鋁合金殼體壓鑄件的工藝控制

李興濤 馬殿雷

【摘 要】在現代汽車工業發展中，鋁合金作為一種輕型金屬材料得到了廣泛應用，但鋁合金鑄件產品的質量問題和其鑄造缺陷卻仍長期困擾著生產企業。本文通過對某款鋁合金殼體鑄件結構和工藝性進行分析研究，收集多種試驗數據，論述了該產品的鑄造工藝難點，介紹了相關的合理工藝控制方法，為后續其他類似殼體鑄件的質量控制積累了經驗，提供了理論指導。

【關鍵詞】鋁合金鑄件；壓力鑄造；工藝控制

20世紀80年代以來，汽車結構的變化主要方向是以提高使用的經濟性為目標，降低燃油消耗，特別是普通型汽車，實現輕量化和小型化是現代汽車最顯著的特征之一。根據目前國內外汽車工業的發展動態，轎車、輕型車用鑄件中，大多數的鑄鐵件將被鋁鑄件代替，從而達到汽車輕量化的目的。

鋁合金殼體類鑄件一般形狀不規則，部分結構不易機加工，目前車用鋁鑄件大部分還是鑄造毛坯面的結構；同時，鋁鑄件工作環境較為惡劣，通常對強度要求較為嚴苛，而且因為對于表面質量和內部質量要求也較為嚴格，一般需要生產廠家在過程控制中進行X光探傷等相關檢測。

1 鋁合金壓鑄件成型原理

鋁合金壓鑄件必須有模具成型，與壓鑄機、鋁合金組合加以綜合運用的過程。壓鑄工藝原理是利用高壓將金屬液高速流入一精密金屬模具型腔內，金屬液在壓力作用下冷卻凝固成鑄件。冷、熱室壓鑄是壓鑄工藝的兩種基本方式。冷室壓鑄中金屬液由手工或自動澆注裝置澆入壓室內，然后壓射沖頭前進，將金屬液壓入型腔。在熱室壓鑄工藝中，壓室垂直于坩堝內，金屬液通過壓室上的進料口自動流入壓室。壓射沖頭向下運動，推動金屬液通過鵝頸管進入型腔，金屬液凝固后，壓鑄模具打開，取出鑄件，完成整個壓鑄形成工藝過程。

2 鋁合金壓鑄件設計要點

壓鑄件設計的合理性關系到整個壓鑄成型工藝的進行，在進行壓鑄件設計時，應充分考慮壓鑄件的結構特點、壓鑄的工藝要求，盡量減少設計的壓鑄件在壓鑄成型工藝過程中缺陷的發生，以最優的設計方案從最大程度上提高壓鑄件質量。

2.1 合理設計壓鑄件壁厚

鋁合金壓鑄件結構設計時要充分考慮壁厚問題，壁厚是壓鑄工藝中一個具有特殊意義的因素，壁厚與整個工藝規范有著密切的關系，如填充時間的計算、內澆口速度的選擇、凝固時間的計算、模具溫度梯度的分析、壓力（最終比壓）的作用、留模時間的長短、鑄件頂出溫度的高低及操作效率；設計壁厚太厚會出現縮孔、砂眼、氣孔、內部晶粒粗大等外表面缺陷，使得機械性能下降，零件質量增加導致成本上升；設計壁厚太薄會造成鋁液填充不良，成型困難，使鋁合金溶解不好，容易出現鑄件表面填充困難、缺料等缺陷，并給壓鑄工藝帶來困難；壓鑄件隨氣孔的增加，其內部氣孔、縮孔等缺陷增加，故在保證鑄件有足夠強度和剛度的前提下，應盡量減小鑄件壁厚并保持截面的厚薄均勻一致。

3殼體工藝分析

3.1 產品結構及原材料概況

這款傳感器殼體蓋（sensor cover）應用于管柱式電動助力轉向系統（C-EPS），是C-EPS總成的重要部件之一：殼體外形不規則，有2處凸臺設計，但凸臺的高度各不相同；最大外徑為105 mm，高度為40 mm，主要壁厚截面為3.5 mm；殼體僅大筒和小筒的外徑表面需要進行機加工，公差需要保證在+/-0.1 mm范圍內，但內腔不需要加工，降低了產品的難度。

考慮到C-EPS的潰縮試驗的性能要求，Sensor Cover需要滿足承受不小于20KN的靜態壓潰力。為了滿足這款薄壁殼體高強度、高耐壓的要求，設計Sensor Cover按照GB6414-86 CT6級進行控制，不允許裂紋，夾雜的存在，同時不允許用焊補或浸漬的類似方法進行產品修復。

3.2 產品工藝分析

3.2.1 生產流程

Sensor Cover的生產流程包括：來料、熔煉/壓鑄、切邊/清整、機加工、清洗、裝配等。

除了按EN1706標準控制來料保證鑄件的產品質量，在熔煉過程（一般溫度控制在700℃～740℃）中，也要注意除氫的控制。

3.2.2 缺陷分析

雖然Sensor Cover結構簡單，但同樣易產生常見的鑄造缺陷：

1）花斑：當發現Sensor cover成品件顏色有時會發暗、發黑時，需要控制金屬和模具的溫度差異，熔煉時的充型速度和噴丸過程中噴涂量的大小。

2）氣孔缺陷：對于壓鑄產品，氣孔缺陷是必然存在的。對于Sensor Cover的控制是保證關鍵區域中不產生超過ASTM E505 2級標準的氣孔。

這一氣孔標準要求是為了保證殼體的強度測試，該區域的內部氣孔需要進行100%X射線探傷，保證以10 mm*10 mm=100 mm2為單位計算時：

氣孔面積S≈0.3*0.3*3.14*6+0.45*0.45*3.14*3+0.4*0.4*3.14*2+0.5*0.5*3.14*2≈6.185 mm2

可接收氣孔直徑要求是≤φ1.6 mm，經換算氣孔率=6.185/100≈6.2%；同時保證機加工表面的氣孔最大不超過2.0 mm。

通過目視檢查可以控制Sensor Cover的外觀缺陷，但目前還只能依靠X光探傷檢測內在缺陷。當批量化生產Sensor Cover時，無論是考慮到生產節拍還是成本費用，很能實現100%探傷，因此需要使用CAE等輔助技術作為壓鑄工藝分析的參考，盡可能在毛坯階段控制改善鑄件的內在質量。

4工藝參數及設備選用

根據Sensor Cover結構特點及技術要求，一般采用350T壓力鑄造，結合以往鑄件產品的生產經驗，發現若模具結構、工藝參數選用不當，容易造成壓鑄過程中液態金屬充填速度過快，型腔內氣體無法完全排除，從而造成成品中伴有氣孔及氧化夾雜物等缺陷，因此降低了鑄件質量?？梢钥闯龊侠淼墓に噮档倪x擇是確保鑄件質量的先決條件。

4.1 工藝裝備的設計

為確保鑄件尺寸精度不受到工裝夾具精度的影響著，為此款殼體重新設計制作了模具。

4.2 加工余量的選定

按Sensor Cover裝配設計要求，外圓保證切削加工成形。由于薄壁件殼體鑄件的表層致密層一般僅為0.8 mm，為防止過加工，導致中心組織較疏松，降低殼體性能或耐壓能力，因此在模具設計中采用定位銷配合定位，進而將機加工量減小到0.5 mm范圍了，不僅提高了鑄件內在質量，同時節約了機加工時間。

4.3 模具方案的選擇

運用AnyCasting軟件在Sensor Cover模具設計前期進行模流分析，采用3種不同入水口的虛擬設計，模擬鑄件凝固過程的數值，以及預測缺陷區域。通過比較，方案c的流道設計在液流填充方面更為順暢，實際生產發現殼體件的內部缺陷明顯改善，提高殼體的成品率。

5 效果

取用實際生產的6件殼體，經過X光射線探傷后，關鍵區域內部控制合格率達到100%；然后進行精車，機加工面氣孔也達到了ASTM E505 2級水平；最后進行破壞性壓潰試驗，發現6件殼體全部通過，可承受壓力達到25KN以上。

6 結論

壓力鑄造的工藝流程較長，較難進行過程控制，因此必須從來料開始進行管理，從而提高鑄件的合格率。實踐表明，Sensor Cover的工藝方案是合理可行的，有效的工藝措施也為其他大型殼體的批量生產奠定了基礎，積累了經驗。

參考文獻：

[1]宋才飛.中國壓鑄行業現狀及發展趨勢，特種鑄造及有色合金，1997（1）：22-24.

[2]馮發育.關于壓鑄鋁合金的硬質點及其防止，特種鑄造及有色合金，1988（6）：38-4l.

[3]陸樹蓀，顧開道，鄭來蘇.有色鑄造合金及熔煉，國防工業出版社，1983.

（作者單位：長城汽車股份有限公司）