李興濤 馬殿雷

【摘 要】在現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展中，鋁合金作為一種輕型金屬材料得到了廣泛應用，但鋁合金鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量問題和其鑄造缺陷卻仍長期困擾著生產(chǎn)企業(yè)。本文通過對某款鋁合金殼體鑄件結構和工藝性進行分析研究，收集多種試驗數(shù)據(jù)，論述了該產(chǎn)品的鑄造工藝難點，介紹了相關的合理工藝控制方法，為后續(xù)其他類似殼體鑄件的質(zhì)量控制積累了經(jīng)驗，提供了理論指導。

【關鍵詞】鋁合金鑄件；壓力鑄造；工藝控制

20世紀80年代以來，汽車結構的變化主要方向是以提高使用的經(jīng)濟性為目標，降低燃油消耗，特別是普通型汽車，實現(xiàn)輕量化和小型化是現(xiàn)代汽車最顯著的特征之一。根據(jù)目前國內(nèi)外汽車工業(yè)的發(fā)展動態(tài)，轎車、輕型車用鑄件中，大多數(shù)的鑄鐵件將被鋁鑄件代替，從而達到汽車輕量化的目的。

鋁合金殼體類鑄件一般形狀不規(guī)則，部分結構不易機加工，目前車用鋁鑄件大部分還是鑄造毛坯面的結構；同時，鋁鑄件工作環(huán)境較為惡劣，通常對強度要求較為嚴苛，而且因為對于表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量要求也較為嚴格，一般需要生產(chǎn)廠家在過程控制中進行X光探傷等相關檢測。

1 鋁合金壓鑄件成型原理

鋁合金壓鑄件必須有模具成型，與壓鑄機、鋁合金組合加以綜合運用的過程。壓鑄工藝原理是利用高壓將金屬液高速流入一精密金屬模具型腔內(nèi)，金屬液在壓力作用下冷卻凝固成鑄件。冷、熱室壓鑄是壓鑄工藝的兩種基本方式。冷室壓鑄中金屬液由手工或自動澆注裝置澆入壓室內(nèi)，然后壓射沖頭前進，將金屬液壓入型腔。在熱室壓鑄工藝中，壓室垂直于坩堝內(nèi)，金屬液通過壓室上的進料口自動流入壓室。壓射沖頭向下運動，推動金屬液通過鵝頸管進入型腔，金屬液凝固后，壓鑄模具打開，取出鑄件，完成整個壓鑄形成工藝過程。

2 鋁合金壓鑄件設計要點

壓鑄件設計的合理性關系到整個壓鑄成型工藝的進行，在進行壓鑄件設計時，應充分考慮壓鑄件的結構特點、壓鑄的工藝要求，盡量減少設計的壓鑄件在壓鑄成型工藝過程中缺陷的發(fā)生，以最優(yōu)的設計方案從最大程度上提高壓鑄件質(zhì)量。

2.1 合理設計壓鑄件壁厚

鋁合金壓鑄件結構設計時要充分考慮壁厚問題，壁厚是壓鑄工藝中一個具有特殊意義的因素，壁厚與整個工藝規(guī)范有著密切的關系，如填充時間的計算、內(nèi)澆口速度的選擇、凝固時間的計算、模具溫度梯度的分析、壓力（最終比壓）的作用、留模時間的長短、鑄件頂出溫度的高低及操作效率；設計壁厚太厚會出現(xiàn)縮孔、砂眼、氣孔、內(nèi)部晶粒粗大等外表面缺陷，使得機械性能下降，零件質(zhì)量增加導致成本上升；設計壁厚太薄會造成鋁液填充不良，成型困難，使鋁合金溶解不好，容易出現(xiàn)鑄件表面填充困難、缺料等缺陷，并給壓鑄工藝帶來困難；壓鑄件隨氣孔的增加，其內(nèi)部氣孔、縮孔等缺陷增加，故在保證鑄件有足夠強度和剛度的前提下，應盡量減小鑄件壁厚并保持截面的厚薄均勻一致。

3殼體工藝分析

3.1 產(chǎn)品結構及原材料概況

這款傳感器殼體蓋（sensor cover）應用于管柱式電動助力轉向系統(tǒng)（C-EPS），是C-EPS總成的重要部件之一：殼體外形不規(guī)則，有2處凸臺設計，但凸臺的高度各不相同；最大外徑為105 mm，高度為40 mm，主要壁厚截面為3.5 mm；殼體僅大筒和小筒的外徑表面需要進行機加工，公差需要保證在+/-0.1 mm范圍內(nèi)，但內(nèi)腔不需要加工，降低了產(chǎn)品的難度。

考慮到C-EPS的潰縮試驗的性能要求，Sensor Cover需要滿足承受不小于20KN的靜態(tài)壓潰力。為了滿足這款薄壁殼體高強度、高耐壓的要求，設計Sensor Cover按照GB6414-86 CT6級進行控制，不允許裂紋，夾雜的存在，同時不允許用焊補或浸漬的類似方法進行產(chǎn)品修復。

3.2 產(chǎn)品工藝分析

3.2.1 生產(chǎn)流程

Sensor Cover的生產(chǎn)流程包括：來料、熔煉/壓鑄、切邊/清整、機加工、清洗、裝配等。

除了按EN1706標準控制來料保證鑄件的產(chǎn)品質(zhì)量，在熔煉過程（一般溫度控制在700℃～740℃）中，也要注意除氫的控制。

3.2.2 缺陷分析

雖然Sensor Cover結構簡單，但同樣易產(chǎn)生常見的鑄造缺陷：

1）花斑：當發(fā)現(xiàn)Sensor cover成品件顏色有時會發(fā)暗、發(fā)黑時，需要控制金屬和模具的溫度差異，熔煉時的充型速度和噴丸過程中噴涂量的大小。

2）氣孔缺陷：對于壓鑄產(chǎn)品，氣孔缺陷是必然存在的。對于Sensor Cover的控制是保證關鍵區(qū)域中不產(chǎn)生超過ASTM E505 2級標準的氣孔。

這一氣孔標準要求是為了保證殼體的強度測試，該區(qū)域的內(nèi)部氣孔需要進行100%X射線探傷，保證以10 mm*10 mm=100 mm2為單位計算時：

氣孔面積S≈0.3*0.3*3.14*6+0.45*0.45*3.14*3+0.4*0.4*3.14*2+0.5*0.5*3.14*2≈6.185 mm2

可接收氣孔直徑要求是≤φ1.6 mm，經(jīng)換算氣孔率=6.185/100≈6.2%；同時保證機加工表面的氣孔最大不超過2.0 mm。

通過目視檢查可以控制Sensor Cover的外觀缺陷，但目前還只能依靠X光探傷檢測內(nèi)在缺陷。當批量化生產(chǎn)Sensor Cover時，無論是考慮到生產(chǎn)節(jié)拍還是成本費用，很能實現(xiàn)100%探傷，因此需要使用CAE等輔助技術作為壓鑄工藝分析的參考，盡可能在毛坯階段控制改善鑄件的內(nèi)在質(zhì)量。

4工藝參數(shù)及設備選用

根據(jù)Sensor Cover結構特點及技術要求，一般采用350T壓力鑄造，結合以往鑄件產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)若模具結構、工藝參數(shù)選用不當，容易造成壓鑄過程中液態(tài)金屬充填速度過快，型腔內(nèi)氣體無法完全排除，從而造成成品中伴有氣孔及氧化夾雜物等缺陷，因此降低了鑄件質(zhì)量?？梢钥闯龊侠淼墓に噮?shù)的選擇是確保鑄件質(zhì)量的先決條件。

4.1 工藝裝備的設計

為確保鑄件尺寸精度不受到工裝夾具精度的影響著，為此款殼體重新設計制作了模具。

4.2 加工余量的選定

按Sensor Cover裝配設計要求，外圓保證切削加工成形。由于薄壁件殼體鑄件的表層致密層一般僅為0.8 mm，為防止過加工，導致中心組織較疏松，降低殼體性能或耐壓能力，因此在模具設計中采用定位銷配合定位，進而將機加工量減小到0.5 mm范圍了，不僅提高了鑄件內(nèi)在質(zhì)量，同時節(jié)約了機加工時間。

4.3 模具方案的選擇

運用AnyCasting軟件在Sensor Cover模具設計前期進行模流分析，采用3種不同入水口的虛擬設計，模擬鑄件凝固過程的數(shù)值，以及預測缺陷區(qū)域。通過比較，方案c的流道設計在液流填充方面更為順暢，實際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)殼體件的內(nèi)部缺陷明顯改善，提高殼體的成品率。

5 效果

取用實際生產(chǎn)的6件殼體，經(jīng)過X光射線探傷后，關鍵區(qū)域內(nèi)部控制合格率達到100%；然后進行精車，機加工面氣孔也達到了ASTM E505 2級水平；最后進行破壞性壓潰試驗，發(fā)現(xiàn)6件殼體全部通過，可承受壓力達到25KN以上。

6 結論

壓力鑄造的工藝流程較長，較難進行過程控制，因此必須從來料開始進行管理，從而提高鑄件的合格率。實踐表明，Sensor Cover的工藝方案是合理可行的，有效的工藝措施也為其他大型殼體的批量生產(chǎn)奠定了基礎，積累了經(jīng)驗。

參考文獻：

[1]宋才飛.中國壓鑄行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，特種鑄造及有色合金，1997（1）：22-24.

[2]馮發(fā)育.關于壓鑄鋁合金的硬質(zhì)點及其防止，特種鑄造及有色合金，1988（6）：38-4l.

[3]陸樹蓀，顧開道，鄭來蘇.有色鑄造合金及熔煉，國防工業(yè)出版社，1983.

（作者單位：長城汽車股份有限公司）