原标题：离合器壳体压铸工艺分析及缺陷改善

摘 要：国产新一代CVT变速箱燃油经济性、动力性、舒适性好，成本低，但是集成结构的复杂化，功能的多样化给离合器壳体的制造带来了极大的挑战。通过应用并完善高压点冷型芯针设计，可以有效地提高热节的冷却效果，延长针的使用寿命；通过改进毛坯形状设计，增加挤压销的直径，可以有效解决厚大位置内部缩松、缩孔缺陷，保证产品的内部质量和气密性。

前 言：国产新一代CVT变速箱可获得传动系统与发动机工况的最佳匹配，但是变速箱结构复杂，壁厚变化大，内部品质、表面品质、加工尺寸精度、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。

我司生产的离合器壳体，材质是ADC12合金，轮廓尺寸是545 mm×430 mm×230 mm，一般壁厚是3.5 mm，产品质量是10.47 kg。该产品峰值年产量为20万件，内部质量要求优于ASTM E 505 2级标准，外观质量要求装配及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；外观质量要求毛坯表面不允许有铸点、冷隔、裂纹、飞边、毛刺等缺陷；气密性要求高压油道在300 kPa的压力下，泄漏量小于3 mL/min。

通过对离合器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。

1、压铸工艺设计

1.1 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。因此选择关键是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=3 229 c㎡

F锁≥安全系数×压射比压×A铸造投影面积=1.1×75×3229=2 6640 kN

根据锁模力计算结果和公司压铸机台资源，选择IDRA的27 000 kN压铸机。

1.2 压铸模具设计

内浇口设计应该使铝液的充型距离尽可能的短，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，实现顺序填充、压力补缩。根据该产品的结构特点，两个大的轴承孔内部、高压油道内部质量要求高，根据金属液填充流向的需要，浇注系统采用梳形设计，浇口厚度为4 mm，位于产品壁厚5 mm分型线位置，设置在定模面上。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

图2 定模设计

图3 动模设计

1.3 嵌件工艺设计

为了提高变速箱输出带轮轴前轴承孔的耐磨性能，产品设计了嵌件结构，嵌件材料为ADC14合金，壁厚为3 mm,见图4。要求嵌件在模具上放置位置准确、稳定可靠，压铸过程中，铝液和嵌件紧密结合无间隙，且该孔用作机加工定位孔。嵌件内径φ78.57±0.03 mm，动模定位凸台直径φ78.45±0.01 mm，配合间隙单边0.04~0.08 mm，嵌件使用烤箱加热至200 ℃，人工拿取与模具前端贴合放置。嵌件在模具上定位见图5。

图4 嵌件

图5 动模嵌件定位

1.4 压铸工艺参数设计

铸造压力选择75 MPa, 填充速度为50 m/s；内浇口总横截面积为1 490 m㎡；冲头直径为160 mm, 冲头横截面积=πD2/4=20 096 m㎡；内浇口和冲头速度比= 冲头横截面积/内浇口总横截面积=13.49；冲头速度=内浇口速度/内浇口和冲头速度比=3.7m/s；G内浇口通过质量=G产品质量+G渣包重量=13 500 g；填充时间=内浇口通过质量/（铝液密度×内浇口截面积×填充速度）=68 s；

高速切换位置，一般以溶汤到达浇口的位置为基准进行设定，根据产品质量和功能需求，前后调整切换位置来选择最佳位置，对产品质量影响较大，产品某位置出现缺陷时，都可以通过调整切换位置来观察缺陷的变化来改善产品，见图6，计算方法如下：

高速行程= G内浇口通过质量/冲头横截面积/AI液密度=(13500/20096)/2.64×1000=254 mm；

料柄厚度为35mm；

高速切换点=压室有效长度-料柄厚度-高速行程=915-35-254=626mm；

图6 高速行程及切换点位置

2、压铸缺陷分析及改进

(1)问题1 产品变壳安装密封面上的M10螺纹孔，毛坯孔大端直径为7.5 mm，深24 mm，加工完成后，在300 kPa的空气压力下和高压油道发生窜漏，发生比例达50%，严重影响产品的密封及使用功能。漏气位置见图7。

图7 漏气位置

原因是，M10螺纹孔位置局部厚大，达到20 mm，属于热节，在压铸成形过程中，产生约5 mm大小的缩孔，导致M10螺纹孔和高压油道串漏，缺陷解剖及X光检查，见图8。

图8 缺陷解剖及X光

针对产品M10螺纹孔位置局部厚大产生缩孔问题，通过采用高压型芯点冷针进行解决，型芯针直径为7.5 mm，内部冷却通道直径为3.5 mm，单边壁厚为2 mm，见图9。实际使用过程中，发现点冷针头部粘铝，冷却效果差，主要原因是原设计冷却通道底端距离针头部6 mm，不能快速有效冷却，改进为冷却通道底端距离针头部3 mm，见图10，不易断针，冷却效果良好，缩孔缺陷问题得到彻底解决，不良为0。

图9 改善前超点冷针设计

图10 改善后超点冷针设计

(2) 问题2：产品高压油道孔，毛坯孔大端直径为8 mm，深87 mm，加工完成后，前部M10螺纹孔出现黑皮残留，螺纹孔内1/4周无螺牙，该批次发生比例达47%，严重影响产品的装配和密封性能，导致批量报废。螺纹不良见图11。

图11 螺纹孔形状、尺寸及缺陷位置

原因在于，型芯针孔大端尺寸要求φ8±0.3 mm，实测结果为7.98 mm，尺寸合格；型芯针孔深度要求：87±1 mm，实测结果为86.79 mm，尺寸合格。但是型芯针在距离顶部40.83 mm处，开始发生弯曲；长度29.69 mm处，型芯针表面有轻微拉伤，表面涂层有脱落；长度16.27 mm处，严重粘铝，见图12。

图12 型芯针弯曲位置

高压点冷型芯针冷却不足，表面温度过高，金属液易粘模，导致严重粘铝，脱模困难，损坏型芯针；型芯针热硬度和热稳定性不足，抗热疲劳及突变失效的能力差，两个因素叠加导致型芯针易发生弯曲变形。

针对产品高压点冷型芯针弯曲，工艺改进措施如下：①高压点冷型芯针原设计，内孔直径为2.5 mm，中心管直径为2.3 mm，单边间隙只有0.1 mm，排水量小，容易堵塞，影响冷却效果，见图13；设计改进后，内孔直径为3 mm，中心管直径为2 mm，单边间隙为0.5 mm，排水畅通，可以有效保证冷却效果。改善措施实施后，针表面没有粘铝、拉伤缺陷，表面质量良好。

图13 高压点冷型芯针

②由于该型芯针直径小且比较长，容易弯曲变形，导致寿命只有200件，严重影响生产连续性，需要对针的材料和寿命进行改善。材料由SKD61改为W360合金，硬度(HRC)为52~56，同时表面进行渗氰处理，提高型芯针表面硬度和耐磨性。实施改善措施后，针没有发生弯曲，只是在接近寿命时会发生断裂，根据数据统计，寿命按9000件进行管理，可以保证连续稳定生产。

（3）问题3：产品轴承孔旁的M6螺纹孔，深度为21 mm，加工完成后，在300 kPa压力下和高压润滑油道发生串漏，发生比例为35%，严重影响产品的密封及使用功能。漏气位置见图14。

图14 M6螺纹孔和高压润滑油道串漏位置

高压润滑油道形状复杂，直径为φ6 mm的油道无法出抽芯，需要加工完成，导致壁厚为15 mm的油道区域，内部产生缩松、缩孔缺陷，而M6螺纹孔和高压润滑油道最近距离为15.4 mm，容易发生串漏。针对缩松易发生泄漏位置，采用挤压工艺，毛坯凸台直径为14 mm，挤压销针设计为φ6 mm，挤压销针套为φ12 mm，挤压行程为15 mm，对缩松、缩孔缺陷有所改善，但是由于局部厚大，挤压销直径小，传递的铝液补缩能力不能够完全解决该缺陷，导致串漏[4]。改进前挤压销设计见图15。

图15 改进前挤压销设计

通过修改毛坯设计，凸台直径由原来φ14 mm增加至φ22 mm，挤压销针改为φ14 mm，挤压销针套为φ20 mm，挤压行程为15 mm，见图16。措施实施后，产品内部质量良好，没有发生泄漏。

图16 改进后挤压销设计

3、结论
（1）应用并优化高压点冷型芯针，可以有效地强化产品孔内热节处的冷却，提高毛坯表面的致密性，避免缩孔和泄漏缺陷。
（2）通过改善高压点冷型芯针设计，改善针的材料和表面处理工艺，可以有效地避免针弯曲问题，同时延长了型芯针的使用寿命，由原来的200件增加到8 000件，应用效果良好。
（3）通过改进毛坯形状设计，增加挤压销的尺寸，可以有效解决厚大位置内部组织缩松、缩孔缺陷，保证产品的内部质量和气密性。

作者
周海军 吴玉婷 赵郁鎏 刘后尧 张森
广东鸿图南通压铸有限公司
本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志