鎂合金汽車零件壓鑄模具的加工成型技術(shù)

馮艷

（哈爾濱愛迪壓鑄有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

鎂合金是一種能夠滿足各種行業(yè)需求、發(fā)展前景極為可觀的輕質(zhì)合金材料。與目前的主流材料相比密度小、比強(qiáng)度高、減振性和機(jī)械加工性好、良好的鑄造性和再生性、高電磁屏障等優(yōu)點(diǎn)。

我國鎂合金壓鑄的產(chǎn)業(yè)化剛剛起步。進(jìn)入90年代以來，我國在汽車、計(jì)算機(jī)、通訊等領(lǐng)域有了極大的發(fā)展。汽車輕量化、高速、節(jié)能等問題也日益突出，促使了鎂合金的發(fā)展。國內(nèi)各主要汽車廠家對鎂合金在汽車上的應(yīng)用表現(xiàn)出強(qiáng)勁需求，其中一些廠家已開始將鎂合金開發(fā)應(yīng)用提上重要議程。

1 鎂合金加工成型技術(shù)簡介

鎂合金成為重要的工程材料除了本身的優(yōu)異性能外，還可以方便的加工成所需要的外形。鎂合金成型主要通過塑性變形和鑄造兩種方式但是用塑性變形法加工鎂合金存在著許多不利因素，當(dāng)前鎂合金的成型主要依賴鑄造的方法。鎂合金鑄造大致分為：重力澆注、低壓澆注、半固態(tài)壓鑄、觸變注射成型、高壓鑄造。由于鎂合金熱流動性好，所以很適合薄壁件的壓鑄生產(chǎn)。現(xiàn)在90%左右的鎂合金工程結(jié)構(gòu)件是通過壓鑄方法制造的。壓力鑄造的原理是液體金屬在高壓作用下壓入精密加工的鋼壓鑄模內(nèi)，并完全填充壓鑄模，從而獲得輪廓清晰的、與壓鑄模型腔相符的壓鑄件。

1.1 壓鑄的填充過程

壓鑄的填充過程是復(fù)雜的，早期的填充理論的一些觀點(diǎn)都是在特定的試驗(yàn)條件下獲得的，有很大的局限性，直接用來分析一些實(shí)際問題雖然有一定的意義，但還存在不足之處，這在生產(chǎn)實(shí)踐中已得到證實(shí)。早期較為典型的三種填充方式如下：

噴射填充。金屬液從內(nèi)澆口處噴射至型腔最遠(yuǎn)端，撞擊該處型壁后，部分金屬聚積并產(chǎn)生渦流，另一部分金屬則向所有方向噴濺，并沿型壁自遠(yuǎn)端向內(nèi)澆口返回。金屬流的速度由內(nèi)澆口截面積與型腔截面積之比的大小來控制。

全壁厚填充。金屬流從內(nèi)澆口處開始，由后向前充滿型腔的整個厚度流動，流動時不產(chǎn)生渦流。無論內(nèi)澆口截面積與型腔截面積之比的大小如何，流動形態(tài)不受影響。

三階段填充。填充過程大致分為三個階段：第一階段是金屬進(jìn)入型腔后，首先沖擊對面型壁，并沿型腔表面向各方向擴(kuò)展，在型壁上生成表層，這個表層即為鑄件的外殼，又稱為薄殼層；第二階段是隨后進(jìn)入的金屬繼續(xù)沉積，在薄殼層內(nèi)的空間，直至填滿；第三階段是在壓力的作用下，型腔內(nèi)的金屬得到壓實(shí)。

1.2 鎂合金主要物理和化學(xué)性能對壓鑄性能的影響

熱焓對充型性能的影響.。金屬熔體從工作溫度到凝固溫度釋放的熱量，決定了其在相同熱導(dǎo)率下保持可鑄性的時間，因此這種熱量便作為判斷其最大可充型時間的尺度。

金屬液粘度對充型性能的影響。金屬液粘度顯著影響充型流動狀態(tài)，用雷諾數(shù)來表示這種性質(zhì)，它同時考慮到流道的幾何形狀和金屬液內(nèi)摩擦產(chǎn)生的流動阻力。以GDMgAl9Zn1 與GD-AlSi12Cu的粘度作比較，定性得出澆注速度。兩者充型時的流動特征應(yīng)相同，故兩者流動時雷諾數(shù)相等。鎂合金液平均充填型腔速度約為鋁合金的1.25 倍。根據(jù)鎂合金的比熱容，充型時間要短；根據(jù)鎂合金的粘度，充型速度要快。這兩者的一致性，表明鎂合金是一種非常適宜壓鑄的合金。

壓力對鎂合金熱物性值的影響壓鑄時的高壓會影響金屬的某些熱物性值。根據(jù)Clausius-Clapeyron 方程，當(dāng)鎂合金體收縮為3.8%及鋁合金體收縮為6%～3%時，熔點(diǎn)升高率為0.006℃/0.1MPa，當(dāng)充型壓力為50MPa時，鎂合金的熔點(diǎn)可升高3℃，這對壓鑄件質(zhì)量幾乎沒有影響。

鎂合金的吸氣性與壓鑄件中的氣孔鎂合金壓鑄件中的氣孔，除少部分是充型過程中形成的卷入性氣體外，主要是鎂合金在熔煉、保持、澆注過程中吸收和溶解的氣體在冷卻和凝固過程中析出而形成的析出性氣孔。鎂合金溶解氫的能力很強(qiáng)，鑄錠上即使沾有一點(diǎn)水分，也會與鎂錠體反應(yīng)，還原除游離氫并溶解在鎂錠體中。因此，鎂合金熔體的含氣量及其壓鑄件的氣孔數(shù)量與熔煉、保溫、澆注時的空氣的溫度及爐料的干燥程度密切相關(guān)，故鎂錠及鎂回爐料必須徹底烘干后才能投爐。氫在鎂合金熔體中的溶解度隨溫度降低而減小，在外界壓力及本身壓力的作用下，析出的游離氫在鎂合金凝固和冷卻過程中在鑄件中形成孔壁光滑的不規(guī)則氣孔。當(dāng)鑄件繼續(xù)冷卻時，由于外界壓力的作用及氣孔吸收殘余鎂液而形成伴有氣孔的偏析（即所謂的浸透固溶體），并使氣孔直徑顯著減小。

2 鎂合金汽車零件壓鑄模具的加工成型技術(shù)

2.1 鎂合金汽車零件，壓鑄模具設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

壓鑄機(jī)選擇。鎂合金可以在冷室壓鑄機(jī)中壓鑄，也可以在效率更高的熱室壓鑄機(jī)中壓鑄。采用何種形式的壓鑄機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)主要取決于鑄件的壁厚。Roland Fink 在對“鎂合金壓鑄工藝的優(yōu)化”問題進(jìn)行研究的過程中，通過對鎂合金壓鑄經(jīng)濟(jì)性、冷室壓鑄和熱室壓鑄過程分析提出:一般情況下，小于1kg的鑄件需要采用熱室壓鑄機(jī)，以保證薄壁件的充滿;大件則推薦采用冷室壓鑄機(jī)。

工藝參數(shù)。在壓鑄生產(chǎn)過程中，選擇合適的工藝參數(shù)是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件，發(fā)揮壓鑄機(jī)最大生產(chǎn)率的先決條件，是正確設(shè)計(jì)壓鑄模的依據(jù)。壓鑄時，影響合金液充填成型的因素很多，其中主要有壓射壓力、壓射速度、充填時間和壓鑄模溫度等等。這些因素互相影響、互為制約，調(diào)整一個因素會引起相應(yīng)的工藝因素變化，因此正確選擇各工藝參數(shù)十分重要。

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。澆注系統(tǒng)對金屬液流動的方向、排氣溢流條件、模具的溫度分布、壓力的傳遞、充填時間的長短及金屬液通過澆道處的速度和流動狀態(tài)等各個方面，起著重要的控制與調(diào)節(jié)作用。良好的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)是模具成功與否的關(guān)鍵之一，不合理的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致諸如縮孔、流痕、冷隔以及表面質(zhì)量不理想等各種缺陷。內(nèi)澆道形狀尺寸，以及排溢系統(tǒng)對于能否壓鑄出合格產(chǎn)品至關(guān)重要，模具設(shè)計(jì)中必須注意考慮鎂合金的壓鑄特性。

2.2 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬

目前，數(shù)值模擬軟件被廣泛認(rèn)為是優(yōu)化汽車零件壓鑄模具工藝設(shè)計(jì)的必備工具。美國、日本、德國等國的鎂合金壓鑄企業(yè)十分重視鎂合金CAD/CAE 技術(shù)在產(chǎn)品生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)上的應(yīng)用，并取得了一定成果。我國在鋁、鋅合金壓鑄模的數(shù)值模擬方面已經(jīng)開展了大量的工作，但在鎂壓鑄模方面的研究還剛剛起步，對鎂壓鑄過程的充型規(guī)律、充型性能與壓鑄工藝參數(shù)的關(guān)系尚缺乏深入系統(tǒng)的研究。因此，應(yīng)當(dāng)抓住當(dāng)前市場發(fā)展的有利時機(jī)，投入人力物力，在鎂合金CAD/CAE 研究領(lǐng)域迎頭趕上。采用熱室壓鑄機(jī)對鎂合金手機(jī)外殼進(jìn)行生產(chǎn)，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和模擬分析一體化技術(shù)(CAD/CAE)，通過計(jì)算機(jī)展示鎂合金液充型、凝固的全過程，并分析缺陷成因，改進(jìn)不合理的澆注系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)方案，有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量。采用數(shù)值模擬方法可以大大縮短新產(chǎn)品試制周期、降低工藝改進(jìn)費(fèi)用，將缺陷降低到最低限度，特別是在設(shè)計(jì)早期階段采用模擬軟件，預(yù)測缺陷的產(chǎn)生，優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以有效避免由于結(jié)構(gòu)、工藝和模具的不合理設(shè)計(jì)所造成的損失。美國芝加哥White Metal 鑄造公司采用CAE 軟件獲取薄壁家電產(chǎn)品機(jī)殼流場、溫度場的各種信息，據(jù)此進(jìn)行澆道、溢流槽和冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用模擬結(jié)果繪制PQ2圖，綜合考慮多種因素的影響，最終確定生產(chǎn)工藝中采用的最佳工藝參數(shù)值。數(shù)值模擬軟件在汽車鎂壓鑄件中應(yīng)用最為普遍，德國的一些汽車行業(yè)已經(jīng)成功地模擬了座椅架、觸變成型燃油泵、奧迪5 倍速變速箱、車輪、4 缸發(fā)動機(jī)缸體等汽車用鎂合金壓鑄件，有效地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，極大增強(qiáng)了企業(yè)市場競爭能力。

3 結(jié)束語

鎂合金汽車零件壓鑄模具的加工成型技術(shù)首先要運(yùn)用先進(jìn)的工具軟件建立模具標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫和壓鑄模具設(shè)計(jì)，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，并且模擬充型和溫度場過程基礎(chǔ)上尋求模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)才是中國鎂合金汽車零件的長遠(yuǎn)出路。

[1]馬秋.鎂合金汽車零件壓鑄模具設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬研究[J].哈爾濱理工大學(xué),2005-03-01.