摘要：針對(duì)國產(chǎn)新一代高性能變速箱殼體，通過模流分析，有效預(yù)測(cè)產(chǎn)品制造風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化澆注系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)。通過機(jī)器人自動(dòng)取件，有效降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。通過壓鑄缺陷分析和改善，保證了產(chǎn)品的品質(zhì)，使產(chǎn)品得到量產(chǎn)。

變速箱是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要零部件。但是，變速箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚變化大，品質(zhì)、加工尺寸精度和氣密性要求高，導(dǎo)致產(chǎn)品制造困難，廢品率高，需要對(duì)壓鑄工藝進(jìn)行研究和改進(jìn)。

某款變速箱殼體，材質(zhì)為AlSi9Cu3(Fe)，輪廓尺寸為560 mm×440 mm×400 mm，一般壁厚是3.5 mm，產(chǎn)品質(zhì)量是15.18 kg。該產(chǎn)品年產(chǎn)量5萬件，內(nèi)部要求符合ASTM E 505標(biāo)準(zhǔn)，鋁合金氣（縮）孔等級(jí)為1，密封位置加工后氣孔直徑小于0.4 mm，間隔大于8 mm，數(shù)量小于3個(gè)；毛坯表面不允許有鑄點(diǎn)、冷隔、裂紋、飛邊、毛刺等缺陷；氣密性要求內(nèi)腔在70 kPa的空氣壓力下，泄漏量小于3  mL/min。

通過分析對(duì)該款變速箱殼體的壓鑄工藝設(shè)計(jì)、壓鑄缺陷的原因分析和工藝改進(jìn)，提出類似產(chǎn)品的典型壓鑄缺陷問題解決方法。

一、壓鑄工藝設(shè)計(jì)

1、壓鑄機(jī)型選擇

壓鑄時(shí)，為了保證鑄件尺寸精度和內(nèi)部質(zhì)量，防止壓鑄過程飛料，必須鎖緊分型面。因此壓鑄機(jī)型選擇依據(jù)壓鑄機(jī)鎖模力大小的計(jì)算。

鑄造總投影面積：

A_{鑄造投影面積}=A_{產(chǎn)品}+A_澆道+A_溢流槽=2829cm²；A_{抽芯投影面積}=A_抽芯×tan15°=121 cm²；F_鎖≥安全系數(shù)×壓射比壓× (A_{鑄造投影面積}+A_{抽芯投影面積}) =3 0680 kN

根據(jù)鎖模力計(jì)算結(jié)果和公司壓鑄機(jī)臺(tái)資源，選擇IDRA的37 000 kN壓鑄機(jī)。
為了進(jìn)一步確認(rèn)壓鑄機(jī)型選擇是否合理，進(jìn)行壓室充滿度核算。

K=G/(ρπR²L) =46.7%

式中，G為澆注質(zhì)量，g；K為壓室充滿度；R為壓射沖頭半徑，cm；ρ為鋁合金密度，g/cm³；L為空壓射有效長(zhǎng)度，cm。

壓室充滿度計(jì)算結(jié)果46.7%，符合標(biāo)準(zhǔn)30%~75%范圍要求，壓鑄機(jī)選型可行。

2、壓鑄模具設(shè)計(jì)

內(nèi)澆口設(shè)計(jì)應(yīng)該使鋁液的充型過程距離盡可能短，以減少鋁液溫度的降低；澆口位置應(yīng)該使鋁液到達(dá)型腔各處位置距離相等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離部位同時(shí)充填和凝固；應(yīng)該設(shè)置在壓鑄件厚壁處，以實(shí)現(xiàn)順序填充、壓力補(bǔ)縮。根據(jù)該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、高內(nèi)部質(zhì)量要求和金屬液填充流向的需要，澆注系統(tǒng)采用扇形設(shè)計(jì)，澆口厚度為5 mm，位于產(chǎn)品壁厚5 mm分型線位置，設(shè)置在下滑塊上。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖1，模具設(shè)計(jì)見圖2和圖3。

圖1：澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3、模流分析

為了提高模具方案設(shè)計(jì)的合理性，按照符合實(shí)際的壓鑄工藝參數(shù)及邊界條件進(jìn)行各個(gè)階段的參數(shù)定義，通過Magma軟件進(jìn)行模流分析。模流分析工藝參數(shù)見表1。

表1：模流分析工藝參數(shù)表

圖4為填充溫度分析。可以看出，型腔100%填充后，鑄件整體的溫度在620~640℃，均高過液相線溫度578℃，鑄件因鋁液溫度下降出現(xiàn)冷隔的風(fēng)險(xiǎn)較小。圖5為填充速度分析。,可以看出，鑄件在內(nèi)澆口的速度值約為55 m/s，符合設(shè)計(jì)要求。圖6為凝固過程分析。凝固過程中的溫度場(chǎng)變化，顯示了從料餅到關(guān)鍵部位的補(bǔ)縮路徑，孤島區(qū)域在25%以上，容易有縮孔。表明孤島區(qū)域有縮孔風(fēng)險(xiǎn)。圖7為熱節(jié)分析。可以看出鑄件內(nèi)部存在局部厚大區(qū)域，容易形成熱節(jié)。圖8為縮孔分析?？梢钥闯鰺峁?jié)處容易產(chǎn)生縮孔，可以應(yīng)用點(diǎn)冷工藝加強(qiáng)冷卻或擠壓工藝增加鋁液的補(bǔ)縮。通過工藝分析，選擇高壓冷卻水冷卻工藝。

4、壓鑄工藝參數(shù)

壓鑄工藝參數(shù)選擇是：低速壓射速度為0.2±0.1 m/s；高速壓射速度為5.5±0.5 m/s；高速距離為550±10 mm；增壓距離為650±10 mm；澆注溫度為660±10℃

5、機(jī)器人自動(dòng)取件

因?yàn)楫a(chǎn)品凈重為15.18 kg，澆注系統(tǒng)質(zhì)量為9.32 kg，采用機(jī)器人取件。取件手由3部分組成，分別是左側(cè)的三爪卡盤定位機(jī)構(gòu)、右側(cè)的氣缸連桿夾緊機(jī)構(gòu)和下方料柄抓緊機(jī)構(gòu)組成。首先，左側(cè)的三爪卡盤伸進(jìn)制品左側(cè)的圓孔內(nèi)，并撐開漲緊，固定產(chǎn)品位置。

其次，右側(cè)連桿夾緊機(jī)構(gòu)通過外面的兩個(gè)支撐柱頂住產(chǎn)品，2個(gè)仿形夾爪通過2組氣缸進(jìn)行夾緊。2個(gè)仿形夾爪的夾緊位置選擇在工件的2個(gè)加強(qiáng)筋位置，防止了工件變形的可能。

最后，料柄抓緊機(jī)構(gòu)通過下方平行氣缸夾緊料柄，平行氣缸上方裝有帶導(dǎo)軌的軟浮動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以保證在夾緊料柄的同時(shí)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)料柄的中心。

二、壓鑄缺陷分析及改進(jìn)：

產(chǎn)品油冷器回油孔直徑為14 mm，深度為6 mm，采用密封圈進(jìn)行密封，要求孔內(nèi)腔表面氣孔直徑小于0.4 mm，間隔大于8 mm，數(shù)量小于3個(gè)。實(shí)際試制發(fā)現(xiàn)，縮孔尺寸為2 mm×1.5 mm×2 mm，嚴(yán)重超標(biāo)，比例達(dá)到90%，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品泄漏?？s孔缺陷位置及大小見圖9。

圖9：回油孔氣孔位置及大小

縮孔產(chǎn)生的原因是，油冷器回油孔位置局部厚大，達(dá)到20 mm，屬于熱節(jié)，由于孔表面起密封作用，質(zhì)量要求非常高，即使壓鑄出毛坯孔也不能有效保證。

針對(duì)產(chǎn)品油冷器回油孔位置局部厚大產(chǎn)生縮孔問題，通過在模具上滑塊對(duì)應(yīng)位置增加擠壓銷進(jìn)行解決。擠壓有2種方案，一種是面擠壓，效果較好，可以有效解決內(nèi)部有較大的縮孔問題，但擠壓銷套需要打磨或加工去除，孔加工余量大，制造成本高；另一種是孔擠壓，效果一般，只可以解決孔表面較小的縮孔問題，但沒有銷套殘留，孔加工余量小，制造成本低。由于該產(chǎn)品回油孔縮孔缺陷較小，通過綜合考慮，選擇孔擠壓。上滑塊擠壓方案見圖10。擠壓銷和擠壓銷套結(jié)構(gòu)見圖11和圖12。

圖10：擠壓方案

在實(shí)際應(yīng)用過程中擠壓銷工藝壓效果不好，加工完成仍然有縮孔產(chǎn)生。主要原因是孔加工完成后是臺(tái)階孔，導(dǎo)致孔的加工余量較大，擠壓量不足以消除縮孔。通過改進(jìn)擠壓針套，按照臺(tái)階孔尺寸進(jìn)行仿形擠壓，使孔的單邊加工余量保證在0.5 mm，有效解決縮孔問題，合格率達(dá)到100%。擠壓銷套改進(jìn)見圖12。

產(chǎn)品小端軸承孔，直徑為73 mm，深度為30 mm，安裝一個(gè)剛性軸承和一個(gè)塑性軸承，要求孔內(nèi)腔表面氣孔直徑小于0.7 mm，間隔大于15 mm，數(shù)量少于3個(gè)。實(shí)際試制發(fā)現(xiàn)，縮孔直徑為3 mm，超出產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)生比例達(dá)到45%，影響產(chǎn)品的裝配性。縮孔缺陷位置及大小見圖13。

圖13：軸承孔縮孔位置及大小

原因是缺陷位置屬于最后充填位置，模具溫度較低，容易產(chǎn)生縮孔。針對(duì)產(chǎn)品小端軸承孔縮孔，重點(diǎn)是控制模具溫度，措施如下。

（1）通過使用模溫機(jī)來進(jìn)行模具溫度平衡控制。動(dòng)模設(shè)計(jì)W11、W12 兩組；下滑塊設(shè)計(jì)W30、W31 兩組；左滑塊設(shè)計(jì)W40 一組；上滑塊設(shè)計(jì)W60、W61 兩組；右滑塊設(shè)計(jì)W70、W71  兩組，模溫機(jī)設(shè)定模具溫度為220±10 ℃，回油溫度為170±10 ℃。實(shí)際使用時(shí)，需要模具上模完成后，打開模溫機(jī)進(jìn)行預(yù)熱，全部直冷、點(diǎn)冷暫不開，約1 h模具回油溫度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，開始增壓高速熱模。模溫控制設(shè)計(jì)見圖14。

圖14：模溫控制設(shè)計(jì)

（2）通過增加電磁閥對(duì)模具左滑塊高壓冷卻水冷卻時(shí)間進(jìn)行控制。左滑塊W45-53是普通冷卻水道，W41-W44是高壓冷卻水道。電磁閥收到壓鑄機(jī)射頭移動(dòng)信號(hào)后，通過延時(shí)閥、計(jì)時(shí)器進(jìn)行高壓冷卻水工作時(shí)間控制，避免高壓冷卻水長(zhǎng)期工作，降低模具局部溫度。由于收到電磁閥信號(hào)立即開始冷卻，延時(shí)閥設(shè)定0 s；由于留模時(shí)間設(shè)定20 s，計(jì)時(shí)器設(shè)定15s。冷卻時(shí)間控制見圖15。

綜上所述，通過模溫機(jī)、高壓冷卻水冷卻時(shí)間控制措施，有效地保證了產(chǎn)品壓鑄過程中，模具溫度穩(wěn)定在220 ℃左右，解決了縮孔問題，缺陷比例降低到0.2%以下。

圖15：冷卻時(shí)間控制

三、結(jié)論

（1）通過模流分析，可以有效地評(píng)估產(chǎn)品壓鑄工藝設(shè)計(jì)的可行性及可能發(fā)生缺陷的位置，優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，避免模具報(bào)廢或重大維修。

（2）通過靈活應(yīng)用擠壓工藝，可以在滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的前提下，降低產(chǎn)品的制造成本，實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)。

（3）通過設(shè)計(jì)輔助工裝，控制高壓冷卻起點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間，可以有效地調(diào)整模具溫度，使模具整體溫度平衡，避免壓鑄缺陷產(chǎn)生。

作者：周海軍 陸建成 伍世添 常移遷
廣東鴻圖南通壓鑄有限公司