斜头管是电动滑板车身零部件，实现车架与转向杠的连接，并通过焊接工艺与车架相连。为了实现车身轻量化，提高滑板车续航能力，斜头管的材质为A356铝合金。由于该产品尺寸较大、壁厚不均匀，且设计要求较高，使用传统塑性加工方法无法满足该产品的成形要求。挤压铸造作为一种短流程、近净成形工艺，能够生产结构复杂且性能优异的铝合金铸件。在实际工程应用中，挤压铸造工艺被广泛应用于生产转向节、发动机支架、轮毂等结构件。该工艺特点在于金属液的凝固结晶和补缩都是在高压下完成，从而形成更为致密的显微组织，生产出性能优异的铸件。为了使斜头管兼具良好的成形性能和优异的力学性能，同时满足大批量生产的需求，本研究对斜头管挤压铸造工艺展开了研究，旨在为其应用提供参考。

图文结果

图1为斜头管三维模型。可以看出，斜头管的结构特点为：①产品为轴对称零件，外轮廓尺寸为506mm×237mm×200mm；②管尾位置为焊接面，后期需要与6061铝合金车架进行焊接；③产品平均壁厚为7.16mm，其中54.74%的分析区壁厚集中在1～5.75mm，薄壁位置主要分布在斜头管两侧；15%的分析区壁厚超过10mm，厚壁区域主要集中在斜头管管头与尾部；④产品中部空心，最大深度约为183mm，内部设有4个螺纹孔，考虑铸造成形的螺纹孔内部品质不稳定，螺纹孔选择后续机加工成形。

斜头管管口位置存在阶梯孔，该孔与其他零件配合，用挤压铸造工艺成形该孔容易产生凝固收缩，难以保证孔的尺寸精度。另外，斜头管管头与管身位置壁厚差较大，管身位置壁厚仅为8mm，管头局部位置最大壁厚达到32mm，在凝固过程中容易因冷却速率不一致而导致厚大位置形成孤立液相区。尾部焊接面缺口位置形状复杂，难以成形，且缺口位置存在尖锐倒角，容易产生热应力集中。斜头管内部凸台为螺纹孔位置，该凸台尺寸较小，凸台位置容易因无法排气而产生气孔类缺陷。斜头管内部轮廓需要依靠活动型芯辅助成形，型芯与侧壁接触面积较大，且侧壁壁厚仅为5.8mm，模具抽芯开模过程容易因斜头管侧壁强度不足而导致拉伤变形。针对以上问题，斜头管的结构需要进行优化调整以适应挤压铸造工艺，见图2。为了保证斜头管的内部质量，将管尾缺口与管口阶梯孔等不易成形的位置补齐，降低铸件的成形难度，后续通过机械加工的方式加工缺口位置。在斜头管中部设置加强筋，有利于加强两侧薄壁的强度。在凸台位置增设导流筋，有利于传递压力，对凸台位置进行补缩，防止凸台位置因缩孔、缩松缺陷影响后续螺纹孔加工。

图1 斜头管结构

图2 斜头管结构调整优化

为了缩短研发周期，提高生产效率，采用AnyCasting软件对斜头管挤压铸造工艺过程进行模拟与分析，探究斜头管最佳成形工艺参数。为了使模拟结果更加接近生产实际，本试验采取分段调速充型，即从料饼到内浇口为第一段；内浇口到铸件薄壁区为第二段；薄壁区到充填末端为第三段。针对凝固过程中可能出现的缩孔缩松问题，通过残余熔体模数预测缺陷可能发生的位置。根据SIGAP（Shrinkage induced gas porosity）缺陷判据模型对斜头管管头局部挤压过程进行模拟。

(a)0.26s (b)0.62s (c)1.39s (d)1.93s
图3 斜头管充型过程数值模拟

(a)2.3s (b)3.3s (c)3.9s (d)11.7s
图4 斜头管凝固过程数值模拟

图5 斜头管的残余熔体模数

图6 斜头管局部挤压过程数值模拟

图7 局部挤压效果对比图

为了验证数值模拟工艺参数的合理性，需对斜头管进行生产试制。在试制过程中发现：①斜头管表面出现烧结缺陷，烧结部位主要在靠近内浇口位置，影响铸件外观，降低铸件品质和精度，见图8a。其原因可能是模具温度过高，在浇注过程中，模具局部形成过热，模具型腔上的脱模剂和高温铸件之间发生反应，引起烧结；②管头内侧靠近机加工面位置出现气泡。其原因可能是排气不畅，压室以及型腔内部的空气不能及时排出，残留在管头导致气孔出现，见图8b；③管头表面出现夹层，垂直铸件表面方向有明显分界，见图8c。其原因可能是局部挤压延迟时间过短，挤压销过早压入，管头金属液侵入铸件表面，形成明显分层；④管头处存在夹杂物，且在机械加工过程引起裂纹，见图8d。

针对上述缺陷，试制过程中采取了以下措施：①针对表面烧结问题，调整模具温度至250℃；②针对管头位置排气排渣不良问题，调整溢流槽尺寸，改善模具排气；③针对管头夹层问题，将局部挤压延迟时间调整至2.5s。改良生产工艺后，试制的斜头管铸件外观无明显缺陷，效果见图9。对铸件内部可能存在的缩松、气泡、夹杂物等缺陷，采用X射线对斜头管各个面进行无损探伤检测。将斜头管铸件放置在水平移动台架上，考虑斜头管尺寸较大，单次拍摄检测无法得到铸件内部结构的全貌，需要调整水平移动台架位置，检测效果见图10。

图8 生产试制缺陷

图9 斜头管铸件

图10 X射线探伤检测图

表1 斜头管T6正交试验结果

(a)铸态,低倍 (b)铸态,高倍(c)热处理,低倍 (d)热处理,高倍
图11 斜头管铸态与9号试样组织对比

结论

（1）通过对斜头管挤压铸件进行结构优化，增设加强筋、导流筋以及封堵管口与管尾缺口等结构调整，增加铸件整体刚度，降低铸件成形难度，减少缩松、缩孔等内部缺陷。

（2）对斜头管挤压铸造过程进行数值模拟，并结合生产验证，确定斜头管挤压铸造工艺参数：浇注温度为710℃、分段压射速度为200、90和150mm/s、模具温度为250℃、局部挤压延迟时间为2.5s、局部挤压保压时间为25s。

（3）经过T6热处理后，铸件综合力学性能得到明显改善。经535℃×8h固溶处理、180℃×4h时效处理后，斜头管铸件抗拉强度为318.4MPa，屈服强度为269.5MPa，伸长率为12.95%。通过金相组织对比发现，T6热处理后，基体间无明显晶界，共晶Si均匀分布在α-Al基体上， 形貌颗粒化，由针片状变为球状。

作者：

陈云 薛天琪 余鉴
武汉理工大学交通与物流工程学院

杨鹏
山东宏和轻量化科技有限公司

董其娟
山东省先进铝基材料与技术重点实验室

梁乘鹏
魏桥国科（滨州）科学工程产业技术研究院有限公司

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志社，《压铸周刊》战略合作伙伴