局部擠壓技術在缸蓋罩殼鑄件上的應用

趙一粟　吳志軍

摘 要：本文主要介紹鋁合金壓鑄件局部擠壓技術的應用力學原理，模具在局部擠壓機構的設計，易損備件設計配合間隙，在生產過程中使用何種冷卻方式最有效及溫度控制范圍。

關鍵詞：鋁合金；壓鑄；氣縮孔；局部擠壓；控制措施

1 引言

根據液體凝固物理原理，鑄件在凝固過程中產生氣縮孔不良現象是完全不可避免的。鑄件局部因設計結構原因壁厚較厚或內澆口部位因熱量集中從而在模具上產生熱節，這些局部溫度過高的熱節點凝固時間比周邊其他部位凝固時間長，在凝固過程中無法得到液態鋁合金熔液補充從而產生縮孔，這些部位在通過簡單的模具結構設計優化（增加點冷卻或高壓點冷卻）或壓鑄工藝參數優化是無法有效改進的[1]。

在壓鑄從業者的不斷研究探索下，在壓鑄成型過程中對鑄件局部在半凝固狀態下進行二次增壓，通過模具液壓缸頂出動作從而減少周邊結晶組織間隙，使結晶組織更加致密，提升鑄件局部孔隙率減少縮孔不良[2]。

局部擠壓可以在鑄件局部小范圍內有效消除縮孔和疏松，提高局部結晶組織致密度，提升鑄件的力學性能，近年來局部擠壓技術在壓鑄行業內得到廣泛應用。

2 壓鑄成型局部擠壓技術介紹

局部擠壓時在模具內直接安裝油缸，對產生氣縮孔的部位直接加壓，抑制縮孔產生，以求獲得高質量的壓鑄件，局部擠壓結構在金屬液充填完成后，經過一定時間即鑄件進行凝固的過程中，金屬液在型腔中處于半凝固狀態，通過模具內設置的液壓缸通過擠壓銷對局部施加壓力以強制補縮來減少或消除該位置的氣縮孔缺陷[3]，提高鑄件整體孔隙率。

局部擠壓結構主要由擠壓油缸、擠壓銷、擠壓鑲套及相關連接裝置組成，其用于擠壓的結構可根據實際安裝要求設計安裝在模芯或模框上。

局部擠壓成型方式主要分為以下兩種[4]，一種是在鑄件成型表面進行擠壓作用，鑄件被擠壓的部位比實際成型的高度高出一定距離，這樣可以避免表層的冷料被擠壓后進入鑄件內部，多處的擠壓部分可以通過機械加工去除；另一種是在鑄件的壁厚部位設置局部擠壓，將擠壓型芯直接擠壓到預鑄孔成型孔底部。本文研究的缸蓋罩殼局部擠壓方式為直接擠壓鑄件壁厚部位成型預鑄孔。

EA211發動機缸蓋罩鑄件的可變氣門結構孔，孔內有多處高壓油道孔，大眾質量控制要求進行高壓氣密測試，測試標準：3Bar氣壓下每分鐘的空氣泄漏量小于3ml。且鑄件此部位平均壁厚16mm，在實際生產過程中此部位常常在加工后發現氣縮孔不良，此孔內的縮孔或疏松一般呈現帶狀分布，縮孔形狀不規則，此孔內縮孔不良占廢品的30%左右，且部分因縮孔或疏松從而發動機機油滲漏。

利用X射線探傷設備檢測，發現鑄件可變氣門孔周邊有線狀成片疏松如圖1.5，經CT檢查此部位孔隙率：9.5%，遠遠超出VW50097孔隙率5%的標準要求。

3 壓鑄成型局部擠壓技術分析

壓鑄過程從鋁合金物理收縮分為三個階段：液態收縮、半固態凝固收縮和固態收縮[5]。鑄件產生縮孔或成片疏松主要會出現在半凝固收縮階段，而鑄件固態收縮主要會產生鑄件尺寸超差、收縮變形，熱量等不良現象。所以解決鑄件縮孔或成片疏松通過鑄件在半固態收縮階段對其局部使用局部擠壓來實現，生產過程中局部擠壓使用需要考慮擠壓比壓、擠壓時間、擠壓深度、擠壓型芯溫度等幾個方面的因素。

3.1 擠壓比壓

擠壓比壓是指擠壓機構直接作用于鑄件表面壓力與擠壓動作的液壓油缸產生壓力比值。擠壓比壓是擠壓系統設計的關鍵參數，比壓大小的選擇直接決定著局部擠壓是否有效。選擇合理的擠壓比壓對擠壓系統設計十分關鍵，通過情況下擠壓比壓10-20。

本文研究的EA211缸蓋罩鑄件生產使用壓鑄機臺為1250T壓鑄機，改設備的液壓系統可提供擠壓油缸液壓壓力為14MPa。由于鑄件可變氣門孔壁厚較厚且氣密性要求較高，對擠壓比壓選擇為20，鑄件擠壓部位為直徑16mm的圓柱型芯，其擠壓部位壓力為：280MPa。

模具設計擠壓系統分為：擠壓油缸、連接塊、擠壓型芯、配合鑲套。

擠壓機構中擠壓型芯與擠壓油缸時連接在一起的，根據作用力和反作用力原理，即可得F油缸=F擠壓型芯，故計算公式（1.1）如下：

F油缸=P系統×S油缸活塞=F擠壓型芯=P擠壓型芯×S擠壓面積（1.1）

F擠壓型芯=P擠壓型芯×S擠壓面積=280×（1/4π×162）

F油缸=P系統×S油缸活塞=14×（1/4π×D2）

計算得出油缸D直徑為：71.5mm，綜合考慮到生產過程中擠壓型芯與鑲套摩擦力，液壓油缸通用標準的因素，最終選擇液壓油缸活塞直徑80mm。

3.2 擠壓時間

擠壓時間包括擠壓開始時間和擠壓保壓時間。

擠壓開始時間是指壓射增壓動作完成開始到擠壓動作啟動的時間（部分壓鑄機臺設定為壓射啟動到擠壓開始動作），是擠壓工藝中重要參數。擠壓時間設定一般根據模具擠壓部位壁厚，模具溫度等因素來設定，一般擠壓時間通常為1-3秒，本文研究的缸蓋罩可變氣門孔擠壓時間設定1.2秒，基本滿足生產要求。

擠壓保壓時間是指擠壓油缸持續給型芯施加壓力的時間，一般保壓時間持續到鑄件完全凝固，但在壓鑄開模動作前停止，保壓時間設定過長，增加設備能耗；保壓時間過短鑄件未完全凝固，鑄件擠壓部位有可能還會出現縮孔或疏松不良，實踐經驗保壓時間以便設定8-12秒最佳。

3.3 擠壓深度

在實際生產過程中擠壓效果控制主要通過控制擠壓深度，擠壓過深或過淺都會導致擠壓失效。

本文研究的缸蓋罩鑄件可變氣門孔總深度58mm，動模預鑄成型孔深12mm，定模可設定擠壓總深度45mm，根據活塞80mm液壓油缸動作行程，綜合討論使用兩種擠壓行程進行對比試驗，如表1.1。

通過對比試驗發現擠壓動作行程越長擠壓效果越明顯，擠壓行程較短的中間會有5mm壁厚較厚區域，易導致其出現疏松如。

通過對比試驗確定本文研究的缸蓋罩殼可變氣門孔擠壓行程35-45mm，鑄件擠壓更加有效，孔隙率更好。

3.4 擠壓型芯溫度

擠壓型芯溫度是指在生產過程中噴霧完成后擠壓型芯表面溫度。若擠壓型芯型芯溫度過高，易導致型芯表面產生燒附積碳，增加擠擠壓動作阻力從而導致擠壓失效。因此生產過程中要控制擠壓型芯溫度，減少型芯表面積碳產生。

為驗證擠壓型芯中間冷卻回路使用哪種冷卻方式擠壓使用壽命更長，故在同一模具對擠壓型芯進行壽命試驗，驗證結果使用壓縮空氣冷卻，使用壽命更長如表1.2。

5 結語

對于鑄件局部壁厚區域、孔隙率要求高的局部區域、單從調整壓鑄工藝參數無法有效解決的局部區域，可以采用局部擠壓技術來解決。但在生產過程中要不斷進行有效監控，同時還需要對擠壓機構進行定期保養和壽命管理，這樣才能保證局部擠壓部位的質量。

參考文獻：

[1]汪意，曲軸箱多向擠壓鑄造補縮工藝研究[D]，浙江工業大學，2011.

[2]賈寶仟，熊守美，制品凝固過程孤立域動態劃分及縮孔縮松數值模擬[J]，造技技術，1996（5）：15-17.

[3] 歐陽明.擠壓壓鑄技術在汽車、摩托車精密制品上的應用[J].鑄造技術，2004 25（5）：362-364.

[4] 費良軍，吳岳壹，沈建明，等，鋁合金汽車缸體局部增壓鑄造技術研究[J]，特種鑄造及有色合金，2010，30（2）：144-146.

[5] 劉后堯，萬里，黃明軍，壓鑄中局部加壓技術的開發與應用[J]，特種鑄造機有色合金，2008，28（12）：943-946.