.jpg) 原标题：铝合金压铸过程中减少长抽芯针变形和偏摆研究 摘要：针对变速箱侧盖深高压油道孔压铸成型过程长抽芯针变形和偏摆问题，研究了压铸工艺、模具结构和抽芯针的材料对其变形和偏摆的影响。结果表明，浇注方案和关键工艺参数选择对减少长抽芯针变形和偏摆非常重要。长抽芯针定位稳定性、针与针套分段式配合结构、高压冷却结构均可降低长抽芯针变形和偏摆的可能性。高强度材料的长抽芯针可降低长抽芯针变形和偏摆的可能性。 随着汽车行业的快速发展和节能环保形势要求，汽车铝合金轻量化实现了飞速发展。因此，高精密压铸铝合金铸件需求量越来越大，所要求的产品品质也越来越高。压铸铝合金缸体、阀体、壳体、变速箱侧盖等铸件均设计大量高压油道孔。针对致密性要求高的高压油道孔，倾向于采用压铸毛坯一次成形，需要设计长抽芯针。而在压铸成形过程中，长抽芯针容易出现变形和偏摆问题。铝合金压铸件在压铸成形过程中导致长抽芯针发生变形和偏摆的原因很多，但目前针对此问题的报道较少。 本课题结合了我司高精密压铸铝合金铸件变速箱侧盖的实际生产情况：深高压油道孔（长度大于250 mm）采用压铸毛坯一次成形，无需再进行机加工。为了减少长高压油道对应的长抽芯针在压铸生产过程中的变形和偏摆，针对高精密压铸铝合金铸件变速箱侧盖的压铸生产工艺、模具结构、长抽芯针材料性能进行了研究，并提出了改进措施。 1、压铸生产工艺 高精密压铸铝合金铸件变速箱侧盖，铸件质量为3.26 kg，材质为ADC12铝合金，外轮廓尺寸为404 mm×304 mm×100 mm，浇注质量为6.1 kg，其中高压油道孔长为262 mm，直径为φ10 mm，整个油道壁厚要求大于3.5 mm，油道在298 kPa的空气压力下，泄漏量小于0.81 mL/min。在压铸生产过程中，浇注系统设计、关键压铸工艺参数选择等，对高压油道孔对应的长抽芯针变形和偏摆都存在影响。 1.1浇注系统设计 浇注系统的设计对金属液在模具内流动的方向与状态、模具的压力传递等起到重要的控制作用，并且能调节填充速度、填充时间和模具的温度分布等填充型腔的工艺条件。通过对此变速箱侧盖进行模流分析确定最优浇注系统方案为多点进浇方式（见图1）。
图1 浇注系统 按照以上浇注系统方案开展模流分析,结果见图2。
图2 模流分析 模流分析结果表明：①按照以上浇注方案，高压油道长抽芯针在压铸成形过程中受到几股铝液同时的冲击作用。根据受力平衡，只要此长抽芯针定位足够稳定，强度足够高，可以避免在压铸成形过程中由于铝液对其冲击而导致的变形和偏摆。②从填充率为100%的温度场可以看出，高压油道长抽芯针所受温度分布比较均匀，温度梯度不明显。同时生产过程中还可以通过调节铝液温度、模具温度、喷涂时间、冷却时间来削弱温度场对高压油道长抽芯针变形和偏摆影响。 1.2 压铸工艺参数选择 压铸工艺参数对铸件品质非常重要，其中温度对高压油道长抽芯针影响最大。当温度过低时，高压油道长抽芯针所受内外温差大，铝液就会对其产生强烈的冲击，受到冲击后很容易变形、开裂受损。当有高温的铝液注入时，长抽芯针的温度会迅速上升，进行冷却时，此处铝液冷却速度缓慢，导致铸件会有缩孔、缩松等缺陷出现，使铸件质量受到严重的影响。因此控制好高压油道长抽芯针温度不仅影响铸件品质，而且对其变形和偏摆也有影响。其他条件控制不变，通过调节铝液温度、模具温度、喷涂时间、冷却时间来看铸件内部质量以及高压油道长抽芯针表面烧伤粘铝。
表1 压铸工艺参数方案对比 结果发现，方案1，X光探伤50件，合格28件，合格率为56%；高压油道长抽芯针表面无烧伤有粘铝。方案2，X光探伤50件，合格43件，合格率为86%；高压油道长抽芯针表面无明显烧伤粘铝。方案3，X光探伤50件，合格40件，合格率为80%；高压油道长抽芯针表面烧伤粘铝严重。方案4，X光探伤50件，合格50件，合格率为100%；高压油道长抽芯针表面无烧伤粘铝。 经过对以上4种方案调试验证，在保证铸件内部品质的同时，又要保证长抽芯针表面外观，最优的参数：铝液温度为660 ℃，模具温度为150 ℃，喷涂时间为17 s，冷却时间为11 s。 2、模具结构 高压油道长抽芯针结构主要包括长抽芯针定位结构、针与针套配合结构、长抽芯针高压点冷结构。 2.1长抽芯针定位结构 长抽芯针定位结构见图3。可以看出，长抽芯针用T型连接结构（长抽芯针与连接杆是配合连接）不会导致针向前造成壁位薄；长抽芯针进入型腔位置有面限位保证长抽芯针成形长度尺寸，不会出现过程抽心向前移动的情况；长抽芯针有前后两个部件定位，不会出现长抽芯针的抽离和插入动作的偏摆。因此，此长抽芯针定位稳定，在生产过程中造成抽芯针偏摆的可能性较小。
图3 长抽芯针定位结构 2.2 针与针套配合结构 针套的长度取决于镶件的厚度，且一般抽芯针与针套有效配合长度按照抽芯针直径的3倍选取。变速箱侧盖的高压油道长抽芯针成型段长为262 mm，直径为φ10 mm。按照以往经验值，此针与针套有效配合段长度为30 mm。实际生产发现，如高压油道长抽芯针与针套有效配合段为30mm，长抽芯针针套配合长度较短，会导致长抽芯针定位不好，发生偏摆。因此尝试将此高压油道长抽芯针与针套有效配合段延长至40 mm，但出现长抽芯针套因配合长度过长导致抽芯针卡死现象。 经过不断改进优化针套结构，研究出分段式针套结构（见图4），既减少抽芯针套因配合长度过长导致抽芯针卡死现象，又增加针与针套配合长度，从而减少抽芯针偏摆的可能性，提高抽芯针寿命。
图4 针套渐变式结构 2.3 长抽芯针高压点冷冷却结构 对比研究了长抽芯针有高压点冷冷却和无高压点冷冷却两种状态下，长抽芯针的变形和偏摆。在其他条件保持不变的情况下，验证长抽芯针有高压点冷冷却和无高压点冷冷却状态下各压铸300模次后长抽芯针外观情况。结果发现，长抽芯针有高压点冷冷却结构，压铸300模次之后针的外观面光洁、无烧伤粘铝；无高压点冷冷却结构压铸300模次之后针的外观面烧伤、粘铝严重。 采用高压点冷冷却结构（见图5），通过对冷却时间调整，可以将抽芯针温度控制在适宜温度范围内，这样可以减少此长抽芯针的烧伤、粘铝，从而减少抽芯针变形和偏摆的可能性，提高抽芯针寿命。
图5 长抽芯高压点冷冷却结构 3、抽芯针材料 不同材料的抽芯针强度不一样。选用不同材料的抽芯针，在其他条件保持不变的情况下，进行压铸验证，记录并跟踪抽芯针压铸一定模次之后抽芯针的同心度变化情况（见图6）。1号材料为热作模具钢，硬度为HRC 40~50，材料屈服强度为490~685 MPa，抗拉强度为685~985 MPa；2号材料是在1号材料上进行改良，保留了1号材料的优点，并且得到更好的耐热裂纹性；3号材料为高速钢，硬度≥56HRC；4号为特殊热作模具钢，硬度为52~57HRC，高硬度，高韧性和极高热稳定性。随着压铸模次增加，从同心度的变化可以看出，1号材料、2号材料、3号材料的抽芯针在压铸模次未达到1.5万就出现抽芯针同心度大于所要求值0.25。4号材料的抽芯针的同心度随着压铸模次增加稳定较好，且压铸模次达到4.3万模次，同心度仍小于所有要求值0.25。说明4号材料的抽芯针在其压铸过程中变形较小。为了更好杜绝长抽芯针变形，选用4号材料的抽芯针，同时抽芯针寿命收严至3万模次管控，且每次上模压铸前均需要打表测量抽芯针的同心度。
图6 不同材料的抽芯针在不同模次下针同心度变化曲线图 可以建立简单数学模型（见图7），可以看出，如抽芯针模具结构足够稳定的情况下，x方向的分解的力与所受模具结构反作用力的合力为0，抽芯针仅受y方向力的影响。模具结构的稳定性影响x方向的受力。y方向的受力不仅受压铸生产工艺影响，而且受抽芯针本身材料强度的影响。因此为了减少生产过程中铝液对抽芯针的冲击力F1，F2，F3…，FN而导致抽芯针的变形和偏摆影响。
图7 抽芯针受力数学模型 多点进浇方式，铝液温度为660 ℃,模具温度为150 ℃,喷涂时间为17 s，冷却时间为11 s对抽芯针变形和偏摆影响不明显。抽芯针采用T型连接、定位块定位和采用高压点冷冷却，研发出长抽芯针与针套配合段分段式结构，减少抽芯针与针套磨损，减少抽芯针变形和偏摆的可能性。W360材料抽芯针强度可满足此抽芯针实际所需承受的力，减少抽芯针变形和偏摆的可能性。 4、结语 按照以上压铸生产工艺、模具结构、采用W360材料抽芯针，我司变速箱侧盖高压油道长抽芯针未出现变形和偏摆导致油道孔壁厚问题。
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