用嵌入鑲件法改進(jìn)壓鑄件質(zhì)量

崔愛(ài)軍，劉國(guó)新

1. 鑄件現(xiàn)狀分析

鋁合金壓鑄的支座鑄件，材質(zhì)為ZAlSi12Cu；尺寸為φ 130m m×40m m，毛坯重量270g；最大壁厚11mm，最小壁厚4mm，平均壁厚5.4mm；鑄件成品如圖1所示，圖示的凹槽是毛坯壓鑄后，在毛坯最厚處機(jī)加工的寬7mm、深4mm的密封槽，用于安放密封環(huán)；由于該槽是用于流體密封，客戶要求機(jī)加后的密封槽表面不允許有肉眼可見(jiàn)的氣孔和縮孔等鑄造缺陷。

依據(jù)客戶的毛坯件設(shè)計(jì)要求，該產(chǎn)品需要采用壓鑄工藝進(jìn)行生產(chǎn)，客戶設(shè)計(jì)的鑄件毛坯如圖2所示。

圖 1

圖 2

2. 壓鑄工藝的特點(diǎn)

所謂壓鑄是在壓鑄機(jī)上進(jìn)行的金屬型壓力鑄造的簡(jiǎn)稱，鑄造時(shí)將液態(tài)合金在高速、高壓下充填型腔，并在高壓下成形、凝固形成鑄件，是目前生產(chǎn)效率最高的鑄造工藝。壓鑄過(guò)程在高比壓下填充，大大提高了合金的流動(dòng)性，金屬液結(jié)晶凝固又是在壓力作用下進(jìn)行，因此壓鑄件生產(chǎn)主要有以下特點(diǎn)。

（1）高壓下成形，產(chǎn)品致密性高，產(chǎn)品力學(xué)強(qiáng)度及表面硬度高，但產(chǎn)品的伸長(zhǎng)率較低。

（2）產(chǎn)品充型快，冷卻時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，批量生產(chǎn)時(shí)成本低。

（3）產(chǎn)品的表面粗糙度值低，甚至可達(dá)Ra=1.6～6.3μm。

（4）可生產(chǎn)壁厚較薄的零件。

（5）充型快，內(nèi)部卷入氣體多，產(chǎn)品氣孔率高。

（6）不可熱處理。熱處理時(shí)內(nèi)部氣體會(huì)膨脹，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)鼓包或開(kāi)裂等缺陷。

（7）表面存在一個(gè)厚0.5～0.8mm的致密層，故加工余量?。ㄒ话阍?.5mm），加工量過(guò)大會(huì)使表面致密層破壞，導(dǎo)致產(chǎn)品強(qiáng)度降低，且易使機(jī)加工表面出現(xiàn)氣孔、縮孔等缺陷。

由上述壓鑄件的特點(diǎn)可知，在壓鑄件厚達(dá)11mm的部位，進(jìn)行深達(dá)4mm以上的機(jī)加工，內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)縮孔、縮松、氣孔等鑄造缺陷。

壓鑄件內(nèi)部縮孔、縮松、氣孔現(xiàn)象存在的原因有：①壓鑄件使用的鋁合金除渣、除氣不夠，鋁合金液中的氣體含量高。②產(chǎn)品壓鑄時(shí)模具表面殘留脫模劑未揮發(fā)完全，與鋁液接觸時(shí)產(chǎn)生氣體。③壓鑄用的鋁液溫度過(guò)高，含氣量增加。④模具澆排系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不良，型腔內(nèi)的氣體無(wú)法及時(shí)排除。⑤鑄件本身的設(shè)計(jì)不合理，存在難以補(bǔ)縮的熱節(jié)。⑥壓鑄工藝不合理，造成了局部熱節(jié)補(bǔ)縮不良。

那么，能否從工藝上加以解決，使鑄件質(zhì)量達(dá)到客戶要求？

眾所周知，固態(tài)鋁合金的密度為2.7g/cm3，而液態(tài)鋁合金的密度一般在2.4g/cm3左右，金屬熔體充滿型腔后，由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)時(shí)，因密度的差異，必然發(fā)生相變收縮；由于壓鑄件是從外向內(nèi)冷卻凝固，這個(gè)特點(diǎn)決定了當(dāng)鑄件壁厚較大時(shí)，模具澆口部位較薄，提前凝固，厚大部位的中心區(qū)域因澆口已凝固，所以得不到有效的補(bǔ)縮，內(nèi)部必然會(huì)產(chǎn)生縮孔、縮松等問(wèn)題，這就是壓鑄件縮孔、縮松現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因。

因此，對(duì)鋁合金壓鑄件來(lái)說(shuō),特別是厚大的壓鑄件，鑄件內(nèi)部存在縮孔、縮松問(wèn)題是必然的，理論上是幾乎不可能解決的。

3. 解決壓鑄件縮孔縮松缺陷的途徑

由縮孔、縮松產(chǎn)生的原因可知，從工藝原理上說(shuō)，解決鑄件縮孔、縮松缺陷，只能按照通過(guò)補(bǔ)縮的指導(dǎo)思想進(jìn)行。長(zhǎng)期以來(lái)，人們進(jìn)行了大量的試驗(yàn)工作，對(duì)壓鑄機(jī)進(jìn)行改造、對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)。雖然對(duì)于壁厚適中的鑄件能夠從工藝、設(shè)備上采取措施，得到改善，然而鋁合金液態(tài)凝固過(guò)程的相變收縮是一種必然的物理現(xiàn)象，不能違背這種自然規(guī)律；對(duì)于壁厚較厚的壓鑄件來(lái)說(shuō)，只能遵循其規(guī)律，采取適當(dāng)?shù)姆绞絹?lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

因此從理論上講，壓鑄件縮孔、縮松問(wèn)題，無(wú)法從壓鑄工藝本身得到徹底解決，要徹底解決這個(gè)問(wèn)題，只能超越該工藝，另外尋求解決的辦法。

（1）嵌入鑲件法的解決途徑 從壓鑄工藝本身不能來(lái)解決的問(wèn)題，能否從模具結(jié)構(gòu)上來(lái)解決呢？

從壓鑄件經(jīng)常使用鑲件來(lái)改變局部的使用性能得到啟發(fā)，我們完全可以在鑄件內(nèi)部嵌入一個(gè)鑲件，預(yù)先將內(nèi)部的凹槽成形出來(lái)（可預(yù)留0.5mm的機(jī)加工余量），待產(chǎn)品壓鑄成形后將預(yù)先嵌入的鑲件機(jī)加工掉來(lái)保證鑄件內(nèi)部密封槽的表面質(zhì)量。根據(jù)這個(gè)思路，我們?cè)趬鸿T模具上選取了一個(gè)位置，新增了一個(gè)模腔，專門用于制作鋁合金的鑲件，改進(jìn)后，每模生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品和一件鑲件，改進(jìn)后的毛坯如圖3所示。

（2）毛坯機(jī)加過(guò)程中鑲件止轉(zhuǎn) 鑲件嵌入產(chǎn)品后，在后續(xù)的機(jī)加過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)鑲件機(jī)加過(guò)程中，鑲件快要切除完畢時(shí)，鑲件相對(duì)于鑄件主體會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，造成刀具的損毀。因此，必須在鑲件圓周設(shè)置止轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，防止鑲件的轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖4所示，我們?cè)阼偧膱A周上設(shè)置了4個(gè)凸槽，同時(shí)間隔設(shè)置了4個(gè)凹槽，用于防止鑲件在機(jī)加過(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)。

經(jīng)過(guò)對(duì)鑲件進(jìn)行處理后，機(jī)加過(guò)程中未再發(fā)生鑲件轉(zhuǎn)動(dòng)造成的刀具損壞，采用嵌入鑲件后，生產(chǎn)的鑄件，密封槽處機(jī)加工余量減小到了0.5mm左右，機(jī)加工后，表面質(zhì)量達(dá)到了客戶的質(zhì)量要求。

4. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)此次對(duì)模具的改進(jìn)表明，解決壓鑄件局部厚壁處機(jī)加后的表面質(zhì)量，采用嵌入鑲件法是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，采用此法后相對(duì)減小了鑄件的機(jī)加工余量，保留了鑄件表面的致密層，滿足了鑄件的使用要求。

圖 3

圖4 鑄件止轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

[1] 潘憲曾.壓鑄模設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2] 楊裕國(guó).壓鑄工藝與模具設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.