原标题:1000型铝合金压铸梯级结构及压铸工艺优化

摘 要:在铝合金梯级结构设计中，既要考虑梯级的安全性和轻量化，又要考虑梯级的压铸成形工艺。通过采用ABAQUS有限元分析软件，对梯级进行静态和动态分析，优化梯级结构。通过采用MAGMA软件，对梯级的浇注系统进行充填和凝固数值模拟分析，优化浇注系统和压铸成形工艺。通过产品试制验证，梯级达到国家质量标准和企业生产要求。

梯级是自动扶梯最主要的零件。梯级部件结构主要包括：梯级、梯级轴、主轮、辅轮等,见图1。梯级分为整体式和装配式，整体式梯级一般为铝合金整体压铸，由踏板、踢板及支架3部分组成，踏面和踢面铸有筋条，起防滑作用和相邻梯级导向作用。整体式梯级质量轻、刚度好、精度和外观质量高，便于制造、装配和维修。随着压铸技术发展，整体式压铸铝合金梯级逐渐取代装配式梯级，在自动扶梯中得到大量使用。

图1  整体式压铸铝合金梯级部件结构图

1、梯级结构优化

整体式压铸梯级的主要特点是体积大、长度长，国内自动扶梯一般采用600、800、1 000 mm，一般双梯的梯级长度常用1 000 mm。梯级铸件一般质量在13 kg左右，有的甚至达15 kg，铸件一般壁厚在3 mm左右。梯级要求安全、自重轻、刚度好，弹性变形小，耐腐蚀性强，装拆维护方便，制造成本及能耗低。

1.1 梯级材料特性

1000型梯级材料选用铝合金A380,其化学成分和力学性能要求见表1。该铝合金具有较高的强韧性能、良好的切削性和铸造性，其屈服强度为160 MPa，弹性模量为72 GPa，泊松比υ为0.3，密度为2.7 g/cm³。

表1 A380化学成分及力学性能

1.2 梯级结构设计

在梯级结构设计中，既要考虑安全、技术要求符合国家标准，同时也要考虑整体式梯级的轻量化以及压铸工艺。梯级最大外形尺寸（长×宽×高）为1 009 mm×411 mm×340 mm，对3种不同的梯级结构设计进行分析比较，见图2。

结构1：梯级壁厚为1.8 mm，横向有2根主加强筋，筋板厚度为3.5 mm，高度为45 mm，长度为810 mm。同时为加强踏板的刚度，在踏板中间设计了一根小的加强筋。纵向有4根主加强筋，筋板厚度为2 mm，见图2a。

结构2：梯级壁厚为1.8 mm，横向有1根主加强筋，筋板厚度为3 mm，高度为65 mm，长度为810 mm。纵向有5根主加强筋，筋板厚度为2.5 mm，见图2b。

结构3：梯级壁厚为1.8 mm，壁厚均匀，横向筋板最小端壁厚为3 mm，高度为85 mm，长度为810 mm。纵向有3根主加强筋，筋板厚度2mm，见图2c。

图2 3种不同的梯级结构设计

梯级踏板（结构3）的梳齿结构见图3, 踏板的壁厚为2 mm，梳齿高度为11 mm，单个梳齿小端厚度为2.43 mm，踏板上共有111个梳齿，相邻2个梳齿之间的中心距为9.14mm。踢板梳齿槽结构见图3b，梳齿槽壁厚为1.8 mm，梳齿槽深度为6 mm，相邻2个梳齿槽之间的中心距为18.28 mm。

图3 梯级踏板、踢板细节尺寸示意图（结构3）

3种不同的整体式梯级结构设计对比分析见表2。

表2 3种不同的整体式梯级结构设计对比分析

1.3 梯级静力学分析

根据GB 16899-2011，梯级应进行抗弯变形试验，梯级踏板中央放置一块钢板，钢板尺寸为0.2 m×0.3 m，厚度为28 mm，并使其0.2 m的一边与梯级前缘平行，0.3 m的一边与梯级前缘垂直，乘客载荷为3 000 N，垂直作用在钢板上，梯级踏板的变形量不应大于4 mm，且应无永久变形。

采用ABAQUS有限元分析软件对3种不同结构的梯级进行静力学分析。根据梯级的实际工况，将主轮位置所在的轴套内表面施加固定约束，钢板置于梯级中间，施加3 000 N载荷，静力学分析见图4~图6。

（1）结构1：梯级的等效应力见图4a，最大应力为125.90 MPa，发生在两边斜支架与踏面筋板交汇附近，小于梯级屈服强度160 MPa。梯级的等效位移见图4b，最大位移为0.98 mm，发生在踏面边缘的中间位置，小于国家标准要求的4 mm变形量以内。

图4 梯级结构1静力学分析

（2）结构2：梯级的等效应力见图5a，最大应力为50.18 MPa，发生在两边主动轮轴轴套附近。梯级的等效位移见图5b，最大位移为0.41 mm，发生在踏面边缘的中间位置。

图5 梯级结构2静力学分析

（3）结构3：梯级的等效应力见图6a，最大应力为49.20 MPa，发生在两边斜支架与踏面筋板交汇附近。梯级的等效位移见图6b，最大位移为0.34 mm，发生在踏面边缘的中间位置。

图6 梯级结构3静力学分析

通过以上3种不同结构的静力学对比分析，结构3在最大应力和最大位移上均小于结构1和结构2，安全系数为3.25。同时在质量上，结构3比结构1、2分别减少了21%和5%，有效实现了“轻量化”设计。因此，结构3的结构更加合理，成本更低，安全系数更高，为最优设计方案。

1.4 梯级模态分析

利用ABAQUS软件对梯级（结构3）进行模态分析，在主轮和辅轮所在的轴套施加固定约束，铝合金梯级前6阶模态的振型和振幅见图7。其中第1阶模态，频率为101.60 Hz，振幅为1.032 mm；第2阶模态，频率为186.95 Hz，振幅为1.028 mm；第3阶模态，频率为215.56 Hz，振幅为1.035 mm；第4阶模态，频率为248.53 Hz，振幅为1.041 mm；第5阶模态，频率为257.62 Hz，振幅为1.613 mm；第6阶模态，频率为281.39 Hz，振幅为1.352 mm。通过模态分析可知，梯级的固有频率大于2 0Hz。

图7 1000型铝合金梯级前6阶模态分析

1.5 梯级谐响应分析

根据梯级的国家标准，除了静载荷试验和模态分析以外，梯级还应进行动载荷试验，模拟实际使用的工况，验证梯级的实际性能。试验应以5~20 Hz之间的任一频率的无干扰的谐振力波，施加500~3 000 N之间的脉动载荷进行试验，发现梯级不产生裂纹，踏面表面不产生4 mm变形。在ABAQUS软件对梯级（结构3）进行谐响应分析，见图8，20 Hz谐振力波时，梯级最大等效位移为0.64 mm，小于4 mm变形量，见图9，最大等效应力为51.75 MPa，小于铝合金A380的屈服强度160 MPa。通过谐响应分析，梯级动载荷下，满足梯级的国家安全标准。

图8 等效位移云图（20 Hz谐振力波）

图9 等效应力云图（20 Hz谐振力波）

2、梯级压铸工艺优化

梯级外形结构复杂，体积大、壁厚薄，分布有许多的梳齿结构和加强筋板，尺寸精度和变形控制要求高，铸件成形难度大，容易产生气孔、缩孔、冷隔、粘模，欠铸、裂纹等压铸缺陷，主要缺陷是冷隔。梯级收缩率为0.55%，温差控制在40 ℃之内，投影面积为4 336 c㎡，选用30 000 KN压铸机。梯级气密性没有要求，铸造压力适当降低。铝液充填过程中，让铝液进入型腔后，再切换成高速充填，高速行程短一点。通过对梯级铸件压铸成型工艺进行分析，确定压铸工艺参数见表3。

表3 铸件（A380）压铸工艺参数

2.1 浇注系统设计

（1） 内浇口位置选择

梯级（结构3）上有多条纵向加强筋，在设计浇注系统时，铝液的填充方向要与加强筋方向一致，使加强筋整条都能得到填充，避免充型过程中出现压铸缺陷。梯级踏板内侧有一条横跨梯级的加强筋，此筋板凹陷在型腔内部，若此加强筋压铸时强度不足，会出现粘模情况，模具极难处理。因此，铝液需对其进行正向充填，以使更多的铝液优先填充加强筋的底部，从而排出加强筋内部的气体。图10为内浇口位置选择。从图10a可知，如果内浇口选择在梯级踏板长边进料，铝液填充方向在加强筋填充方向上流量过小，铝液很难冲入加强筋，仅靠压力流，难以保证加强筋的致密性。从图10b可知，如果内浇口选择在梯级踢板长边进料，铝液填充方向在加强筋填充方向上流量较大，能有比较好的填充效果。所以，内浇口位置选择在踢板长边位置。

图10 内浇口位置选择

（2） 内浇口截面积计算和充填速度验算

内浇口截面积计算如下：

式中，A内为内浇口截面积，c㎡；k为倍数系数，一般为1.1～1.3；G为产品质量，g；ρ为铝合金液态密度，g/cm³；V为内浇口处铝液的充填速度，m/s；T为铝液充满型腔所需的时间，s。

充填速度对铸件成形质量和模具寿命有着重要影响，一般充填速度控制在30～60 m/s范围内，充填速度计算如下：
                        A冲V冲= A内V充       （2）

式中，A冲为压射冲头截面积；V冲为压射冲头速度；A内为内浇口截面积；V充为充填速度。

针对梯级（结构3），计算内浇口截面积和验算充填速度。梯级体积为3 888 cm³，质量G为10.5 kg，一般壁厚为1.8 mm，筋板壁厚为2.43 mm，最大壁厚为25.45 mm。

根据经验，一般溢流槽质量占产品质量的20%左右，系数K取1.2。根据产品的壁厚，充填速度V取40 m/s，充型时间T取0.06 s。铝合金液态密度ρ=2.4 g/cm³。根据式（1），内浇口截面积为：

通过计算，内浇口截面积为21.88 c㎡。

采用30 000 kN压铸机，压射冲头直径选为Ø180mm，高速压射阶段，压射冲头的速度选为4 m/s，根据式（2），验算充填速度：
              V充=（A冲/A内）V冲=46 m/s。

通过计算，充填速度为46 m/s，小于60 m/s，充填速度合理，也说明内浇口截面积合理。

（3）3种不同的浇注系统设计

根据内浇口截面积，结合梯级的结构特征，设计3种不同的浇注系统进行分析比较,见图11。①方案1：梯级属于结构件中大范围平板类型零件，此类产品通常采取平铺进料的方案。浇口布置采用均匀分布的梳形浇口的形式，进浇位置选择在踢板侧，设计10支分流道，便于浇注系统与梯级形成断口，减少浇注系统对产品变形的影响，见图11a。②方案2：根据梯级的壁厚和结构特征，浇注系统采用梳形结构，开设10支分流道，内浇口厚度为3 mm，宽度为730 mm，长度为1.5 mm。料饼厚度50 mm，便于产品补缩，见图11b。③方案3：浇注系统采用长锥形切线流道，浇口沿分型面开设，在浇口宽度方向，填充范围宽，铝液填充流动较均匀。内浇口厚度为2.8 mm，宽度为780 mm，长度为1.5 mm,见图11c。

图11 梯级浇注系统设计

2.2 数值模拟仿真分析

采用MAGMA软件对梯级的3种浇注系统设计方案进行模流分析。

（1） 充填过程分析  方案1：从图12可以看出，充填达46%时，中间的6支分流道，铝液已经到达内浇口，但两边的分流道充填距离长，铝液明显滞后。充填达62%时，两边分流道散热快、料温低，同时在铸件梯级轴区域出现裹气，此处存在卷气风险。充填达82%时，踏板中间区域填充完毕，二侧区域尚未完全充填，铝液温度偏低，易产生冷隔。充填达98%时，铸件内部大部分区域均低于液相线，冷隔欠铸风险高。

图12 方案1充填过程分析

方案2：从图13可以看出，充填达46%时，铝液在中间分流道充填速度快，两边分流道充填速度慢。充填达62%时，流道内有卷气，铸件内部卷气严重，料温较低。充填达82%时，在产品转角部位出现明显裹气，此处存在卷气风险。充填达98%时，铸件末端部位出现低于液相线的冷料，此处冷隔风险较高。

图13 方案2充填过程分析

方案3：从图14可以看出，充填达46%时，铝液充填均匀、充填范围较宽，有利于铸件成形。虽然流道部位出现滞留气体，但模流分析显示气体并未随铝液进入产品。充填达62%时，充型温度较好，各部位温度高于液相线，前锋冷料可通过溢流槽排出，产品内卷气风险较低。充填达82%和98%时，铸件末端有些地方出现卷气，但可以通过溢流槽排除。

图14 方案3充填过程分析

（2） 凝固过程分析  对3种浇注系统设计方案的凝固过程进行分析，见图15。可以看出，3种浇注系统的凝固过程基本相似。凝固温度分析显示，两侧初始温度较低，凝固速度最快。踏面和踢面依次凝固，浇注系统最后凝固，起到补缩作用。梯级铸件具有薄壁的特点，凝固顺序对铸件质量影响不大。

图15 3种方案凝固过程分析（凝固45%状态）

通过以上3种浇注系统充填过程和凝固过程的模流分析，发现方案3为最优方案。因此，选择方案3作为梯级的浇注系统最终设计方案。

2.3 排溢系统设计

在压铸过程中，铝液通过内浇口进入型腔，其最后充填的部位是踏板的底部边缘，易形成夹渣和气孔。由于铸件要求表面光滑平整，无冷隔，气孔等,设计时，在踏板的底部边缘分型面处布置尺寸为270 mm×20 mm×15 mm溢流槽2个，460 mm×20 mm×15 mm溢流槽1个，以充分排气和溢料，见图16。根据模流分析结果，在踏板的两侧边，合理布置尺寸为80 mm×50 mm×10 mm溢流槽各2个。在两边支架处，合理布置尺寸为60 mm×40 mm×12 mm、30 mm×30 mm×12 mm和90 mm×15 mm×3 mm溢流槽各1个，溢流口厚度设计为1.5 mm。溢流槽后面开设排气槽，排气槽深度设计为0.18 mm，排气槽形状为“Z”字形，防止铝液从排气槽直接喷射出来。

图16 梯级溢流系统和排气系统设计

3、产品试制

大型复杂压铸模具的制造难度大，1000型梯级压铸模梯级尺寸大，长度方向有1 009 mm，模芯采用镶拼结构，分段加工好后再进行组装。根据梯级结构，动、定模芯各采用8块镶件组成。为了提高梯级表面光滑平整，减少压铸飞边，需提高镶件的加工精度和装配精度，镶件采用五轴加工中心加工，产品加工精度达到0.003～0.005 mm，保证镶件加工精度的稳定性，模框采用整体式，提高模架的整体刚性。梯级选用30 000 kN压铸机，模具温度为200±10℃，低速压射速度为0.2 m/s，高速压射速度为4.0 m/s，增压阶段的铸造压力为80 MPa。梯级铸件见图17，通过对铸件的质量检验，铸件质量达到自动扶梯的国家标准。

图17 1000型梯级压铸件

4、结论

（1）针对不同的梯级结构设计，通过有限元分析，对梯级的最大变形和最大应力进行分析，优化了梯级结构，实现了梯级轻量化设计，降低了梯级成本。
（2）通过充填过程和凝固过程数值模拟分析，优化了浇注系统，解决了梯级易产生气孔、冷隔等铸造缺陷。
（3）通过试模，优化压铸工艺参数，铸件的各项指标达到国家标准，产品顺利实现量产。

作者

柯春松 庄舰 刘红娟
宁波职业技术学院机电工程学院
唐杰
爱柯迪股份有限公司

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志