摘要：针对某离合器壳体铝合金的压铸成形，应用数值模拟方法，了解铝合金液体流动充型状态与铸件缺陷的分布，优化了铸件的浇注系统与排气系统，大大降低了模具的开发周期。同时在试模与试生产阶段，从浇注、工艺、模具等方面分析了不同缺陷产生的原因，并提出了改善措施。结果表明，合理的浇注、排气系统与合理的冷却是获得高品质压铸件的关键。

铝合金因其质量轻、强度高、耐腐蚀的特点，在汽车，航空航天，交通等领域得到广泛应用。铝合金通过强化合金元素 ,其强度大大提高 ,由于质轻、散热性好等特点 ,完全满足了离合器壳体、变速箱壳体、侧盖在恶劣环境下工作的要求。由于铝合金密度低 ,强度性能与灰铸铁相近 ,韧性却高于灰铸铁 ,且有良好的铸造性能，因此, 应用铝合金可以明显地减轻汽车自重。离合器壳体的制造比较困难，且其要具有耐磨、抗热、抗变形、气密性好等特性 ,所以离合器壳体的工艺开发设计具有一定的难度。

1、铸件的结构及开发技术要点

开发的汽车离合器壳体压铸零件见图1。该零件轮廓尺寸200.55 mm ×562.98 mm×409.06 mm，压铸件质量为11.21 kg，平均壁厚为5 mm，投影面积为 201 910mm2,铸件材质为ADC12 合金；该铸件有多处的厚壁热节部位，易造成缩孔；产品要求所有外形尺寸符合图纸的装配要求，特别是平面度以及位置度要求必须满足图纸规范的要求；密封面气缩孔Φ0.5～1.0 mm允许1个，气缩孔小于Φ0.5 mm的允许2个，轴承孔机加工后不允许有气孔外露，并且产品要求气密性试验，有非常严格的气密性要求。

图1：离合器壳体压铸零件

图2：各油道位置图

根据要求，生产该产品有一定的困难，尤其油道交汇处对致密度要求很高，否则容易引起油道间串漏，所以设计时在两处油道交汇处（图2所标记处）加入外部挤压，以防止缩松、缩孔出现；同时该产品有较多的螺纹孔、轴承孔，加工面不允许有气孔外漏，因此采用高真空压铸，在压射过程中减少气体来源，从而减少产品气孔。该零件在27000 kN压铸机上生产，配有实时压射控制系统。

为了缩短开发的周期，使用压铸模拟软件进行分析，结合实际生产经验，采取两种不同的进浇方式。一种是从底部与侧边油道两边进料，见图3；另一种是直接从底部进料，见图4。

对两种进料方式进行模拟分析，见图4和图5。从模拟效果看，本浇注系统能够实现铝料的平稳充填，卷气主要集中在渣包和局部死角位。由于产品结构复杂，局部壁厚不均匀和狭小位置较多，所以呈现出不等速的冷却速度，据此设计出合理的冷却系统。动定模狭小位置采用割镶件的方式，单独控制冷却，崩缺后容易更换。第1种进料方式不便于自动化设备除去侧边浇道，且类似产品开模时侧边易变形甚至粘模，故本产品采用第2种进料方式。

2、压铸工艺的选择

2.1 高速切换点

压铸件质量为11.21 kg，渣包与溢流道质量为1.72 kg，压射有效长度为890 mm，冲头直径为160 mm，所以内浇口的高速起点距离为622 mm处。

2.2 真空工艺选择

型腔内气体体积约为6.8 L，直径为160 mm的料室内气体体积为8.4 L，即总共需要抽气的体积为15.2 L。选择的真空阀排气口面积为240 mm2 ，排气流量为55 L/s，故抽气所需要时间为0.28 s。整个慢速过程平均时间为1.275s，因此理论上抽气时间足够。真空阀响应时间为80 ms左右，慢速为1m/s，故理论真空阀需在高速切换点前80 mm处关闭。
为确定最佳的抽真空开始位置和结束位置（射头行程），对3组参数进行试验，见表1。

表1：真空参数选择

试验结果表明，第1组有较多冷隔、成形不良现象产生。主要是料槽口未封住就开始抽气，导致料槽里空气流通加快，表面铝液氧化冷却严重，铝液流动性变差，导致冷隔成形不良等缺陷；并且在压射开始到封住料槽口这段时间内抽气，型腔内气压无变化。采用第2组参数，所生产的产品正常。第3组参数生产的产品水尾有较多气孔。原因是真空阀入料，抽气效果不好，导致气孔差，说明理论的抽真空结束位置不适合，需要提前。所以，抽真空的最佳参数为：在180 mm处（射头过料槽口）处开始抽真空，在490 mm处结束抽真空。

2.3 真空辅助条件下高速切换点的选择

铝合金离合器壳体在高真空辅助条件下压铸成形。由于高真空生产时型腔负压，随着冲头的推进，金属液高度不断升高而进入流道，在负压作用下，金属液有被吸入型腔的趋势。因此，在高真空压铸生产时，压铸高速切换点往往需要提前。

为了获得最佳的工艺参数组合，对3组参数做了试验见表2。

表2：压铸工艺参数选择

采用第1组参数试生产后，发现产品成形良好，水尾有轻微冷隔，入料口有扣模现象，但不严重。X光检测发现，水尾有明显气孔，见图7。

图7：水尾气孔

采用第2组参数生产的产品，成形良好，入料口有扣模现象，但不严重，X光检测发现，气孔较少。

图8：第2组参数试制结果

采用第3组参数生产的产品，表面呈现麻面、冷隔、夹层等不良。

图9：第3组参数结果

经过试验，采用慢速速度为0.30 m/s,高速速度为5m/s,高速起点为590mm,铸造压力为35MPa,比较合适。

3、压铸生产中的问题

在试模与小批量试生产过程中出现的问题：①去除产品内浇口容易崩入；②吊装孔底部缩孔，加工后外露；③挤压销底部缩松；④减料位、角位烧伤粘铝分析与对策；⑤电机孔里两油道间缩孔导致串漏。

图10：产品缺陷

4、缺陷的原因分析及对策

4.1 产品水口容易崩入成因分析与对策

该产品内浇口厚度为5 mm，属于特厚内浇口，所以去除水口很容易造成水口崩入。解决水口崩入的方法：一是在内浇口和产品连接处增加防崩凸台；二是减小内浇口厚度；三是采用锯床锯断内浇口。第1种方法需要在定模上减料，也就是要继续加工定模，首先需要3D造型，然后数控加工。第2种方法需要补焊入料口位置，再对补焊位置加工。第2种方法改变了模具的浇注特性，并且内浇口附近的补焊不稳定；考虑到本浇注系统流道全部在下抽芯，没有其他分支浇道，所以增加防崩凸台后应该会取得良好效果，所以最终选择第1种方案。

图11：内浇口和产品连接处增加防崩凸台

按照上述措施把内浇口和产品连接处增加防崩凸台后，在后续去除浇道时，从未发生浇口崩入的现象。

4.2 吊装孔底部缩孔，加工后外露

图12为吊装后缩孔。可以看出，吊装孔的孔深大，周边壁厚是正常壁厚1.5倍以上，特别是孔底，极易造成缩松、缩孔缺陷。

(a)吊装孔缩孔                                                                                (b)加工后外露的缩孔

图12：吊装孔缩孔，加工后外露

解决该处位置缩孔缺陷的方法。第一将气孔外漏针加长2 mm左右，减少加工余量，使加工时气孔不外露；第二将型芯针换成高压点冷，保证加工不外露；第三直接取消此处的针，验证缩孔能否加工掉。第1种方法最简单，只需更换芯针；第2种方法通过增加超点冷,能够很好解决芯针侧边缩孔问题，但是芯针头部缩孔依旧存在；第3种由于缩松和缩孔分布不规律性，产品加工后缩孔依旧存在。

第1种和第2种方法同时使用,即把型芯针换成高压点冷针并加长2 mm，吊装孔内加工后无缩孔外露情况发生。

4.3 油道交汇处挤压销底部缩松

图13为下抽芯挤压销。油道交汇处设计之初考虑到此处厚大，极易造成缩松、缩孔等缺陷，设计了挤压销，在铝液凝固过程中通过挤压销挤压，使组织更加致密。但在生产过程中，挤压销底部偶尔还是会出现缩松，主要还是对铝液的凝固过程不能很好把握，从而使挤压参数设置不合理，导致挤压无作用或者作用不明显。

图13：下抽芯挤压销

因为主要是生产过程中此处温度不稳定导致与挤压参数不合适，因此需加强生产过程中此处温度监控。在模具上增加热电偶 ，实时反馈此处温度变化，记录某一温度范围内运水的开度情况以及铝料温度数据，并记录对应的挤压参数。当此处温度出现较大变化时，需检查模具运水及铝料温度，若不能快速检查出问题所在，需适当调整挤压参数。措施实施后,挤压销底部内部质量稳定。

4.4 减料位、角位烧伤粘铝分析与对策

图14为减料位、角位有烧伤、粘铝现象，严重时还会破坏关键地方的致密层，导致漏气，影响产品的力学性能，必须加以控制。烧伤、粘铝是模具局部温度过高引起的，所以加强烧伤位置冷却是关键。

图14：减料位和角位烧伤

第一，优化烧伤位置的喷涂，保证喷涂喷到位，一些喷雾机喷不到的死角位增加内喷涂；第二，优化烧伤位置的运水冷却，在保证模具安全的情况下尽量缩短到模具表面的距离，还可以增加高压点冷等加强冷却；第三，对烧伤位置做表面处理，临时措施如模具表面做披覆层增加披覆表面的耐磨性、耐冲击性及耐热性，长久措施如渗氮、涂层处理，能使模具具有良好的脱模性。综合运用以上3种方法能有效控制模温升高，减轻烧伤、粘铝等缺陷。通过上述方法改进，烧伤、粘铝等缺陷得到有效控制。

4.5 电机孔油道间缩孔原因分析与对策

图15是电机孔两油道间存在缩松缩孔，容易导致油道间串漏。主要原因是此处较厚大，并且无冷却，极易形成缩孔，导致两油道串在一起。

图15：电机孔两油道

解决该处位置缩孔缺陷有2种方法。第1种方法是把两型芯针改为挤压销针，通过铝液的挤压把缩孔缺陷解决；第2种方法是通过把型芯针改为快换结构的高压点冷针，用高压冷却的方法令两型芯针周围铝液先凝固，消除缩孔。前者挤压针孔，挤压量有限，效果不明显，且成本高，需考虑挤压销针易断，发生故障难处理导致生产效率低等问题。后者改成快换结构的高压点冷针，虽然针的强度会有所降低，即便生产过程中断裂，更换也较方便。所以采用第2种方法。按第2种方法更改后，针孔之间缩孔缺陷被消除，但针孔底部由于加工余量过大，仍有缩松缩孔存在，此处漏气率由原来的60%减少到15%。由于针底部比较厚大，换成高压点冷针对底部冷却效果不好。因此将高压点冷针加长。这样做在加强冷却的同时减少加工余量，还可以使两针热节位错开。高压点冷针加长后，此处内部质量良好，此处两油道间无出现串漏现象，效果明显。

图16：加长高压点冷针后X光

5、结束语

数值模拟能为铝合金压铸件的质量控制及缺陷改善提供良好的参考依据；合理的高速切换点选择对铸件良好内部质量和表面成形良好都很重要，而高真空压铸对高速切换点有较大影响；型芯针的高压冷却解决了压铸件热节处的缩孔缺陷，表面处理技术的运用和合理的冷却设计为获得高质量的铸件提供了可靠的保障；合理修改铸件结构、减少加工余量对压铸品质提升都有积极意义。

作者：
安肇勇 黄志垣 陆淳佳
广东鸿图科技股份有限公司

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志2020年第40卷第05期