延遲頂出機構在控制薄壁壓鑄件變形中的應用

王凱樂

（精誠工科汽車系統有限公司-精工壓鑄分公司，河北保定 071000）

1 引言

壓鑄是熔融液態金屬在高速高壓狀態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，凝固成為需求的壓鑄件。常規汽車壓鑄件出模溫度一般在300℃～400℃，壓鑄件出模后通過水冷、風冷、自然散熱等方式達到室溫狀態，壓鑄件在冷卻過程中產生收縮變形。壓鑄件各個部位的實際溫度不一致、且因流道、排氣等結構溫差的影響，在冷卻過程中各部位的收縮量會有比較大的差異，從而導致壓鑄件冷卻到室溫時發生變形，形狀簡單的薄壁壓鑄件甚至會產生比較明顯的翹曲。在壓鑄件發生嚴重變形影響后期加工、組裝時，毛坯后處理單元就需要增加整形工藝，造成生產工序增加，生產節拍延長，從而增加了生產的成本。鋁合金壓鑄件整形工藝多數為冷整形，整形后壓鑄件因為應力回彈依然會殘留一定的變形量，特別是針對變形較大而平面度要求又比較高的壓鑄件，這個問題很難徹底解決。

隨著汽車輕量化、一體化的不斷發展，鋁合金車身結構件的使用越來越多，車身結構件壁厚一般在3mm左右，壓鑄毛坯因壓鑄件進料端遠近溫差收縮變形、主流道溫差收縮變形、壓鑄件局部壁厚溫差收縮變形、及熱處理過程中應力釋放和冷卻收縮變形等多重因素影響，毛坯后處理過程中基本都會產生較大的變形，需要增加整形工藝校正壓鑄件外形尺寸。特別是一體化車身大型結構件的出現，一種能高效、低成本的控制薄壁件鋁合金壓鑄毛坯變形的需求越來越迫切。本文介紹的延遲頂出機構通過使壓鑄件在壓鑄過程中產生反變形，進而補償壓鑄件后處理過程中產生的變形，達到實現控制壓鑄件變形的目的，為解決薄壁件鋁合金壓鑄毛坯變形問題提供了一種新的研究方向。

2 延遲頂出機構介紹

2.1 延遲頂出機構的組成

如圖1所示，延遲頂出機構主要由推板、推桿固定板、底板、推桿、延遲推桿等5部分組成，與常規動模頂出機構相比增加了延遲推桿，且延遲推桿后面必須設計模具底板以防延遲推桿損傷壓鑄機大板。

圖1 延遲頂出機構組成示意圖

延遲頂出機構是在常規壓鑄模頂出機構的基礎上增加延遲推桿來實現的，此結構對模具其它部分的結構和功能不會產生影響，且已經開發的模具也可以通過在對應位置增加延遲推桿以實現延遲頂出的目的。延遲頂出機構中的部分推桿需要設計倒拉鉤結構增加壓鑄件包緊力，如圖2所示，此倒拉鉤結構在壓鑄件不同區域分級頂出過程中起到增加壓鑄件局部包緊力，防止壓鑄件被周邊結構帶出的作用。

圖2 延遲頂出機構推桿樣式示意圖

2.2 延遲頂出機構的動作原理

延遲頂出機構的運動方式與壓鑄模中常規頂出機構相同，具體如下：

（1）模具推板通過拉桿（也可以是其它連接方式）與壓鑄機頂出裝置連接，模具開模后，推板在壓鑄機頂出裝置的作用下運動，帶動推桿Ⅰ和推桿Ⅱ將壓鑄件頂出使其脫離模具型腔。

（2）由圖1可見，合模狀態時延遲推桿Ⅰ與其安裝孔前后端完全貼合，延遲推桿Ⅱ的掛肩和其在推板上的安裝孔處有一個設計的間隙，這個間隙就是延遲頂出量，暫定這個延遲量為L，在推板推出過程中，推桿Ⅰ和延遲推桿Ⅰ隨推板運動L距離后，延遲推桿Ⅱ的掛肩與其推板安裝孔貼合如圖3所示，此時推桿Ⅱ掛肩與推桿固定板間的間隙為L，即推桿Ⅰ頂出距離L后推桿2才與推板硬性接觸。

圖3 延遲頂出機構頂出過程示意圖

（3）推桿Ⅰ頂出距離L后推桿Ⅱ在推板的作用下正式參與頂出，與推桿Ⅰ共同作用頂出壓鑄件，從而實現壓鑄件推桿Ⅱ處比推桿Ⅰ處晚頂出L距離。

（4）壓鑄件頂出后合模狀態下推桿Ⅰ和推桿Ⅱ通過其延遲推桿頂在底板上，防止其在漲型力的作用下后退或損傷壓鑄機大板。

當壓鑄件推桿位置的包緊力足夠大，可以抵消壓鑄件變形力時，在延遲頂出機構作用下，壓鑄件推桿Ⅱ處相對于推桿Ⅰ處的變形量為L，當壓鑄件形狀簡單局部包緊力不足以抵消設計的變形量所需的變形力時，推桿Ⅱ處壓鑄件結構會被周邊其他結構帶動脫模，此時推桿Ⅱ處相對于推桿Ⅰ處的變形量＜L，為了使其達到需求的變形量L，通常需要將推桿設計倒拉鉤結構（圖2示例樣式），同時增加推桿的數量使需要設計變形區域的包緊力≥壓鑄件變形所需要的變形力。

延遲頂出機構通過壓鑄件不同區域分級頂出，用壓鑄件的局部包緊力和設計的頂出延遲量使壓鑄件產生需求的局部變形，從而實現在壓鑄件頂出時產生局部變形，以抵消后期壓鑄件收縮、熱處理等產生的變形的目的。

3 延遲頂出機構在控制壓鑄件變形中的應用

3.1 模具結構中設計延遲頂出結構

使用延遲頂出機構控制壓鑄件變形時前期要充分識別壓鑄件的特性，分析其變形趨勢，在模具設計時要充分考慮后期通過延遲頂出機構控制壓鑄件變形的可行性。圖4所示為一款電池包支架，尺寸800×300×80mm，材料Castasil-37，無需進行熱處理。此壓鑄件為薄壁結構件，且壓鑄件形狀簡單，抗變形能力差，通過對其結構分析變形趨勢主要為800mm的長邊產生翹曲變形，如圖5所示，通過應力仿真分析預估變形量最大約2mm。

圖4 示例壓鑄件形狀示意圖

圖5 壓鑄件變形趨勢示意圖

根據此壓鑄件的變形趨勢分析，后期壓鑄件校形主要是長度方向的翹曲校形，因此在模具設計階段排布推桿時，參照圖6 所示在壓鑄件上設計6 豎排共24根推桿，流道上設計5跟推桿。此29根推桿全部設計延遲頂出機構。首副模具設計時延遲頂出機構不設計延遲頂出量，保證壓鑄件各部分同步頂出。因為壓鑄件形狀簡單，各部位的包緊力不足以使壓鑄件產生變形，此29根頂桿全部設計倒拉鉤結構，倒拉鉤頂桿與壓鑄件接觸面切邊厚度2mm，方便后期毛坯去除倒拉鉤凸臺。

圖6 示例壓鑄件頂桿排布示意圖

3.2 收集同步頂出時壓鑄件變形量

模具試制階段待壓鑄件澆注溫度、留模時間、模具溫度等基本生產條件穩定后才能檢測毛坯變形量，若生產條件波動較大變形檢測結果只有參考意義，不能作為設計延遲頂出量的數據輸入，前期產生變形的壓鑄件人工校形后使用。

待澆注溫度、留模時間、模具溫度等基本生產條件穩定后，生產過程中壓鑄件平衡頂出，機器人取件后水箱蘸水，然后立即去除流道（盡量保持與批產狀態一致），待其自然冷卻至室溫狀態時檢測壓鑄件尺寸。檢測壓鑄件變形量時將壓鑄件擺正，以圖7中壓鑄件中間圓點高度為縱軸零位，其它點高度差值為縱軸坐標，以壓鑄件長度方向點位為橫軸（以中間點為零位）坐標，按圖中十字線條交叉點檢測高度方向偏差值，此壓鑄件長度方向檢測點間距約30mm。每個壓鑄件檢測3排點共75個點位，共檢測3個連續生產的壓鑄件，每個點位取3組檢測數據的平均值，壓鑄件變形趨勢如圖8所示，圖中橫軸代表壓鑄件點位編號，不是壓鑄件長度方向實際值。

圖7 壓鑄件邊形變檢測點位示意圖

圖8 糾偏前壓鑄件變形量數據統計圖

3.3 延遲頂桿增加延遲量實現延遲頂出

由圖8壓鑄件變形數據統計圖可知，此壓鑄件前、中、后3個區域變形趨勢一致，完全可以取3個壓鑄件共9組檢測數據的平均值作為壓鑄件變形趨勢統計結果。此壓鑄件兩端最大變形量1.2mm，變形趨勢與前期分析一致，因為數據較多平均變形量不在此展示。根據統計的平均變形量修改模具中推板上延遲推桿安裝槽深度，完成此壓鑄件延遲頂出機構的完整設計。模具結構修改后按前期驗證過的生產工藝連續生產，按上面的檢測方法復核壓鑄件變形量，壓鑄件實際變形量均在±0.3mm以內，滿足壓鑄件平面度要求。

此壓鑄件因為結構簡單，壓鑄件抗變形能力差，延遲頂出量按壓鑄件變形趨勢設計即可滿足整形需求。剛度好的壓鑄件設計延遲頂出時若用實際變形量糾偏不足以滿足壓鑄件平面度要求，可在糾偏后適當的加大延遲頂出量，有時還需要在壓鑄件上設計倒扣結構增加延遲點的包緊力，迫使壓鑄件產生較大的反變形，實際應用中需根據壓鑄件結構的差異做相應的調整。

常見的影響壓鑄件變形的因素有：距離進料端遠近溫差收縮變形、因主流道收縮變形帶動的壓鑄件變形、壓鑄件局部壁厚溫差大收縮變形、熱處理過程中應力釋放和冷卻收縮變形等。多數鋁合金薄壁件的變形趨勢呈多方向性、多區域性，實際生產過程中需要根據壓鑄件各區域的變形數據和壓鑄件剛度綜合分析，確定延遲頂出結構的作用點，從而才能使壓鑄件產生需要的反變形量。

4 總結

（1）此延遲頂出機構簡單快捷，可以在常規量產模上通過推板結構變更實現，實用性強。

（2）統計穩定生產時壓鑄件的實際變形量，通過延遲頂出機構設計對應的延遲量，實現壓鑄件壓鑄時產生相應的反變形，可以有效的補償壓鑄件后期收縮變形。

（3）延遲頂出結構為控制薄壁壓鑄件變形提供了一種簡單可行的研究方向，為一體式車身大型薄壁壓鑄件變形控制提供了一種新的思路。