械手噴涂脫模劑，完成一次壓鑄過程循環(huán)。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(xù)經(jīng)機(jī)加工后，在測試臺(tái)通過了高低壓測漏試驗(yàn)的驗(yàn)證。
圖8 鋁合金變速箱外殼壓鑄件
5、結(jié)論
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