摘要：針對國產新一代高性能變速箱殼體，通過模流分析，有效預測產品制造風險，優化澆注系統工藝設計。通過機器人自動取件，有效降低工人的勞動強度，提高生產效率。通過壓鑄缺陷分析和改善，保證了產品的品質，使產品得到量產。

變速箱是汽車傳動系統的重要零部件。但是，變速箱結構復雜，壁厚變化大，品質、加工尺寸精度和氣密性要求高，導致產品制造困難，廢品率高，需要對壓鑄工藝進行研究和改進。

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

通過分析對該款變速箱殼體的壓鑄工藝設計、壓鑄缺陷的原因分析和工藝改進，提出類似產品的典型壓鑄缺陷問題解決方法。

一、壓鑄工藝設計

1、壓鑄機型選擇

壓鑄時，為了保證鑄件尺寸精度和內部質量，防止壓鑄過程飛料，必須鎖緊分型面。因此壓鑄機型選擇依據壓鑄機鎖模力大小的計算。

鑄造總投影面積：

A_{鑄造投影面積}=A_產品+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×壓射比壓× (A_{鑄造投影面積}+A_{抽芯投影面積}) =3 0680 kN

根據鎖模力計算結果和公司壓鑄機臺資源，選擇IDRA的37 000 kN壓鑄機。
為了進一步確認壓鑄機型選擇是否合理，進行壓室充滿度核算。

K=G/(ρπR²L) =46.7%

式中，G為澆注質量，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為空壓射有效長度，cm。

壓室充滿度計算結果46.7%，符合標準30%~75%范圍要求，壓鑄機選型可行。

2、壓鑄模具設計

內澆口設計應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；澆口位置應該使鋁液到達型腔各處位置距離相等，實現遠離部位同時充填和凝固；應該設置在壓鑄件厚壁處，以實現順序填充、壓力補縮。根據該產品的結構特點、高內部質量要求和金屬液填充流向的需要，澆注系統采用扇形設計，澆口厚度為5 mm，位于產品壁厚5 mm分型線位置，設置在下滑塊上。澆注系統設計見圖1，模具設計見圖2和圖3。

圖1：澆注系統設計

3、模流分析

為了提高模具方案設計的合理性，按照符合實際的壓鑄工藝參數及邊界條件進行各個階段的參數定義，通過Magma軟件進行模流分析。模流分析工藝參數見表1。

表1：模流分析工藝參數表

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冷隔的風險較小。圖5為填充速度分析。,可以看出，鑄件在內澆口的速度值約為55 m/s，符合設計要求。圖6為凝固過程分析。凝固過程中的溫度場變化，顯示了從料餅到關鍵部位的補縮路徑，孤島區域在25%以上，容易有縮孔。表明孤島區域有縮孔風險。圖7為熱節分析。可以看出鑄件內部存在局部厚大區域，容易形成熱節。圖8為縮孔分析。可以看出熱節處容易產生縮孔，可以應用點冷工藝加強冷卻或擠壓工藝增加鋁液的補縮。通過工藝分析，選擇高壓冷卻水冷卻工藝。

4、壓鑄工藝參數

壓鑄工藝參數選擇是：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、機器人自動取件

因為產品凈重為15.18 kg，澆注系統質量為9.32 kg，采用機器人取件。取件手由3部分組成，分別是左側的三爪卡盤定位機構、右側的氣缸連桿夾緊機構和下方料柄抓緊機構組成。首先，左側的三爪卡盤伸進制品左側的圓孔內，并撐開漲緊，固定產品位置。

其次，右側連桿夾緊機構通過外面的兩個支撐柱頂住產品，2個仿形夾爪通過2組氣缸進行夾緊。2個仿形夾爪的夾緊位置選擇在工件的2個加強筋位置，防止了工件變形的可能。

最后，料柄抓緊機構通過下方平行氣缸夾緊料柄，平行氣缸上方裝有帶導軌的軟浮動機構，可以保證在夾緊料柄的同時自動對準料柄的中心。

二、壓鑄缺陷分析及改進：

產品油冷器回油孔直徑為14 mm，深度為6 mm，采用密封圈進行密封，要求孔內腔表面氣孔直徑小于0.4 mm，間隔大于8 mm，數量小于3個。實際試制發現，縮孔尺寸為2 mm×1.5 mm×2 mm，嚴重超標，比例達到90%，會導致產品泄漏。縮孔缺陷位置及大小見圖9。

圖9：回油孔氣孔位置及大小

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

針對產品油冷器回油孔位置局部厚大產生縮孔問題，通過在模具上滑塊對應位置增加擠壓銷進行解決。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構見圖11和圖12。

圖10：擠壓方案

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

產品小端軸承孔，直徑為73 mm，深度為30 mm，安裝一個剛性軸承和一個塑性軸承，要求孔內腔表面氣孔直徑小于0.7 mm，間隔大于15 mm，數量少于3個。實際試制發現，縮孔直徑為3 mm，超出產品質量標準，發生比例達到45%，影響產品的裝配性。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，容易產生縮孔。針對產品小端軸承孔縮孔，重點是控制模具溫度，措施如下。

（1）通過使用模溫機來進行模具溫度平衡控制。動模設計W11、W12 兩組；下滑塊設計W30、W31 兩組；左滑塊設計W40 一組；上滑塊設計W60、W61 兩組；右滑塊設計W70、W71  兩組，模溫機設定模具溫度為220±10 ℃，回油溫度為170±10 ℃。實際使用時，需要模具上模完成后，打開模溫機進行預熱，全部直冷、點冷暫不開，約1 h模具回油溫度達到標準后，開始增壓高速熱模。模溫控制設計見圖14。

圖14：模溫控制設計

（2）通過增加電磁閥對模具左滑塊高壓冷卻水冷卻時間進行控制。左滑塊W45-53是普通冷卻水道，W41-W44是高壓冷卻水道。電磁閥收到壓鑄機射頭移動信號后，通過延時閥、計時器進行高壓冷卻水工作時間控制，避免高壓冷卻水長期工作，降低模具局部溫度。由于收到電磁閥信號立即開始冷卻，延時閥設定0 s；由于留模時間設定20 s，計時器設定15s。冷卻時間控制見圖15。

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

圖15：冷卻時間控制

三、結論

（1）通過模流分析，可以有效地評估產品壓鑄工藝設計的可行性及可能發生缺陷的位置，優化工藝設計，避免模具報廢或重大維修。

（2）通過靈活應用擠壓工藝，可以在滿足產品質量要求的前提下，降低產品的制造成本，實現精益生產。

（3）通過設計輔助工裝，控制高壓冷卻起點和持續時間，可以有效地調整模具溫度，使模具整體溫度平衡，避免壓鑄缺陷產生。

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