局部擠壓技術在鋁合金壓鑄件中的應用

王凱樂

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，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，在壓鑄機增壓壓力的作用下凝固成為需求的壓鑄件。生產過程中壓鑄機的增壓壓力一般在60～80MPa，當壓鑄件壁厚差異大，澆口處提前凝固時，壓鑄件壁厚位置鋁液補縮通道受阻，進而在壁厚位置形成縮孔、縮松等缺陷。用于壓鑄生產的壓鑄模上通常設計水道、油道、氣道等溫度控制系統調節(jié)模具溫度，盡量實現壓鑄件順序凝固，當壓鑄件壁厚差異較大，調控模具溫度無法解決壓鑄件縮孔、縮松等問題時，就需要在壁厚的位置單獨設計一個輔助的增壓補縮結構，這就是本文將要介紹的局部擠壓技術。

2 局部擠壓技術介紹

2.1 局部擠壓技術原理

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

如表1所示，局部擠壓結構一般分為兩種形式，方式一在壓鑄件局部平臺設計擠壓結構，此種擠壓結構一般會有較大的毛刺殘留，需要在毛坯狀態(tài)時打磨去除，此種結構多用在壓鑄件斜油道、局部倒扣無法預鑄等位置處；方式二在對應壓鑄件壁厚位置可以設計預鑄孔的位置設計擠壓結構，擠壓后形成的擠壓銷孔保留在鑄件毛坯上，此種結構多用在有密封要求的壓鑄件深孔處，通過增加局部擠壓結構降低壓鑄件深孔泄漏風險。

2.2 增壓體積的常規(guī)計算方法

為有效控制缺陷，增壓體積須準確計算，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。

表1 局部擠壓技術原理

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

增壓體積計算方法如下：

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

表2 增壓體積參考表

圖1 局部擠壓結構示意圖

（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)階段以模擬分析結果為準，通過公式計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算方法

按照質量守恒的原則，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，使實際生產調試時擠壓銷開始擠壓設置的工藝范圍加寬，便于生產控制。

3 一般擠壓銷結構的設計標準

3.1 一般擠壓銷結構詳細結構示例

圖2 所示為擠壓銷設計在壓鑄件平臺處時的一般結構示例，圖3為擠壓銷設計在壓鑄件預鑄孔處時的一般結構示例。

圖2 擠壓銷方式一示意圖

3.2 擠壓銷和銷套的設計標準

擠壓銷技術要求：

（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 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≥銷套內孔配合段長度（按鑄銷標準設計）+擠壓行程+10。

銷套技術要求：

（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 部 硬 度50～52HRC。

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

經驗證，按上述規(guī)范制作的擠壓銷和銷套批量生產過程中沒有出現擠壓銷卡滯現象。

3.3 擠壓結構增壓油缸的選擇規(guī)范

局部擠壓的增壓壓力最小在2,000kgf/cm2以上，根據經驗增壓壓力在3,000～6,000kgf/cm2范圍內增壓效果最理想。

式中PLSQ——施加在壓鑄件上需增壓部位的壓力

PMC——壓鑄機系統壓力

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

根據經驗數據：局部擠壓時，增壓銷增壓壓力一般為系統壓力的20～30倍。

通過以上可知，當擠壓銷直徑為φ10mm時，一般選擇缸徑φ50mm的油缸推動擠壓銷實現壓鑄件的局部擠壓即可。

4 局部擠壓在壓鑄件中的應用示例

4.1 擠壓方式一的應用示例

如圖4中①、②處所示，壓鑄件2處φ30mm的凸臺區(qū)域有4個螺紋孔與斜油道相連，4個孔最小間距2.6mm，加工后不允許互滲，常規(guī)的鑄銷預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提高壓鑄件組織致密度，防止壓鑄件內部出現縮松缺陷，保證壓鑄件內部質量。

圖4 壓鑄件成品狀態(tài)

此處設計擠壓結構需將壓鑄件凸臺上的4個小孔全部取消預鑄，根據簡易增壓體積計算方法，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個小孔靠近凸臺邊緣，為保證壓鑄件凸臺邊緣的內部質量，擠壓銷端面面積沒有嚴格按照擠壓銷影響范圍選擇擠壓銷端面面積，但增壓體積與計算相符，結果證明只要增壓體積滿足需求，擠壓銷的規(guī)格可根據壓鑄件實際結構調整。

壓鑄件鑄銷預鑄、擠壓銷擠壓前后X光對比圖如圖6所示，直接預鑄時4個小孔間有輕微的縮松缺陷，當不預鑄不擠壓時凸臺縮孔非常嚴重，壓鑄件直接報廢，設計局部擠壓結構后凸臺處縮孔、縮松X光下不可見。經驗證鑄銷預鑄狀態(tài)下壓鑄件加工后氣密性檢測全部不合格，浸滲后100%合格，無預鑄狀態(tài)的壓鑄件X光檢測后直接報廢，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光結果對比

4.2 擠壓方式二的應用示例

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M6mm的螺紋孔，斜油道無法預鑄，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險高，加工后互滲風險高。

圖7 成品狀態(tài)圖示

圖8 成品狀態(tài)局部透視圖

圖9 反面局部擠壓設計點

為解決此問題在指示區(qū)域內側圓孔處設計擠壓銷結構，按上面介紹的增壓體積計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，按擠壓方式二的設計局部擠壓方案，擠壓銷規(guī)格φ8mm，擠壓深度10mm。

圖10 所示為壓鑄件X光檢測結果，擠壓銷設計位置周邊φ50mm的范圍內X光狀態(tài)下無可見縮孔、氣孔等缺陷，擠壓銷結構成功解決了斜油道處壓鑄件縮孔、縮松等缺陷出現的風險，壓鑄件加工后2處斜油道氣密性檢測100%合格，批量生產過程中此處斜油道沒有出現彌散性氣縮孔缺陷。

圖10 壓鑄件斜油道處X光結果

5 結論

（1）按本文介紹的方法設計的局部擠壓結構可成功解決鋁合金壓鑄件厚大部位的縮孔、縮松等問題。

（2）局部擠壓結構由于鋁液局部受較高的壓應力，壓鑄件內部質量穩(wěn)定，工藝穩(wěn)定后擠壓銷處不會出現彌散性氣縮孔等缺陷，壓鑄件合格率高。

（3）按本文介紹的設計規(guī)范設計的局部擠壓結構生產中運行穩(wěn)定，連續(xù)生產過程中沒有發(fā)生擠壓銷卡滯問題。