摘要：针对国产新一代高性能变速箱壳体，通过模流分析，有效预测产品制造风险，优化浇注系统工艺设计。通过机器人自动取件，有效降低工人的劳动强度，提高生产效率。通过压铸缺陷分析和改善，保证了产品的品质，使产品得到量产。

变速箱是汽车传动系统的重要零部件。但是，变速箱结构复杂，壁厚变化大，品质、加工尺寸精度和气密性要求高，导致产品制造困难，废品率高，需要对压铸工艺进行研究和改进。

某款变速箱壳体，材质为AlSi9Cu3(Fe)，轮廓尺寸为560 mm×440 mm×400 mm，一般壁厚是3.5 mm，产品质量是15.18 kg。该产品年产量5万件，内部要求符合ASTM E 505标准，铝合金气（缩）孔等级为1，密封位置加工后气孔直径小于0.4 mm，间隔大于8 mm，数量小于3个；毛坯表面不允许有铸点、冷隔、裂纹、飞边、毛刺等缺陷；气密性要求内腔在70 kPa的空气压力下，泄漏量小于3  mL/min。

通过分析对该款变速箱壳体的压铸工艺设计、压铸缺陷的原因分析和工艺改进，提出类似产品的典型压铸缺陷问题解决方法。

一、压铸工艺设计

1、压铸机型选择

压铸时，为了保证铸件尺寸精度和内部质量，防止压铸过程飞料，必须锁紧分型面。因此压铸机型选择依据压铸机锁模力大小的计算。

铸造总投影面积：

A_{铸造投影面积}=A_产品+A_浇道+A_溢流槽=2829cm²；A_{抽芯投影面积}=A_抽芯×tan15°=121 cm²；F_锁≥安全系数×压射比压× (A_{铸造投影面积}+A_{抽芯投影面积}) =3 0680 kN

根据锁模力计算结果和公司压铸机台资源，选择IDRA的37 000 kN压铸机。
为了进一步确认压铸机型选择是否合理，进行压室充满度核算。

K=G/(ρπR²L) =46.7%

式中，G为浇注质量，g；K为压室充满度；R为压射冲头半径，cm；ρ为铝合金密度，g/cm³；L为空压射有效长度，cm。

压室充满度计算结果46.7%，符合标准30%~75%范围要求，压铸机选型可行。

2、压铸模具设计

内浇口设计应该使铝液的充型过程距离尽可能短，以减少铝液温度的降低；浇口位置应该使铝液到达型腔各处位置距离相等，实现远离部位同时充填和凝固；应该设置在压铸件厚壁处，以实现顺序填充、压力补缩。根据该产品的结构特点、高内部质量要求和金属液填充流向的需要，浇注系统采用扇形设计，浇口厚度为5 mm，位于产品壁厚5 mm分型线位置，设置在下滑块上。浇注系统设计见图1，模具设计见图2和图3。

图1：浇注系统设计

3、模流分析

为了提高模具方案设计的合理性，按照符合实际的压铸工艺参数及边界条件进行各个阶段的参数定义，通过Magma软件进行模流分析。模流分析工艺参数见表1。

表1：模流分析工艺参数表

图4为填充温度分析。可以看出，型腔100%填充后，铸件整体的温度在620~640℃，均高过液相线温度578℃，铸件因铝液温度下降出现冷隔的风险较小。图5为填充速度分析。,可以看出，铸件在内浇口的速度值约为55 m/s，符合设计要求。图6为凝固过程分析。凝固过程中的温度场变化，显示了从料饼到关键部位的补缩路径，孤岛区域在25%以上，容易有缩孔。表明孤岛区域有缩孔风险。图7为热节分析。可以看出铸件内部存在局部厚大区域，容易形成热节。图8为缩孔分析。可以看出热节处容易产生缩孔，可以应用点冷工艺加强冷却或挤压工艺增加铝液的补缩。通过工艺分析，选择高压冷却水冷却工艺。

4、压铸工艺参数

压铸工艺参数选择是：低速压射速度为0.2±0.1 m/s；高速压射速度为5.5±0.5 m/s；高速距离为550±10 mm；增压距离为650±10 mm；浇注温度为660±10℃

5、机器人自动取件

因为产品净重为15.18 kg，浇注系统质量为9.32 kg，采用机器人取件。取件手由3部分组成，分别是左侧的三爪卡盘定位机构、右侧的气缸连杆夹紧机构和下方料柄抓紧机构组成。首先，左侧的三爪卡盘伸进制品左侧的圆孔内，并撑开涨紧，固定产品位置。

其次，右侧连杆夹紧机构通过外面的两个支撑柱顶住产品，2个仿形夹爪通过2组气缸进行夹紧。2个仿形夹爪的夹紧位置选择在工件的2个加强筋位置，防止了工件变形的可能。

最后，料柄抓紧机构通过下方平行气缸夹紧料柄，平行气缸上方装有带导轨的软浮动机构，可以保证在夹紧料柄的同时自动对准料柄的中心。

二、压铸缺陷分析及改进：

产品油冷器回油孔直径为14 mm，深度为6 mm，采用密封圈进行密封，要求孔内腔表面气孔直径小于0.4 mm，间隔大于8 mm，数量小于3个。实际试制发现，缩孔尺寸为2 mm×1.5 mm×2 mm，严重超标，比例达到90%，会导致产品泄漏。缩孔缺陷位置及大小见图9。

图9：回油孔气孔位置及大小

缩孔产生的原因是，油冷器回油孔位置局部厚大，达到20 mm，属于热节，由于孔表面起密封作用，质量要求非常高，即使压铸出毛坯孔也不能有效保证。

针对产品油冷器回油孔位置局部厚大产生缩孔问题，通过在模具上滑块对应位置增加挤压销进行解决。挤压有2种方案，一种是面挤压，效果较好，可以有效解决内部有较大的缩孔问题，但挤压销套需要打磨或加工去除，孔加工余量大，制造成本高；另一种是孔挤压，效果一般，只可以解决孔表面较小的缩孔问题，但没有销套残留，孔加工余量小，制造成本低。由于该产品回油孔缩孔缺陷较小，通过综合考虑，选择孔挤压。上滑块挤压方案见图10。挤压销和挤压销套结构见图11和图12。

图10：挤压方案

在实际应用过程中挤压销工艺压效果不好，加工完成仍然有缩孔产生。主要原因是孔加工完成后是台阶孔，导致孔的加工余量较大，挤压量不足以消除缩孔。通过改进挤压针套，按照台阶孔尺寸进行仿形挤压，使孔的单边加工余量保证在0.5 mm，有效解决缩孔问题，合格率达到100%。挤压销套改进见图12。

产品小端轴承孔，直径为73 mm，深度为30 mm，安装一个刚性轴承和一个塑性轴承，要求孔内腔表面气孔直径小于0.7 mm，间隔大于15 mm，数量少于3个。实际试制发现，缩孔直径为3 mm，超出产品质量标准，发生比例达到45%，影响产品的装配性。缩孔缺陷位置及大小见图13。

图13：轴承孔缩孔位置及大小

原因是缺陷位置属于最后充填位置，模具温度较低，容易产生缩孔。针对产品小端轴承孔缩孔，重点是控制模具温度，措施如下。

（1）通过使用模温机来进行模具温度平衡控制。动模设计W11、W12 两组；下滑块设计W30、W31 两组；左滑块设计W40 一组；上滑块设计W60、W61 两组；右滑块设计W70、W71  两组，模温机设定模具温度为220±10 ℃，回油温度为170±10 ℃。实际使用时，需要模具上模完成后，打开模温机进行预热，全部直冷、点冷暂不开，约1 h模具回油温度达到标准后，开始增压高速热模。模温控制设计见图14。

图14：模温控制设计

（2）通过增加电磁阀对模具左滑块高压冷却水冷却时间进行控制。左滑块W45-53是普通冷却水道，W41-W44是高压冷却水道。电磁阀收到压铸机射头移动信号后，通过延时阀、计时器进行高压冷却水工作时间控制，避免高压冷却水长期工作，降低模具局部温度。由于收到电磁阀信号立即开始冷却，延时阀设定0 s；由于留模时间设定20 s，计时器设定15s。冷却时间控制见图15。

综上所述，通过模温机、高压冷却水冷却时间控制措施，有效地保证了产品压铸过程中，模具温度稳定在220 ℃左右，解决了缩孔问题，缺陷比例降低到0.2%以下。

图15：冷却时间控制

三、结论

（1）通过模流分析，可以有效地评估产品压铸工艺设计的可行性及可能发生缺陷的位置，优化工艺设计，避免模具报废或重大维修。

（2）通过灵活应用挤压工艺，可以在满足产品质量要求的前提下，降低产品的制造成本，实现精益生产。

（3）通过设计辅助工装，控制高压冷却起点和持续时间，可以有效地调整模具温度，使模具整体温度平衡，避免压铸缺陷产生。

作者：
周海军 陆建成 伍世添 常移迁
广东鸿图南通压铸有限公司