淺析壓鑄生產(chǎn)中鋁合金鑄件汽車變速箱閥板部分缺陷的研究

（湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院，湖南長沙市，410000）林志毛

隨著近年來我國推行節(jié)能減排、輕量環(huán)保的生產(chǎn)風(fēng)氣，汽車制造中也越來越多的利用鋁合金壓鑄成形技術(shù)來生產(chǎn)所需的構(gòu)件，例如變速箱殼體、前罩殼、變速箱閥板和發(fā)動機缸體等[1]。其中，由于汽車壓鑄變速箱閥體需要在裝配使用后能夠發(fā)揮多重功能，也具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和比較高的內(nèi)部質(zhì)量要求，才能保障汽車能夠在搭載閥體后具有良好的變速能力，這給壓鑄生產(chǎn)的設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

本文結(jié)合我公司生產(chǎn)的壓鑄鋁合金鑄件汽車變速箱閥板加工，探討了在原鑄件生產(chǎn)存在缺陷時如何進(jìn)行有效改進(jìn)。該鑄件是汽車變速箱上重要的結(jié)構(gòu)支撐部分和外殼保護(hù)部分，材料為ADC12,外廓尺寸為425mm×180mm,最大壁厚8.7mm,毛坯重2.3kg，構(gòu)件整體結(jié)構(gòu)較大。在壓鑄時，首先通過超高壓、高溫的條件來調(diào)制鋁液，再在壓力作用將其迅速轉(zhuǎn)入充型模具的，結(jié)合模具壓鑄來構(gòu)建所需的鑄件。在此過程中，鋁液轉(zhuǎn)移過程中極易混入氣體，為了保障鑄件能夠發(fā)揮其特殊用途，需要做好氣密性檢査，避免空氣混入影響鑄件的力學(xué)性能。相關(guān)生產(chǎn)制造標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定了壓鑄鋁合金鑄件應(yīng)當(dāng)致密組織，內(nèi)外部氣孔符合相關(guān)規(guī)格的嚴(yán)格要求，且不能存在其他影響性能作用的鑄造缺陷。由于變速箱閥板結(jié)構(gòu)復(fù)雜,結(jié)構(gòu)不夠規(guī)整，存在較大壁厚變化，加大了構(gòu)件制造的難度，是典型性的復(fù)雜壓鑄鋁合金構(gòu)件[2]。

1 原生產(chǎn)工藝及構(gòu)件質(zhì)量

1.1 原生產(chǎn)工藝

1.1.1 劃分構(gòu)件分型區(qū)塊

汽車變速箱閥板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有較大包緊力，整體結(jié)構(gòu)如圖1，在設(shè)計動模時，根據(jù)其各部分的功能結(jié)構(gòu)劃分構(gòu)件分型區(qū)塊。

圖1 變速箱閥體

1.1.2 設(shè)計構(gòu)件滑塊

為了保障功能能夠充分發(fā)揮，在設(shè)計時尤其需要注重密封槽的氣密性，避免內(nèi)外部產(chǎn)生氣孔結(jié)構(gòu)。為此，構(gòu)件模具利用了多個滑塊設(shè)計成形，從而能夠鑄出各種長短進(jìn)深的密封槽[3]。其中，確定模具型腔需要綜合鑄件的基本尺寸及其平均公差，從而獲得鑄件均尺寸，加上鋁合金線收縮、涂料層厚度及高溫條件下熱膨脹系數(shù)對其的影響，以此來確定澆筑模具的尺寸。

1.1.3 設(shè)計構(gòu)件澆注系統(tǒng)

鋁合金構(gòu)件澆筑等操作一般選用低壓條件，讓金屬液能夠穩(wěn)定、迅速的在模具中充型冷凝，且能夠緩沖波動的影響，篩除金屬液中的渣料，后進(jìn)液能夠及時補縮已冷凝液的空余位置。在汽車變速箱閥板加工過程中，選擇從最低點進(jìn)行充型，其中，有效控制了鋁金屬液的飛濺現(xiàn)象，降低了在此過程中的空氣混入和氧化夾渣。采用梳形設(shè)計的構(gòu)件澆注系統(tǒng)，加上集渣槽、冒口等澆筑系統(tǒng)單元來保障澆筑穩(wěn)定性。

1.1.4 設(shè)計分型區(qū)塊隔層

構(gòu)件的各分型區(qū)塊有較高的氣密性要求，不能夠存有夾雜、冷隔、氣孔等問題。因為各區(qū)塊位置離澆口較遠(yuǎn)，在用鋁液進(jìn)行充型時比較困難，尤其是最后的充填部分,易出現(xiàn)冷隔缺陷等問題。為了保障整體充型的完整性和質(zhì)量，在模具中設(shè)置了多個澆口點，各個區(qū)塊的近動模側(cè)也設(shè)計了3mm厚的間隔層，孔制凝固時間，讓最后澆口的部位能夠最晚凝固，成為構(gòu)件的補縮通道。

1.2 原構(gòu)件生產(chǎn)中的質(zhì)量問題

在將生產(chǎn)條件調(diào)整到適宜水平后，進(jìn)行批量試生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件的廢品率超過了60%。根據(jù)統(tǒng)計分析可知，其缺陷部位有一定的分布規(guī)律:（1）構(gòu)件區(qū)塊內(nèi)表面氣孔，在構(gòu)件區(qū)塊的孔腔內(nèi)可以發(fā)現(xiàn)其內(nèi)表面存在1個到多個較大的長條性氣孔,寬越1～2mm,長約3～5mm，整體分布離澆口較遠(yuǎn)，直接導(dǎo)致整個閥板存在功能缺陷，密度和質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，在批次構(gòu)件中有30%占比。（2）構(gòu)件區(qū)塊螺孔縮孔，發(fā)現(xiàn)每個螺孔都存在嚴(yán)重縮孔問題，其收縮后的直徑變?yōu)?mm左右，占批次構(gòu)件的35%。縮孔問題往往出現(xiàn)在厚大部位，例如螺孔部。

1.3 缺陷原因分析

1.3.1 構(gòu)件區(qū)塊內(nèi)表面氣孔原因分析

統(tǒng)計所形成的的氣體孔洞的大小、數(shù)量、位置后發(fā)現(xiàn)，其主要分布在遠(yuǎn)澆口側(cè)，尤其是3mm厚的隔層結(jié)構(gòu)內(nèi)。原設(shè)計3mm的隔層結(jié)構(gòu)盡管增強了充型能力，但氣孔排出的問題卻未得到改善。增加濾渣包環(huán)節(jié)，改進(jìn)鋁液的充填平穩(wěn)度，適當(dāng)延長其凝固時間，以降低氣體混入，保障局部聚集氣體能夠在鋁液凝固前充分排出。

1.3.2 構(gòu)件區(qū)塊M6螺孔縮孔分析

在統(tǒng)計分析了試生產(chǎn)構(gòu)件的螺孔大小、數(shù)量、位置，結(jié)合構(gòu)件解析和3D數(shù)據(jù)分析可知，構(gòu)件螺孔的局部壁厚超過了10mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離其4.5mm的正常值，這種壁厚變化會使局部產(chǎn)生熱節(jié)。金屬液在流經(jīng)澆口時，該部位會吸收大量熱量，若損失部分無法被及時有效的補充，或流失速率遠(yuǎn)超補充速率，則會讓澆口部的鋁液先凝固，鑄件凝固時無法繼續(xù)得到溶液補償，導(dǎo)致縮松孔穴缺陷。

2 工藝改進(jìn)

2.1 設(shè)凌包并適當(dāng)延長凝固時間

利用X光檢與局部解剖，發(fā)行鑄件區(qū)塊孔內(nèi)部組織比較致密,原結(jié)構(gòu)設(shè)計不存在氣孔、冷隔等缺陷,即原有設(shè)計下的生產(chǎn)系統(tǒng)有足夠的充型能力。所以，擬將3mm的隔層改為一個開口在孔的頂端的渣包，在生產(chǎn)時能夠收集充型時混入的氣體和冷卻的鋁液。在操作時，適當(dāng)延長凝固時間，將270s延長至350s。采用該方案后再進(jìn)行批量試生產(chǎn)，發(fā)行構(gòu)件區(qū)塊孔位置有良好的內(nèi)部質(zhì)量良好，無氣孔產(chǎn)生。

2.2 設(shè)擠壓銷

考慮到整個構(gòu)件存在多個需要擠壓的螺孔，為控制擠壓機的空間和力作用，提升效率，結(jié)合螺孔位置特點，設(shè)計了多組3支擠壓銷呈120°均勻分布的擠壓結(jié)構(gòu),在多個油缸驅(qū)動下進(jìn)行擠壓操作。采用該方案后，鑄造的構(gòu)件有良好的螺孔質(zhì)量，少部分出現(xiàn)縮孔的直徑偏離也小于0.5%。在采取了增加渣包、適當(dāng)延長凝固時間和增設(shè)擠壓銷等改進(jìn)措施后，所生產(chǎn)的汽車變速箱閥板出現(xiàn)區(qū)塊氣孔缺陷的比例降低至0.5%以下,各氣孔的尺寸也從3mm降低至中0.5mm，且未發(fā)生螺孔的縮孔缺陷，工藝改進(jìn)措施應(yīng)用良好，解決了構(gòu)件生產(chǎn)中的氣孔和縮孔等問題，大大改善了壓鑄構(gòu)件的質(zhì)量，使其合格率提升至95%以上。