局部擠壓技術(shù)在缸蓋罩殼鑄件上的應(yīng)用

趙一粟　吳志軍

摘 要：本文主要介紹鋁合金壓鑄件局部擠壓技術(shù)的應(yīng)用力學(xué)原理，模具在局部擠壓機構(gòu)的設(shè)計，易損備件設(shè)計配合間隙，在生產(chǎn)過程中使用何種冷卻方式最有效及溫度控制范圍。

關(guān)鍵詞：鋁合金；壓鑄；氣縮孔；局部擠壓；控制措施

1 引言

根據(jù)液體凝固物理原理，鑄件在凝固過程中產(chǎn)生氣縮孔不良現(xiàn)象是完全不可避免的。鑄件局部因設(shè)計結(jié)構(gòu)原因壁厚較厚或內(nèi)澆口部位因熱量集中從而在模具上產(chǎn)生熱節(jié)，這些局部溫度過高的熱節(jié)點凝固時間比周邊其他部位凝固時間長，在凝固過程中無法得到液態(tài)鋁合金熔液補充從而產(chǎn)生縮孔，這些部位在通過簡單的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化（增加點冷卻或高壓點冷卻）或壓鑄工藝參數(shù)優(yōu)化是無法有效改進(jìn)的[1]。

在壓鑄從業(yè)者的不斷研究探索下，在壓鑄成型過程中對鑄件局部在半凝固狀態(tài)下進(jìn)行二次增壓，通過模具液壓缸頂出動作從而減少周邊結(jié)晶組織間隙，使結(jié)晶組織更加致密，提升鑄件局部孔隙率減少縮孔不良[2]。

局部擠壓可以在鑄件局部小范圍內(nèi)有效消除縮孔和疏松，提高局部結(jié)晶組織致密度，提升鑄件的力學(xué)性能，近年來局部擠壓技術(shù)在壓鑄行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

2 壓鑄成型局部擠壓技術(shù)介紹

局部擠壓時在模具內(nèi)直接安裝油缸，對產(chǎn)生氣縮孔的部位直接加壓，抑制縮孔產(chǎn)生，以求獲得高質(zhì)量的壓鑄件，局部擠壓結(jié)構(gòu)在金屬液充填完成后，經(jīng)過一定時間即鑄件進(jìn)行凝固的過程中，金屬液在型腔中處于半凝固狀態(tài)，通過模具內(nèi)設(shè)置的液壓缸通過擠壓銷對局部施加壓力以強制補縮來減少或消除該位置的氣縮孔缺陷[3]，提高鑄件整體孔隙率。

局部擠壓結(jié)構(gòu)主要由擠壓油缸、擠壓銷、擠壓鑲套及相關(guān)連接裝置組成，其用于擠壓的結(jié)構(gòu)可根據(jù)實際安裝要求設(shè)計安裝在模芯或?？蛏?。

局部擠壓成型方式主要分為以下兩種[4]，一種是在鑄件成型表面進(jìn)行擠壓作用，鑄件被擠壓的部位比實際成型的高度高出一定距離，這樣可以避免表層的冷料被擠壓后進(jìn)入鑄件內(nèi)部，多處的擠壓部分可以通過機械加工去除；另一種是在鑄件的壁厚部位設(shè)置局部擠壓，將擠壓型芯直接擠壓到預(yù)鑄孔成型孔底部。本文研究的缸蓋罩殼局部擠壓方式為直接擠壓鑄件壁厚部位成型預(yù)鑄孔。

EA211發(fā)動機缸蓋罩鑄件的可變氣門結(jié)構(gòu)孔，孔內(nèi)有多處高壓油道孔，大眾質(zhì)量控制要求進(jìn)行高壓氣密測試，測試標(biāo)準(zhǔn)：3Bar氣壓下每分鐘的空氣泄漏量小于3ml。且鑄件此部位平均壁厚16mm，在實際生產(chǎn)過程中此部位常常在加工后發(fā)現(xiàn)氣縮孔不良，此孔內(nèi)的縮孔或疏松一般呈現(xiàn)帶狀分布，縮孔形狀不規(guī)則，此孔內(nèi)縮孔不良占廢品的30%左右，且部分因縮孔或疏松從而發(fā)動機機油滲漏。

利用X射線探傷設(shè)備檢測，發(fā)現(xiàn)鑄件可變氣門孔周邊有線狀成片疏松如圖1.5，經(jīng)CT檢查此部位孔隙率：9.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出VW50097孔隙率5%的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 壓鑄成型局部擠壓技術(shù)分析

壓鑄過程從鋁合金物理收縮分為三個階段：液態(tài)收縮、半固態(tài)凝固收縮和固態(tài)收縮[5]。鑄件產(chǎn)生縮孔或成片疏松主要會出現(xiàn)在半凝固收縮階段，而鑄件固態(tài)收縮主要會產(chǎn)生鑄件尺寸超差、收縮變形，熱量等不良現(xiàn)象。所以解決鑄件縮孔或成片疏松通過鑄件在半固態(tài)收縮階段對其局部使用局部擠壓來實現(xiàn)，生產(chǎn)過程中局部擠壓使用需要考慮擠壓比壓、擠壓時間、擠壓深度、擠壓型芯溫度等幾個方面的因素。

3.1 擠壓比壓

擠壓比壓是指擠壓機構(gòu)直接作用于鑄件表面壓力與擠壓動作的液壓油缸產(chǎn)生壓力比值。擠壓比壓是擠壓系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，比壓大小的選擇直接決定著局部擠壓是否有效。選擇合理的擠壓比壓對擠壓系統(tǒng)設(shè)計十分關(guān)鍵，通過情況下擠壓比壓10-20。

本文研究的EA211缸蓋罩鑄件生產(chǎn)使用壓鑄機臺為1250T壓鑄機，改設(shè)備的液壓系統(tǒng)可提供擠壓油缸液壓壓力為14MPa。由于鑄件可變氣門孔壁厚較厚且氣密性要求較高，對擠壓比壓選擇為20，鑄件擠壓部位為直徑16mm的圓柱型芯，其擠壓部位壓力為：280MPa。

模具設(shè)計擠壓系統(tǒng)分為：擠壓油缸、連接塊、擠壓型芯、配合鑲套。

擠壓機構(gòu)中擠壓型芯與擠壓油缸時連接在一起的，根據(jù)作用力和反作用力原理，即可得F油缸=F擠壓型芯，故計算公式（1.1）如下：

F油缸=P系統(tǒng)×S油缸活塞=F擠壓型芯=P擠壓型芯×S擠壓面積（1.1）

F擠壓型芯=P擠壓型芯×S擠壓面積=280×（1/4π×162）

F油缸=P系統(tǒng)×S油缸活塞=14×（1/4π×D2）

計算得出油缸D直徑為：71.5mm，綜合考慮到生產(chǎn)過程中擠壓型芯與鑲套摩擦力，液壓油缸通用標(biāo)準(zhǔn)的因素，最終選擇液壓油缸活塞直徑80mm。

3.2 擠壓時間

擠壓時間包括擠壓開始時間和擠壓保壓時間。

擠壓開始時間是指壓射增壓動作完成開始到擠壓動作啟動的時間（部分壓鑄機臺設(shè)定為壓射啟動到擠壓開始動作），是擠壓工藝中重要參數(shù)。擠壓時間設(shè)定一般根據(jù)模具擠壓部位壁厚，模具溫度等因素來設(shè)定，一般擠壓時間通常為1-3秒，本文研究的缸蓋罩可變氣門孔擠壓時間設(shè)定1.2秒，基本滿足生產(chǎn)要求。

擠壓保壓時間是指擠壓油缸持續(xù)給型芯施加壓力的時間，一般保壓時間持續(xù)到鑄件完全凝固，但在壓鑄開模動作前停止，保壓時間設(shè)定過長，增加設(shè)備能耗；保壓時間過短鑄件未完全凝固，鑄件擠壓部位有可能還會出現(xiàn)縮孔或疏松不良，實踐經(jīng)驗保壓時間以便設(shè)定8-12秒最佳。

3.3 擠壓深度

在實際生產(chǎn)過程中擠壓效果控制主要通過控制擠壓深度，擠壓過深或過淺都會導(dǎo)致擠壓失效。

本文研究的缸蓋罩鑄件可變氣門孔總深度58mm，動模預(yù)鑄成型孔深12mm，定?？稍O(shè)定擠壓總深度45mm，根據(jù)活塞80mm液壓油缸動作行程，綜合討論使用兩種擠壓行程進(jìn)行對比試驗，如表1.1。

通過對比試驗發(fā)現(xiàn)擠壓動作行程越長擠壓效果越明顯，擠壓行程較短的中間會有5mm壁厚較厚區(qū)域，易導(dǎo)致其出現(xiàn)疏松如。

通過對比試驗確定本文研究的缸蓋罩殼可變氣門孔擠壓行程35-45mm，鑄件擠壓更加有效，孔隙率更好。

3.4 擠壓型芯溫度

擠壓型芯溫度是指在生產(chǎn)過程中噴霧完成后擠壓型芯表面溫度。若擠壓型芯型芯溫度過高，易導(dǎo)致型芯表面產(chǎn)生燒附積碳，增加擠擠壓動作阻力從而導(dǎo)致擠壓失效。因此生產(chǎn)過程中要控制擠壓型芯溫度，減少型芯表面積碳產(chǎn)生。

為驗證擠壓型芯中間冷卻回路使用哪種冷卻方式擠壓使用壽命更長，故在同一模具對擠壓型芯進(jìn)行壽命試驗，驗證結(jié)果使用壓縮空氣冷卻，使用壽命更長如表1.2。

5 結(jié)語

對于鑄件局部壁厚區(qū)域、孔隙率要求高的局部區(qū)域、單從調(diào)整壓鑄工藝參數(shù)無法有效解決的局部區(qū)域，可以采用局部擠壓技術(shù)來解決。但在生產(chǎn)過程中要不斷進(jìn)行有效監(jiān)控，同時還需要對擠壓機構(gòu)進(jìn)行定期保養(yǎng)和壽命管理，這樣才能保證局部擠壓部位的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪意，曲軸箱多向擠壓鑄造補縮工藝研究[D]，浙江工業(yè)大學(xué)，2011.

[2]賈寶仟，熊守美，制品凝固過程孤立域動態(tài)劃分及縮孔縮松數(shù)值模擬[J]，造技技術(shù)，1996（5）：15-17.

[3] 歐陽明.擠壓壓鑄技術(shù)在汽車、摩托車精密制品上的應(yīng)用[J].鑄造技術(shù)，2004 25（5）：362-364.

[4] 費良軍，吳岳壹，沈建明，等，鋁合金汽車缸體局部增壓鑄造技術(shù)研究[J]，特種鑄造及有色合金，2010，30（2）：144-146.

[5] 劉后堯，萬里，黃明軍，壓鑄中局部加壓技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用[J]，特種鑄造機有色合金，2008，28（12）：943-946.