延遲頂出機(jī)構(gòu)在控制薄壁壓鑄件變形中的應(yīng)用

王凱樂

（精誠工科汽車系統(tǒng)有限公司-精工壓鑄分公司，河北保定 071000）

1 引言

壓鑄是熔融液態(tài)金屬在高速高壓狀態(tài)下充滿模具型腔的過程，金屬液主要通過模具型腔接觸散熱，凝固成為需求的壓鑄件。常規(guī)汽車壓鑄件出模溫度一般在300℃～400℃，壓鑄件出模后通過水冷、風(fēng)冷、自然散熱等方式達(dá)到室溫狀態(tài)，壓鑄件在冷卻過程中產(chǎn)生收縮變形。壓鑄件各個(gè)部位的實(shí)際溫度不一致、且因流道、排氣等結(jié)構(gòu)溫差的影響，在冷卻過程中各部位的收縮量會(huì)有比較大的差異，從而導(dǎo)致壓鑄件冷卻到室溫時(shí)發(fā)生變形，形狀簡(jiǎn)單的薄壁壓鑄件甚至?xí)a(chǎn)生比較明顯的翹曲。在壓鑄件發(fā)生嚴(yán)重變形影響后期加工、組裝時(shí)，毛坯后處理單元就需要增加整形工藝，造成生產(chǎn)工序增加，生產(chǎn)節(jié)拍延長，從而增加了生產(chǎn)的成本。鋁合金壓鑄件整形工藝多數(shù)為冷整形，整形后壓鑄件因?yàn)閼?yīng)力回彈依然會(huì)殘留一定的變形量，特別是針對(duì)變形較大而平面度要求又比較高的壓鑄件，這個(gè)問題很難徹底解決。

隨著汽車輕量化、一體化的不斷發(fā)展，鋁合金車身結(jié)構(gòu)件的使用越來越多，車身結(jié)構(gòu)件壁厚一般在3mm左右，壓鑄毛坯因壓鑄件進(jìn)料端遠(yuǎn)近溫差收縮變形、主流道溫差收縮變形、壓鑄件局部壁厚溫差收縮變形、及熱處理過程中應(yīng)力釋放和冷卻收縮變形等多重因素影響，毛坯后處理過程中基本都會(huì)產(chǎn)生較大的變形，需要增加整形工藝校正壓鑄件外形尺寸。特別是一體化車身大型結(jié)構(gòu)件的出現(xiàn)，一種能高效、低成本的控制薄壁件鋁合金壓鑄毛坯變形的需求越來越迫切。本文介紹的延遲頂出機(jī)構(gòu)通過使壓鑄件在壓鑄過程中產(chǎn)生反變形，進(jìn)而補(bǔ)償壓鑄件后處理過程中產(chǎn)生的變形，達(dá)到實(shí)現(xiàn)控制壓鑄件變形的目的，為解決薄壁件鋁合金壓鑄毛坯變形問題提供了一種新的研究方向。

2 延遲頂出機(jī)構(gòu)介紹

2.1 延遲頂出機(jī)構(gòu)的組成

如圖1所示，延遲頂出機(jī)構(gòu)主要由推板、推桿固定板、底板、推桿、延遲推桿等5部分組成，與常規(guī)動(dòng)模頂出機(jī)構(gòu)相比增加了延遲推桿，且延遲推桿后面必須設(shè)計(jì)模具底板以防延遲推桿損傷壓鑄機(jī)大板。

圖1 延遲頂出機(jī)構(gòu)組成示意圖

延遲頂出機(jī)構(gòu)是在常規(guī)壓鑄模頂出機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加延遲推桿來實(shí)現(xiàn)的，此結(jié)構(gòu)對(duì)模具其它部分的結(jié)構(gòu)和功能不會(huì)產(chǎn)生影響，且已經(jīng)開發(fā)的模具也可以通過在對(duì)應(yīng)位置增加延遲推桿以實(shí)現(xiàn)延遲頂出的目的。延遲頂出機(jī)構(gòu)中的部分推桿需要設(shè)計(jì)倒拉鉤結(jié)構(gòu)增加壓鑄件包緊力，如圖2所示，此倒拉鉤結(jié)構(gòu)在壓鑄件不同區(qū)域分級(jí)頂出過程中起到增加壓鑄件局部包緊力，防止壓鑄件被周邊結(jié)構(gòu)帶出的作用。

圖2 延遲頂出機(jī)構(gòu)推桿樣式示意圖

2.2 延遲頂出機(jī)構(gòu)的動(dòng)作原理

延遲頂出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式與壓鑄模中常規(guī)頂出機(jī)構(gòu)相同，具體如下：

（1）模具推板通過拉桿（也可以是其它連接方式）與壓鑄機(jī)頂出裝置連接，模具開模后，推板在壓鑄機(jī)頂出裝置的作用下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)推桿Ⅰ和推桿Ⅱ?qū)鸿T件頂出使其脫離模具型腔。

（2）由圖1可見，合模狀態(tài)時(shí)延遲推桿Ⅰ與其安裝孔前后端完全貼合，延遲推桿Ⅱ的掛肩和其在推板上的安裝孔處有一個(gè)設(shè)計(jì)的間隙，這個(gè)間隙就是延遲頂出量，暫定這個(gè)延遲量為L，在推板推出過程中，推桿Ⅰ和延遲推桿Ⅰ隨推板運(yùn)動(dòng)L距離后，延遲推桿Ⅱ的掛肩與其推板安裝孔貼合如圖3所示，此時(shí)推桿Ⅱ掛肩與推桿固定板間的間隙為L，即推桿Ⅰ頂出距離L后推桿2才與推板硬性接觸。

圖3 延遲頂出機(jī)構(gòu)頂出過程示意圖

（3）推桿Ⅰ頂出距離L后推桿Ⅱ在推板的作用下正式參與頂出，與推桿Ⅰ共同作用頂出壓鑄件，從而實(shí)現(xiàn)壓鑄件推桿Ⅱ處比推桿Ⅰ處晚頂出L距離。

（4）壓鑄件頂出后合模狀態(tài)下推桿Ⅰ和推桿Ⅱ通過其延遲推桿頂在底板上，防止其在漲型力的作用下后退或損傷壓鑄機(jī)大板。

當(dāng)壓鑄件推桿位置的包緊力足夠大，可以抵消壓鑄件變形力時(shí)，在延遲頂出機(jī)構(gòu)作用下，壓鑄件推桿Ⅱ處相對(duì)于推桿Ⅰ處的變形量為L，當(dāng)壓鑄件形狀簡(jiǎn)單局部包緊力不足以抵消設(shè)計(jì)的變形量所需的變形力時(shí)，推桿Ⅱ處壓鑄件結(jié)構(gòu)會(huì)被周邊其他結(jié)構(gòu)帶動(dòng)脫模，此時(shí)推桿Ⅱ處相對(duì)于推桿Ⅰ處的變形量＜L，為了使其達(dá)到需求的變形量L，通常需要將推桿設(shè)計(jì)倒拉鉤結(jié)構(gòu)（圖2示例樣式），同時(shí)增加推桿的數(shù)量使需要設(shè)計(jì)變形區(qū)域的包緊力≥壓鑄件變形所需要的變形力。

延遲頂出機(jī)構(gòu)通過壓鑄件不同區(qū)域分級(jí)頂出，用壓鑄件的局部包緊力和設(shè)計(jì)的頂出延遲量使壓鑄件產(chǎn)生需求的局部變形，從而實(shí)現(xiàn)在壓鑄件頂出時(shí)產(chǎn)生局部變形，以抵消后期壓鑄件收縮、熱處理等產(chǎn)生的變形的目的。

3 延遲頂出機(jī)構(gòu)在控制壓鑄件變形中的應(yīng)用

3.1 模具結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)延遲頂出結(jié)構(gòu)

使用延遲頂出機(jī)構(gòu)控制壓鑄件變形時(shí)前期要充分識(shí)別壓鑄件的特性，分析其變形趨勢(shì)，在模具設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮后期通過延遲頂出機(jī)構(gòu)控制壓鑄件變形的可行性。圖4所示為一款電池包支架，尺寸800×300×80mm，材料Castasil-37，無需進(jìn)行熱處理。此壓鑄件為薄壁結(jié)構(gòu)件，且壓鑄件形狀簡(jiǎn)單，抗變形能力差，通過對(duì)其結(jié)構(gòu)分析變形趨勢(shì)主要為800mm的長邊產(chǎn)生翹曲變形，如圖5所示，通過應(yīng)力仿真分析預(yù)估變形量最大約2mm。

圖4 示例壓鑄件形狀示意圖

圖5 壓鑄件變形趨勢(shì)示意圖

根據(jù)此壓鑄件的變形趨勢(shì)分析，后期壓鑄件校形主要是長度方向的翹曲校形，因此在模具設(shè)計(jì)階段排布推桿時(shí)，參照?qǐng)D6 所示在壓鑄件上設(shè)計(jì)6 豎排共24根推桿，流道上設(shè)計(jì)5跟推桿。此29根推桿全部設(shè)計(jì)延遲頂出機(jī)構(gòu)。首副模具設(shè)計(jì)時(shí)延遲頂出機(jī)構(gòu)不設(shè)計(jì)延遲頂出量，保證壓鑄件各部分同步頂出。因?yàn)閴鸿T件形狀簡(jiǎn)單，各部位的包緊力不足以使壓鑄件產(chǎn)生變形，此29根頂桿全部設(shè)計(jì)倒拉鉤結(jié)構(gòu)，倒拉鉤頂桿與壓鑄件接觸面切邊厚度2mm，方便后期毛坯去除倒拉鉤凸臺(tái)。

圖6 示例壓鑄件頂桿排布示意圖

3.2 收集同步頂出時(shí)壓鑄件變形量

模具試制階段待壓鑄件澆注溫度、留模時(shí)間、模具溫度等基本生產(chǎn)條件穩(wěn)定后才能檢測(cè)毛坯變形量，若生產(chǎn)條件波動(dòng)較大變形檢測(cè)結(jié)果只有參考意義，不能作為設(shè)計(jì)延遲頂出量的數(shù)據(jù)輸入，前期產(chǎn)生變形的壓鑄件人工校形后使用。

待澆注溫度、留模時(shí)間、模具溫度等基本生產(chǎn)條件穩(wěn)定后，生產(chǎn)過程中壓鑄件平衡頂出，機(jī)器人取件后水箱蘸水，然后立即去除流道（盡量保持與批產(chǎn)狀態(tài)一致），待其自然冷卻至室溫狀態(tài)時(shí)檢測(cè)壓鑄件尺寸。檢測(cè)壓鑄件變形量時(shí)將壓鑄件擺正，以圖7中壓鑄件中間圓點(diǎn)高度為縱軸零位，其它點(diǎn)高度差值為縱軸坐標(biāo)，以壓鑄件長度方向點(diǎn)位為橫軸（以中間點(diǎn)為零位）坐標(biāo)，按圖中十字線條交叉點(diǎn)檢測(cè)高度方向偏差值，此壓鑄件長度方向檢測(cè)點(diǎn)間距約30mm。每個(gè)壓鑄件檢測(cè)3排點(diǎn)共75個(gè)點(diǎn)位，共檢測(cè)3個(gè)連續(xù)生產(chǎn)的壓鑄件，每個(gè)點(diǎn)位取3組檢測(cè)數(shù)據(jù)的平均值，壓鑄件變形趨勢(shì)如圖8所示，圖中橫軸代表壓鑄件點(diǎn)位編號(hào)，不是壓鑄件長度方向?qū)嶋H值。

圖7 壓鑄件邊形變檢測(cè)點(diǎn)位示意圖

圖8 糾偏前壓鑄件變形量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

3.3 延遲頂桿增加延遲量實(shí)現(xiàn)延遲頂出

由圖8壓鑄件變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖可知，此壓鑄件前、中、后3個(gè)區(qū)域變形趨勢(shì)一致，完全可以取3個(gè)壓鑄件共9組檢測(cè)數(shù)據(jù)的平均值作為壓鑄件變形趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。此壓鑄件兩端最大變形量1.2mm，變形趨勢(shì)與前期分析一致，因?yàn)閿?shù)據(jù)較多平均變形量不在此展示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的平均變形量修改模具中推板上延遲推桿安裝槽深度，完成此壓鑄件延遲頂出機(jī)構(gòu)的完整設(shè)計(jì)。模具結(jié)構(gòu)修改后按前期驗(yàn)證過的生產(chǎn)工藝連續(xù)生產(chǎn)，按上面的檢測(cè)方法復(fù)核壓鑄件變形量，壓鑄件實(shí)際變形量均在±0.3mm以內(nèi)，滿足壓鑄件平面度要求。

此壓鑄件因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壓鑄件抗變形能力差，延遲頂出量按壓鑄件變形趨勢(shì)設(shè)計(jì)即可滿足整形需求。剛度好的壓鑄件設(shè)計(jì)延遲頂出時(shí)若用實(shí)際變形量糾偏不足以滿足壓鑄件平面度要求，可在糾偏后適當(dāng)?shù)募哟笱舆t頂出量，有時(shí)還需要在壓鑄件上設(shè)計(jì)倒扣結(jié)構(gòu)增加延遲點(diǎn)的包緊力，迫使壓鑄件產(chǎn)生較大的反變形，實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)壓鑄件結(jié)構(gòu)的差異做相應(yīng)的調(diào)整。

常見的影響壓鑄件變形的因素有：距離進(jìn)料端遠(yuǎn)近溫差收縮變形、因主流道收縮變形帶動(dòng)的壓鑄件變形、壓鑄件局部壁厚溫差大收縮變形、熱處理過程中應(yīng)力釋放和冷卻收縮變形等。多數(shù)鋁合金薄壁件的變形趨勢(shì)呈多方向性、多區(qū)域性，實(shí)際生產(chǎn)過程中需要根據(jù)壓鑄件各區(qū)域的變形數(shù)據(jù)和壓鑄件剛度綜合分析，確定延遲頂出結(jié)構(gòu)的作用點(diǎn)，從而才能使壓鑄件產(chǎn)生需要的反變形量。

4 總結(jié)

（1）此延遲頂出機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單快捷，可以在常規(guī)量產(chǎn)模上通過推板結(jié)構(gòu)變更實(shí)現(xiàn)，實(shí)用性強(qiáng)。

（2）統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)壓鑄件的實(shí)際變形量，通過延遲頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的延遲量，實(shí)現(xiàn)壓鑄件壓鑄時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的反變形，可以有效的補(bǔ)償壓鑄件后期收縮變形。

（3）延遲頂出結(jié)構(gòu)為控制薄壁壓鑄件變形提供了一種簡(jiǎn)單可行的研究方向，為一體式車身大型薄壁壓鑄件變形控制提供了一種新的思路。