液壓閥板類鑄件的低壓鑄造工藝分析及驗證

■ 白智淵，何元元

商用車的變速器在我國以手動變速器為主，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技進步，商用車的自動變速器在我國開始使用；使用自動變速器可以簡化駕駛人員的操作難度，減輕勞動強度，提高舒適度。液壓閥板是鋁合金自動變速器的重要部件之一，采用低壓鑄造工藝，可生產(chǎn)合格且質(zhì)量穩(wěn)定的鑄件。本文以液壓閥板鑄件為研究對象，分析了不同的產(chǎn)品結構，討論了不同低壓鑄造工藝方案，采用單層多澆口、多層砂芯成形的澆注工藝，并對其進行優(yōu)化，為該鑄件的穩(wěn)定生產(chǎn)提供了工藝保證。

1. 零件介紹

（1）鑄件材料要求 鑄件材料化學成分：wSi＝6.5%～7.5%，wMg＝0.25%～0.45%，wTi＝0.08%～0.02%，Al余量。鑄件的技術要求：符合GB/T 1173—1995鑄件標準；100%X射線檢測、樣件熒光檢測，要求鑄件不得有氣孔、裂紋、縮孔等缺陷；T6熱處理后本體取樣，抗拉強度≥275MPa，屈服強度≥220 MPa，伸長率≥3%。

（2）研究方法 鑄件狀態(tài)：外形尺寸500mm×410mm×94mm，最小壁厚5mm，鑄件質(zhì)量12kg。

該鑄件是功能部件，對其尺寸精度、表面及內(nèi)在質(zhì)量要求較高，特別是油路板部位需要承受高壓油的沖擊；部分油道工作壓力達到3MPa。鑄件結構復雜（多熱節(jié)、多油道），鑄造難度較大。首先分析產(chǎn)品結構、鑄造工藝性；其次將幾種工藝分析比較，確定鑄造工藝方案；最后研究分析其鑄造缺陷，提出改進措施。通過優(yōu)化鑄造工藝，最終獲得滿足標準要求的合格鑄件。

2. 分析驗證

（1）產(chǎn)品結構分析 產(chǎn)品結構由兩部分組成（見圖1），上層為油路板部分，直接與變速器殼體油道部分相連，共同形成液壓油道，該部分需承受較高的油壓，要求內(nèi)部質(zhì)量良好，不得有氣孔、裂紋等缺陷，否則導致油路系統(tǒng)紊亂、變速器工作異常。下層為油底殼部分，用于儲存液壓油，上下層之間有18根連接柱，可防止油路板變形，同時其中16根連接柱中間加工過孔。油底殼及連接柱內(nèi)部不得有貫穿性缺陷，否則導致液壓油泄漏。該整體結構可簡化加工及裝配的工序要求，但鑄造工藝難度大。

為簡化鑄造工藝，設計部門將油底殼與油路板設計成獨立的兩個產(chǎn)品，通過螺栓聯(lián)接，如圖2所示。中間連接柱取消，同時在油路板背面增加相應的加強柱以防止油路板變形，加強柱中間加工過孔，油底殼內(nèi)腔增加加強筋，該結構降低了鑄造工藝難度，油底殼鑄件采用高壓鑄造的方式工藝性較好；油路板鑄件因其特殊要求，高壓鑄造工藝風險很大，再加上兩套模具的制造成本較高。綜合對比，整體式結構產(chǎn)品使用過程中安全性及可靠性更好，最終確定該結構作為開發(fā)及生產(chǎn)的對象。

圖1 產(chǎn)品結構Ⅰ

（2）鑄件工藝分析 鑄件熱節(jié)分析如圖3所示，油路板部分結構復雜，底板及隔筋壁厚均5mm，油底殼底板厚度7mm，連接柱及周邊局部區(qū)域壁厚超過15mm，鑄件熱節(jié)較多且分散。從鑄件的工藝角度考慮，該鑄件適合重力澆注。采用重力鑄造的方法，可以簡化砂芯的處理工藝，也適合鑄件的補縮方式。由于設備的原因我們只能采用低壓鑄造。低壓鑄造工藝中，澆注系統(tǒng)通常設置在產(chǎn)品熱節(jié)區(qū)域，直接補縮產(chǎn)品，澆注系統(tǒng)遠端厚大部位的缺陷可采用增加冒口或冷卻解決。

根據(jù)該產(chǎn)品的加工及裝配要求，初步確定為油路面朝下、產(chǎn)品內(nèi)腔由砂芯形成、多澆口的澆注工藝，如圖4所示。

（3）鑄件工藝討論 通過對產(chǎn)品的結構及工藝性分析，前期制訂了3種澆注工藝方案。

方案Ⅰ如圖5所示，油路板部分由下模形成，油底殼腔體由砂芯形成，3處澆口設計澆口套加保溫層，遠離澆口位置的厚大搭子做預鑄孔，上模做整體風冷，局部區(qū)域增加強冷。

該方案存在以下問題：

第一，澆注模結構復雜，考慮鑄件抱緊力的原因，側模放在上模上，確保鑄件在上模。

第二，下模油路板部分形狀復雜，需做成鑲塊結構以保證型腔排氣，模具后續(xù)維護難度大。

第三，澆注系統(tǒng)無法補縮到鑄件所有的厚大區(qū)，且預鑄孔作用有限，冷卻在生產(chǎn)過程中難以控制。

方案Ⅱ如圖6所示，內(nèi)腔形狀由兩層砂芯形成，在油路板空擋區(qū)域設置砂芯定位，厚搭子處設置澆口，鋁液通過料包分流至34處澆口充入型腔。

該方案存在以下問題：

第一，澆口太多，且尺寸偏小，澆口凝固過早，補縮效果差，易產(chǎn)生縮孔缺陷。

第二，砂芯發(fā)氣量較大，需保證砂芯排氣通暢，防止氣孔缺陷產(chǎn)生。

方案Ⅲ如圖7所示，內(nèi)腔形狀及澆注系統(tǒng)由砂芯形成，外形由金屬模形成，18處澆口均放置在產(chǎn)品熱節(jié)處，砂芯局部區(qū)域減重，底模安裝抽氣裝置。

該方案外模結構簡化，產(chǎn)品熱節(jié)區(qū)均能得到有效補縮，但砂芯結構復雜，制芯工序難度較大。

（4）鑄件工藝確定 通過對前期3種工藝方案的對比分析及討論，考慮到澆注系統(tǒng)的設置及模具結構的簡化，最終確定了如圖8所示的工藝方案。油路板、油底殼空腔及澆口均由砂芯形成，簡化澆注模具的結構，過程控制得到了簡化。如圖9所示，鋁液通過料包進入15處澆口后再分流充入型腔，澆注系統(tǒng)可達到平穩(wěn)充型及有效補縮的作用。

（5）模具結構確定 根據(jù)鑄件結構，將澆注模分型為上、下、左、右、后5開模，上下模分型處設排氣槽，模芯頭壓緊、型腔面制作較多排氣塞，鋁液經(jīng)下模分流至澆口芯，側模搭子全做預鑄孔。

圖2 產(chǎn)品結構Ⅱ

圖3 鑄件熱節(jié)分析

圖4 鑄件澆注工藝初步確定

圖5 工藝方案Ⅰ

圖6 工藝方案Ⅱ

圖7 工藝方案Ⅲ

（6）澆注參數(shù)確定 分析鑄件結構，油路板平均壁厚5mm，鑄件高度100mm，鑄件型腔及澆口均由砂芯形成，充型過程中溫度損失較小，綜合考慮設備能力、鑄件結構及生產(chǎn)的連續(xù)性，初步將澆注溫度確定為（710±5）℃。砂芯尺寸較大，澆注過程發(fā)氣量大，充型速度過快容易卷氣形成氣孔缺陷；充型速度過慢鋁液降溫多，在加上砂芯發(fā)氣的影響，鑄件有可能成形不完整。根據(jù)鑄件結構及設備參數(shù)，初步確定如附表所示的澆注參數(shù)。

（7）鑄件檢測及缺陷分析 通過對試制鑄件的外觀檢查，鑄件上平面設置有較多的排氣塞，影響外觀質(zhì)量，上平面澆不足，如圖10所示，經(jīng)分析該缺陷由砂芯排氣不暢所致。解剖及無損檢測均未發(fā)現(xiàn)鑄件中存在其他缺陷。

3. 整改及驗證

（1）整改對策的制訂 根據(jù)鑄件試制的結果，對砂芯排氣不暢導致鑄件澆不足、表面質(zhì)量差的問題，制訂了如下整改措施：

第一，上下模分型處排氣槽加深，側模與下模結合面處增加排氣槽。

第二，上模取消部分排氣塞。

第三，1#砂芯芯頭加長，同時在上模芯頭處增加排氣通道，如圖11所示。

（2）整改后的驗證 通過整改后的澆注驗證，砂芯排氣通暢，鑄件澆不足缺陷得到改善。多次試制后將澆注溫度調(diào)整至（700±5）℃，經(jīng)外觀檢查、X射線及熒光無損檢測，未發(fā)現(xiàn)嚴重的空洞類缺陷，鑄件質(zhì)量合格，可滿足使用要求。

4. 結語

在低壓鑄造中，針對多熱節(jié)、高度在100～150mm的產(chǎn)品，可充分利用澆注系統(tǒng)的補縮作用，防止產(chǎn)品出現(xiàn)收縮類缺陷，同時產(chǎn)品的復雜型腔部分可考慮用砂芯形成，通過增加排氣槽、芯頭排氣等措施保證砂芯排氣通暢，鑄件充型完整。前期根據(jù)產(chǎn)品結構制定工藝方案時，綜合評估鑄件可能出現(xiàn)的缺陷及生產(chǎn)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的問題，在制作時預留好整改空間，為后續(xù)的優(yōu)化提供方便。

圖8 最終工藝方案

圖9 鑄件澆注系統(tǒng)

圖10 鑄件實物

圖11 增加芯頭

鑄件澆注參數(shù)表

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