局部擠壓技術(shù)在鋁合金壓鑄件中的應(yīng)用

王凱樂

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

1 引言

壓鑄是將熔融液態(tài)金屬在高速高壓狀態(tài)下充滿模具型腔的過程，金屬液主要通過模具型腔接觸散熱，在壓鑄機(jī)增壓壓力的作用下凝固成為需求的壓鑄件。生產(chǎn)過程中壓鑄機(jī)的增壓壓力一般在60～80MPa，當(dāng)壓鑄件壁厚差異大，澆口處提前凝固時(shí)，壓鑄件壁厚位置鋁液補(bǔ)縮通道受阻，進(jìn)而在壁厚位置形成縮孔、縮松等缺陷。用于壓鑄生產(chǎn)的壓鑄模上通常設(shè)計(jì)水道、油道、氣道等溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)模具溫度，盡量實(shí)現(xiàn)壓鑄件順序凝固，當(dāng)壓鑄件壁厚差異較大，調(diào)控模具溫度無法解決壓鑄件縮孔、縮松等問題時(shí)，就需要在壁厚的位置單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)輔助的增壓補(bǔ)縮結(jié)構(gòu)，這就是本文將要介紹的局部擠壓技術(shù)。

2 局部擠壓技術(shù)介紹

2.1 局部擠壓技術(shù)原理

局部擠壓是在鋁液充型完成后，鑄件凝固過程中，使用增壓機(jī)構(gòu)對壓鑄件局部施加壓力，通過增壓補(bǔ)縮來解決壓鑄件壁厚較大的關(guān)鍵部位縮孔、縮松等缺陷。

如表1所示，局部擠壓結(jié)構(gòu)一般分為兩種形式，方式一在壓鑄件局部平臺設(shè)計(jì)擠壓結(jié)構(gòu)，此種擠壓結(jié)構(gòu)一般會有較大的毛刺殘留，需要在毛坯狀態(tài)時(shí)打磨去除，此種結(jié)構(gòu)多用在壓鑄件斜油道、局部倒扣無法預(yù)鑄等位置處；方式二在對應(yīng)壓鑄件壁厚位置可以設(shè)計(jì)預(yù)鑄孔的位置設(shè)計(jì)擠壓結(jié)構(gòu)，擠壓后形成的擠壓銷孔保留在鑄件毛坯上，此種結(jié)構(gòu)多用在有密封要求的壓鑄件深孔處，通過增加局部擠壓結(jié)構(gòu)降低壓鑄件深孔泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 增壓體積的常規(guī)計(jì)算方法

為有效控制缺陷，增壓體積須準(zhǔn)確計(jì)算，增壓體積與需要增壓部位的壓鑄件體積及需增壓部位的缺陷發(fā)生率有關(guān)。

表1 局部擠壓技術(shù)原理

即：VLSQ≥V×f

式中VLSQ——增壓體積

V——需增壓部位的壓鑄件體積（參考影響半徑R）

f——需增壓部位的鑄造缺陷發(fā)生率×2

增壓體積計(jì)算方法如下：

（1）首先確認(rèn)壓鑄件缺陷易發(fā)生的區(qū)域，根據(jù)區(qū)域大小按表2和圖1所示選擇合適的影響半徑，進(jìn)而確定擠壓銷端面面積范圍。

表2 增壓體積參考表

圖1 局部擠壓結(jié)構(gòu)示意圖

（2）測量壓鑄件缺陷易發(fā)生位置的體積，鑄造缺陷發(fā)生率開發(fā)階段以模擬分析結(jié)果為準(zhǔn)，通過公式計(jì)算擠壓銷的增壓體積。

（3）VLSQ=A（擠壓銷端面面積）×H（擠壓深度），擠壓深度H一般選擇10～15mm，進(jìn)而確定合適的擠壓銷規(guī)格和擠壓深度。

2.3 一種簡易增壓體積計(jì)算方法

按照質(zhì)量守恒的原則，鋁液凝固前后滿足下面的公式，壓鑄件需增壓的體積可以近似的理解為鋁液凝固成為固態(tài)后所減小的體積。

通過以上分析可以得出增壓體積近似滿足以下公式：

以常用的壓鑄鋁合金ADC12為例，ρ固態(tài)金屬=2.7g/cm3，ρ液態(tài)金屬=2.35g/cm3

計(jì)算出擠壓體積后參照圖1選擇合適的擠壓銷規(guī)格和擠壓深度。此種方法計(jì)算的擠壓體積為臨界體積，一般需要增加1.2以上的安全系數(shù)，使實(shí)際生產(chǎn)調(diào)試時(shí)擠壓銷開始擠壓設(shè)置的工藝范圍加寬，便于生產(chǎn)控制。

3 一般擠壓銷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 一般擠壓銷結(jié)構(gòu)詳細(xì)結(jié)構(gòu)示例

圖2 所示為擠壓銷設(shè)計(jì)在壓鑄件平臺處時(shí)的一般結(jié)構(gòu)示例，圖3為擠壓銷設(shè)計(jì)在壓鑄件預(yù)鑄孔處時(shí)的一般結(jié)構(gòu)示例。

圖2 擠壓銷方式一示意圖

3.2 擠壓銷和銷套的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

擠壓銷技術(shù)要求：

（1）型 面 及 配 合 段ALTiN處 理，深 度0.006～0.008mm，表 面 硬 度2,700～3,000HV,內(nèi) 部 硬 度48～50HRC。

圖3 擠壓銷方式一示意圖

（2）型面及配合處粗糙度值Ra0.4μm，其余Ra1.6μm。

擠壓銷配合段長度≥銷套內(nèi)孔配合段長度（按鑄銷標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)）+擠壓行程+10。

銷套技術(shù)要求：

（1）型 面 及配 合 段ALTiN處 理，深 度0.006～0.008mm，表 面 硬 度2,700～3,000HV,內(nèi) 部 硬 度50～52HRC。

（2）內(nèi)孔配合處粗糙度值Ra0.4μm，型面及外圓配合處粗糙度值Ra0.8μm，其余Ra1.6μm。

經(jīng)驗(yàn)證，按上述規(guī)范制作的擠壓銷和銷套批量生產(chǎn)過程中沒有出現(xiàn)擠壓銷卡滯現(xiàn)象。

3.3 擠壓結(jié)構(gòu)增壓油缸的選擇規(guī)范

局部擠壓的增壓壓力最小在2,000kgf/cm2以上，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)增壓壓力在3,000～6,000kgf/cm2范圍內(nèi)增壓效果最理想。

式中PLSQ——施加在壓鑄件上需增壓部位的壓力

PMC——壓鑄機(jī)系統(tǒng)壓力

ACYL——局部擠壓油缸截面積

A鑄銷——增壓銷的截面積

K——一般取1.5或2

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：局部擠壓時(shí)，增壓銷增壓壓力一般為系統(tǒng)壓力的20～30倍。

通過以上可知，當(dāng)擠壓銷直徑為φ10mm時(shí)，一般選擇缸徑φ50mm的油缸推動擠壓銷實(shí)現(xiàn)壓鑄件的局部擠壓即可。

4 局部擠壓在壓鑄件中的應(yīng)用示例

4.1 擠壓方式一的應(yīng)用示例

如圖4中①、②處所示，壓鑄件2處φ30mm的凸臺區(qū)域有4個(gè)螺紋孔與斜油道相連，4個(gè)孔最小間距2.6mm，加工后不允許互滲，常規(guī)的鑄銷預(yù)鑄加冷卻方案無法解決距離如此靠近的壓鑄件小孔間泄漏問題，因此此處考慮采用局部擠壓技術(shù)提高壓鑄件組織致密度，防止壓鑄件內(nèi)部出現(xiàn)縮松缺陷，保證壓鑄件內(nèi)部質(zhì)量。

圖4 壓鑄件成品狀態(tài)

此處設(shè)計(jì)擠壓結(jié)構(gòu)需將壓鑄件凸臺上的4個(gè)小孔全部取消預(yù)鑄，根據(jù)簡易增壓體積計(jì)算方法，最終選擇φ16mm的擠壓銷，擠壓深度10mm來解決4小孔間的泄漏問題，擠壓后毛坯狀態(tài)如圖5中③、④所示，圖中黑色區(qū)域擠壓殘留需要在毛坯狀態(tài)去除。

圖5 壓鑄件毛坯狀態(tài)圖示

此壓鑄件由于壓鑄件凸臺上的4個(gè)小孔靠近凸臺邊緣，為保證壓鑄件凸臺邊緣的內(nèi)部質(zhì)量，擠壓銷端面面積沒有嚴(yán)格按照擠壓銷影響范圍選擇擠壓銷端面面積，但增壓體積與計(jì)算相符，結(jié)果證明只要增壓體積滿足需求，擠壓銷的規(guī)格可根據(jù)壓鑄件實(shí)際結(jié)構(gòu)調(diào)整。

壓鑄件鑄銷預(yù)鑄、擠壓銷擠壓前后X光對比圖如圖6所示，直接預(yù)鑄時(shí)4個(gè)小孔間有輕微的縮松缺陷，當(dāng)不預(yù)鑄不擠壓時(shí)凸臺縮孔非常嚴(yán)重，壓鑄件直接報(bào)廢，設(shè)計(jì)局部擠壓結(jié)構(gòu)后凸臺處縮孔、縮松X光下不可見。經(jīng)驗(yàn)證鑄銷預(yù)鑄狀態(tài)下壓鑄件加工后氣密性檢測全部不合格，浸滲后100%合格，無預(yù)鑄狀態(tài)的壓鑄件X光檢測后直接報(bào)廢，而增加擠壓后壓鑄件加工后氣密性檢測100%合格，無需浸滲。

圖6 壓鑄件凸臺X光結(jié)果對比

4.2 擠壓方式二的應(yīng)用示例

如圖7、圖8、圖9所示，壓鑄件指示區(qū)域有2根斜油道和一個(gè)M6mm的螺紋孔，斜油道無法預(yù)鑄，壓鑄件基本壁厚4mm，而此處局部壁厚22mm，凝固后斜油道和螺紋孔三者間縮孔風(fēng)險(xiǎn)高，加工后互滲風(fēng)險(xiǎn)高。

圖7 成品狀態(tài)圖示

圖8 成品狀態(tài)局部透視圖

圖9 反面局部擠壓設(shè)計(jì)點(diǎn)

為解決此問題在指示區(qū)域內(nèi)側(cè)圓孔處設(shè)計(jì)擠壓銷結(jié)構(gòu)，按上面介紹的增壓體積計(jì)算方法和擠壓銷端面面積選擇規(guī)范，壓鑄件上自帶的φ10mm深10mm的圓孔滿足擠壓需求，按擠壓方式二的設(shè)計(jì)局部擠壓方案，擠壓銷規(guī)格φ8mm，擠壓深度10mm。

圖10 所示為壓鑄件X光檢測結(jié)果，擠壓銷設(shè)計(jì)位置周邊φ50mm的范圍內(nèi)X光狀態(tài)下無可見縮孔、氣孔等缺陷，擠壓銷結(jié)構(gòu)成功解決了斜油道處壓鑄件縮孔、縮松等缺陷出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，壓鑄件加工后2處斜油道氣密性檢測100%合格，批量生產(chǎn)過程中此處斜油道沒有出現(xiàn)彌散性氣縮孔缺陷。

圖10 壓鑄件斜油道處X光結(jié)果

5 結(jié)論

（1）按本文介紹的方法設(shè)計(jì)的局部擠壓結(jié)構(gòu)可成功解決鋁合金壓鑄件厚大部位的縮孔、縮松等問題。

（2）局部擠壓結(jié)構(gòu)由于鋁液局部受較高的壓應(yīng)力，壓鑄件內(nèi)部質(zhì)量穩(wěn)定，工藝穩(wěn)定后擠壓銷處不會出現(xiàn)彌散性氣縮孔等缺陷，壓鑄件合格率高。

（3）按本文介紹的設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的局部擠壓結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中運(yùn)行穩(wěn)定，連續(xù)生產(chǎn)過程中沒有發(fā)生擠壓銷卡滯問題。