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摘要：铝合金凭借其低密度、高强度、耐腐蚀、易加工等优势在汽车工业发展中的应用越来越多，但铝合金壳体压铸工艺尚不完善，在一定程度上制约了壳体铸件质量的提升。对此，本文分析了某款铝合金壳体铸件的质量缺陷和工艺特点，并就其压铸工艺的控制和改进作了探讨，以供参考。
关键词：铝合金壳体；压铸工艺；缩孔缩松缺陷
当下汽车结构在不断变化，且朝着小型化、轻质化和经济化方向发展，所用的铁铸件也逐步被铝合金铸件代替，不过其中的铝合金壳体压铸因受形状不规则、强度要求严格、作业环境恶劣等因素的影响，容易出现质量缺陷，降低了产品的合格率，故研究铝合金壳体的压铸工艺非常必要。
一、铝合金壳体压铸工艺的现状分析
1.铝合金壳体铸件的缺陷
为更为直观的了解铝合金壳体的压铸工艺，在此以汽车方向机壳体为例加以分析。已知对于汽车转向而言，方向机壳体的质量高低直接关乎汽车的安全性能，通常要求该铸件表面无裂纹，且耐磨、气密性好[1]。某企业生产的汽车铝合金方向机壳体属于厚壁铸件，有着复杂的结构和多个壁厚较大的成型孔，外形尺寸为82.1 mm×73.2 mm×70.1mm，平均壁厚和最大壁厚分别为6.05mm和15.9mm；采用的铝合金为铸造性好、质轻耐腐的ADC12材质。但在实际生产过程中，铝合金方向机壳体不仅表面伴有气孔，内部还存在较为严重的缩孔缩松等缺陷，降低了产品合格率，亟待进行压铸工艺分析与优化。
2.铝合金壳体的压铸工艺
为进一步确定方向机壳体压铸工艺的不足之处，对其原铸造工艺作了数值模拟。对于浇筑系统，基于四个横浇道用于进料，内浇口的截面积和厚度分别为108.2mm2和2.0mm，溢流口厚度也是2.0mm。用于浇筑的模具采用的是H13,材料，模具预热和浇筑温度分别为160℃和630℃，压射速度设定的是1.4m/s。对于充型过程，基于Any Casting软件进行了模拟，结果发现，当充型50%时，只有2个横浇道因较短使得金属液到达内浇口，另外2个因较长不仅与内浇口有一段距离，还存在较多的卷气；充型65%时，较短和较长的横浇道内的金属液分别呈现填充型腔和到达内浇口的状态，致使两者因冲击发生絮流；充型80%时，填充较多的金属液出现了明显的卷气；充型90%时，虽然只有少数部位未填充但也易出现卷气，且气体难以排除引发缩孔缩松缺陷[2]。对于凝固过程也进行了模拟，发现方向机壳体铸件的不同位置有着不同的凝固速度和分布，如铸件末端溢流槽和较短横浇道分支端口因已凝固无法补缩金属液，侧面分支横浇道也已凝固影响了金属液的补缩，内浇口全部凝固，型腔与横浇道之间的金属液被分割，故无法进行补缩进而容易发生缺陷，上部圆筒及其周围也是容易出现缺陷的位置，而且由于内浇口过早凝固，加之不合理的后期温度场，致使型腔容易出现缩孔缩松缺陷。后借助残余熔体法加以分析后预测边缘法兰环与圆筒交界位置最容易出现缺陷，具体见图1。
图1 方向机壳体原工艺方案凝固过程缺陷模拟
二、铝合金壳体压铸工艺的控制方法
1.改进压铸方案
首先是改进浇筑系统，具体的说包括横浇道和内浇口两个方面，由于基于原工艺之下的4个横浇道金属液虽然为同时进料，但到达内浇口所用的时间不尽相同，引发了絮流问题，故将进料的横浇道数量调整为2个，并使其截面积与长度分别为567mm2和70mm。同时借助流量计算法对内浇口的面积作了计算和分析，将其设为90.8nm2，并增加厚度至3mm，用于充填速度的控制和降低。其次是设计排溢系统，目的在于卷气现象的防治，在原有的排气槽和溢流槽的基础上加以重新设计，调整2.0mm的溢流口厚度为1.5mm。再者是增设冷却系统，即为合理化模具热循环，结合该铸件的结构特点，增设了直径为6mm的冷却水道，型式为局部环绕式，针对浇口杯时间偏长的问题，还利用了环形水套对浇口套进行冷却，连接方式为焊接[3]。最后是模拟改进方案，即在不改变原有工艺参数的前提下对改进后的压铸方案进行模拟，后经分析发现，金属液流动分布较之以往更加合理，卷气现象有所改善，排气作用良好，而且温度场更为均衡，在冷却系统的影响下温度梯度较小，重要的是典型截面的缩孔缩松缺陷的概率得以显著降低。
2.优化工艺参数
为了切实降低方向机壳体铸件缺陷风险，保证其质量达标，还应对关键的工艺参数进行优化，其中浇筑温度、模具预热温度以及压射速度与铸件缩孔缩松缺陷关系密切，通过对三因素采取三水平正交试验（见表1），确定当浇筑温度、模具预热温度和压射速度分别为610℃、170℃和1.2m/s时，铸件中的两个典型截面缺陷总面积最小，故将其设为最佳工艺参数。
表1 三因素三水平正交表
3.进行生产验证
在综合采用改进后的压铸方案和优化后的工艺参数的基础上，利用力劲DC550压铸机在压铸生产铝合金方向机壳体后，得到了表面光滑、无明显缺陷的铸件，后经线切割机将其典型截面剖开分析，配以金相试样和显微观察，确定铸件内部缩孔缩松缺陷大幅减少。由此证明，选用2个横浇道进料和3mm厚度的内浇口，有助于絮流现象的改善，排气系统的重新设计有助于卷气现象的控制，冷却系统的增设有助于温度场的均衡分布，同时将汽车方向机壳体压铸工艺中的浇筑和模具预热温度分别设为610℃和170℃，配以1.2m/s的压射速度，铝合金方向机壳体的压铸质量明显提高，缺陷概率随之降低，故该优化方案合理有效。
结束语：
总之，铝合金壳体压铸有着较长的工艺流程，整个过程也较难控制，因此为降低铸件的质量缺陷，就必须加强压铸工艺的分析，通过优化压铸方案和工艺参数，改善生产现状，提高铝合金壳体铸件的合格率，进而为其他大型壳体的批量优质生产积累经验、奠定基础。
参考文献：
[1]陈鹏飞,米国发,王有超,王凯,周志杰.铝合金壳体压铸工艺设计及优化[J].特种铸造及有色合金,2019,39(01):49-52.
[2]裴红蕾.铝合金汽车方向机壳体压铸工艺优化[J].热加工工艺,2018,47(11):79-83.
[3]熊博文,万红.铝合金节温器壳体压铸工艺数值模拟与优化[J].特种铸造及有色合金,2017,37(08):869-872.
论文作者:李宇航
论文发表刊物:《科技研究》2019年4期
论文发表时间:2019/6/18
标签：压铸论文; 壳体论文; 铝合金论文; 浇口论文; 工艺论文; 铸件论文; 缺陷论文; 《科技研究》2019年4期论文;