摘要：介绍了北美地区双腔节流阀体的产品结构、模具结构以及压铸生产过程中出现的主要缺陷。运用压铸填充的P-Q²关系对浇注系统设计进行了验证，利用模流分析软件对溢流排气系统进行了分析，并针对性地采取了措施，有效地降低了产品废品率。

一、双腔节流阀体产品结构

节流阀体是汽车电喷系统的关键部件，北美双腔节流阀体主要为北美市场的大排量汽车配套。产品的3D模型见图1，材质是ADC12压铸铝合金，轮廓尺寸约为214 mm×102 mm×100mm，大部分部位的壁厚约为2.5 mm，平均壁厚约为3 mm，壁厚最厚为24 mm,最薄壁厚仅为２mm，浇注质量为1.480 kg，体积为560 cm^3；通过内浇口的填充质量约为0.9 kg，体积为340cm³，产品壁厚不均，进料流程较长。

图1：产品的3D模型

1.法兰面  2.节气门轴孔  3.齿轮箱端面  4.进气口环带

此零件除了对铸件外观有较高的要求之外，加工表面的气孔标准也极为严格。其进气孔环带、节气门轴孔、法兰面、齿轮箱端面等加工部位均不能有大于0.5 mm的气孔。

二、模具结构与相关工艺参数

北美节流阀体的模具结构见图2，完整铸件见图3。采用１模１件生产，模具有4个滑块，左滑块和下滑块成型部分投影面积大，抽芯距离较长，采用液压抽芯；右滑块与上滑块采用斜杆抽芯。从下滑块静模侧进料，在下滑块动模侧、上滑块、左右滑块均设有溢流槽，内浇口截面积为A_g=2.80 cm²，分成3股进料，见图3。

采用伊之密5 000 kN卧式冷室压铸机DM500，其最大空压射速度为8 m/s，配有压射曲线实时检测系统。选用Φ70 mm 的压射冲头（冲头面积A为38.5 cm2)，压射缸缸径为Φ120 mm，冲头空打行程为432 mm，充满度为33.4 %。

经过多次试验，主要工艺参数确定为快压射冲头速度为4.5 m/s(空打速度），实际冲头速度约为3.4 m/s，快压射行程约为100 mm,浇注温度为650-670 ℃，增压压力(增压阶段的压射缸压力）为24 MPa。

三、 铸件主要缺陷

此产品投产以来，压铸质量不稳定，年平均因压铸原因的报废率达到28 %左右。近年来产量骤增，给生产造成了较大的困难。在所有造成报废的压铸缺陷中，气孔和掉肉占比最高，分别为总废品数的66.8 %和16.5 %，是亟待解决的主要问题。

经进一步的现状调查，气孔主要分布在大孔环带（占气孔报废总数的50%)和下滑块法兰面端面处（占气孔报废总数的40%），掉肉则主要发生在下滑块法兰面浇口部位（占掉肉报废的70%）。

四、问题的分析与改进

掉肉主要发生在浇口部位，在对此类不良品进行检查时，未发现浇口缩孔，掉肉是打浇口时的机械性撕裂所致，因此加大内浇口与铸件连接处根部圆角可有效地减少此类不良。而气孔的发生原因相对复杂，具体从以下方面进行原因分析和解决。

1、利用模具P-Q2关系验证模具浇注设计并改进

在压铸过程中，合金液从料筒、浇口套向模具型腔的填充可以看作两个液流系统:一个是从快压射蓄能器来的液压油在压射缸内流动，推动压射杆和冲头；另一个是合金液在冲头的作用下，通过内浇口进入模具型腔的高速流动。两者都遵循流体力学的伯努利定律。

从机床的液流系统（第1个液流系统）来看，冲头在合金液中产生的填充压力P与合金液流量Ｑ存在以下关系：

并将P_b (A₀ / A)记作P_j ，则式（1）可改写为：

P = P_j - K₁Q²                                   （2）

式中 , P为冲头在合金液中产生的填充压力， MPa；P_b为快压射蓄能器压力， MPa；A₀为压射缸面积， mm²；A 为冲头面积，mm²；Qmax是最大合金液流量，指空压射情况下的流量， L/s，故有：

Q_max= V₀ A/1 000                       （3）

式中，V₀为某一快压射节流阀开度下的冲头空压射速度， m /s。
从模具的液流系统（第2个液流系统）来看，内浇口处的流速与流量有如下关系：

V_g =1 000Q /A_g                                   （4）

填充压力P与流量 Q有如下关系 :

P =ρQ²/(2A_g²C²)                                  （5）

设K=ρ/(2A_g²C²)，则式（4）可改写为：

P = K Q²                                      （6）

式中，C为流量系数，对于铝合金取0.5 ;ρ为合金液密度， kg /m³；V_g 为合金液在内浇口处的速度 , m /s。

求解式（2）和式（6）组成的方程，可以得到某一工作条件下(特定的机床、特定的工艺参数、特定的模具）的工作流量：

根据量产工艺设定，将相关已知条件代入以上公式，可以得到北美双腔节流阀体的压铸工艺计算表见表1。

表1：压铸工艺参数计算表

流量系数C为合金填充过程的流动效率，流量系数越小, 流动效率越低, 需要维持一定流速所需的压力越高。在压铸过程中，其受很多因素的影响，比如内浇口、横浇道和直浇道的形状、长度、位置、面积和表面光洁度，冲头与料筒各自的表面光洁度以及配合状况，模具温度和合金浇注温度等。

实际生产中发现，机床实测的冲头速度和填充压力与表1中的计算值存在一定的差异。这个因为实际流量系数与设定流量系数的差异所致。因此，可以利用模具的P-Q²关系对实际流量系数进行评价，验证浇注系统设计是否合理以及生产条件是否异常。
对式（5）进行变形，得到：

根据机床检测并显示的速度曲线上的冲头速度，计算出填充速度V_g，由压力曲线得到实际的 P值（快压阶段），代入式 （8），即可求得实际的 C值。

由节流阀体在压铸生产时的压力-速度-行程曲线可知在冲头实际速度Vp=3.4 m/s，填充速度（内浇口速度）V_g=47 m/s时，填充压力为P=15.6 MPa，得到实际的流量系数约为C=0.43。

流量系数C值偏小，说明填充时的压力损失偏大，填充效率低，在排除了冲头磨损等生产异常因素之后，认定为浇注系统设计存在不合理的地方。由于填充时间符合设计要求，所以内浇口面积A_g不变。在对横浇道设计进行分析时发现，横浇道截面积约为6.3 cm²，横浇道与内浇口的面积比仅为2.25。为改善填充效率，将横浇道的深度由12 mm增加到15 mm，截面积由6.3 cm²增加到7.4 cm²，横浇道与内浇口的面积比增加到2.65。

采取措施后，按同样的快压射阀开度（5.8圈，空压射速度为4.5 m/s)，冲头实打速度可以达到3.6 m/s，填充压力为13 MPa，按式 (8)，得到实际的流量系数约为0.49，填充效率大为提高。进行小批量验证，发现生产100件毛坯，气孔不良仅1件。

但是，在进行为期1个月的大批量效果跟踪时发现，产品因压铸原因报废的比率仍高达14.5%左右，其中，气孔报废率为10.5%，仍需继续改善。

2、通过改善模具排水排气减少气孔

大批量生产时的不良率与小批量试制时相差很大，说明有一些生产的不稳定因素主导气孔增多。经过调查发现，大孔气孔主要在下滑块处大芯子靠静模方向进料处，气孔形态与位置较为一致，主要是单个气孔超标比例较多。

利用模流分析软件进行填充模拟分析时发现，合金经内浇口进入型腔后，多股料分流、喷射，浇口部位的环带外壁系返流再填充，气孔发生的部位出现裹气现象（见图4）。

图4：排气分析显示气孔多发部位裹气

在生产中也发现，喷涂结束时，模具上顶面残留的多余脱模剂（喷雾头滴落或上升吹气时吹来的），将在重力的作用下顺上滑块的滑道流下，积留在上滑块定位面处，在合模的过程中将水分带入型腔，加重裹气现象。

为改善上滑块的脱模剂带入型腔导致的裹气现象，在上滑块滑道上增加一处排水孔，防止水分进入型腔；为改善浇注过程本身的裹气现象，在模具右滑块处增加一个搓板式排气块，见图6。

图5：右滑块增加排气块示意图

对策实施后，通过4个月的生产跟踪发现，产品因压铸原因的报废率稳定在5%左右，见表2。

表2：对策实施后的废品统计

在后续过程中，将增加排水孔的对策扩展到左右滑块，压铸质量进一步改善，因压铸原因的报废率进一步下降到3%以内。

五、结论

（1）应用机床和模具的P-Q²关系公式，可以根据压铸的填充理论来计算内浇道填充速度和填充压力,为合理改进浇注系统设计提供了更科学的依据。

（2）改善填充效率，将横浇道的深度由12 mm增加到15 mm，截面积由6.3 cm2增加到7.4 cm2，横浇道与内浇口的面积比增加到2.65，以及改善上滑块的脱模剂带入型腔导致的裹气现象，在上滑块滑道上增加一处排水孔，防止水分进入型腔；为改善浇注过程本身的裹气现象，在模具右滑块处增加一个搓板式排气块，通过这些措施，气孔率降低到5%以内。

作者：李珊  王磊 岭南师范学院 机电工程学院

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