铝合金壳体压铸件的工艺控制

铝合金壳体压铸件的工艺控制

作者：李兴涛马殿雷

来源：《科学导报·科学工程与电力》2019年第11期

【摘要】在现代汽车工业发展中，铝合金作为一种轻型金属材料得到了广泛应用，但铝合金铸件产品的质量问题和其铸造缺陷却仍长期困扰着生产企业。本文通过对某款铝合金壳体铸件结构和工艺性进行分析研究，收集多种试验数据，论述了该产品的铸造工艺难点，介绍了相关的合理工艺控制方法，为后续其他类似壳体铸件的质量控制积累了经验，提供了理论指导。

【关键词】铝合金铸件；压力铸造；工艺控制

20世纪80年代以来，汽车结构的变化主要方向是以提高使用的经济性为目标，降低燃油消耗，特别是普通型汽车，实现轻量化和小型化是现代汽车最显著的特征之一。根据目前国内外汽车工业的发展动态，轿车、轻型车用铸件中，大多数的铸铁件将被铝铸件代替，从而达到汽车轻量化的目的。

铝合金壳体类铸件一般形状不规则，部分结构不易机加工，目前车用铝铸件大部分还是铸造毛坯面的结构；同时，铝铸件工作环境较为恶劣，通常对强度要求较为严苛，而且因为对于表面质量和内部质量要求也较为严格，一般需要生产厂家在过程控制中进行X光探伤等相关检测。

1 铝合金压铸件成型原理

铝合金压铸件必须有模具成型，与压铸机、铝合金组合加以综合运用的过程。压铸工艺原理是利用高压将金属液高速流入一精密金属模具型腔内，金属液在压力作用下冷却凝固成铸件。冷、热室压铸是压铸工艺的两种基本方式。冷室压铸中金属液由手工或自动浇注装置浇入压室内，然后压射冲头前进，将金属液压入型腔。在热室压铸工艺中，压室垂直于坩埚内，金属液通过压室上的进料口自动流入压室。压射冲头向下运动，推动金属液通过鹅颈管进入型腔，金属液凝固后，压铸模具打开，取出铸件，完成整个压铸形成工艺过程。

2 铝合金压铸件设计要点

压铸件设计的合理性关系到整个压铸成型工艺的进行，在进行压铸件设计时，应充分考虑压铸件的结构特点、压铸的工艺要求，尽量减少设计的压铸件在压铸成型工艺过程中缺陷的发生，以最优的设计方案从最大程度上提高压铸件质量。

2.1 合理设计压铸件壁厚

铝合金压铸件结构设计时要充分考虑壁厚问题，壁厚是压铸工艺中一个具有特殊意义的因素，壁厚与整个工艺规范有着密切的关系，如填充时间的计算、内浇口速度的选择、凝固时间的计算、模具温度梯度的分析、压力（最终比压）的作用、留模时间的长短、铸件顶出温度的高低及操作效率；设计壁厚太厚會出现缩孔、砂眼、气孔、内部晶粒粗大等外表面缺陷，使得机械性能下降，零件质量增加导致成本上升；设计壁厚太薄会造成铝液填充不良，成型困难，使铝合金溶解不好，容易出现铸件表面填充困难、缺料等缺陷，并给压铸工艺带来困难；压铸件随气孔的增加，其内部气孔、缩孔等缺陷增加，故在保证铸件有足够强度和刚度的前提下，应尽量减小铸件壁厚并保持截面的厚薄均匀一致。

3壳体工艺分析

3.1 产品结构及原材料概况

这款传感器壳体盖（sensor cover）应用于管柱式电动助力转向系统（C-EPS），是C-EPS 总成的重要部件之一：壳体外形不规则，有2处凸台设计，但凸台的高度各不相同；最大外径为105 mm，高度为40 mm，主要壁厚截面为3.5 mm；壳体仅大筒和小筒的外径表面需要进行机加工，公差需要保证在+/-0.1 mm范围内，但内腔不需要加工，降低了产品的难度。

考虑到C-EPS的溃缩试验的性能要求，Sensor Cover需要满足承受不小于20KN的静态压溃力。为了满足这款薄壁壳体高强度、高耐压的要求，设计Sensor Cover按照GB6414-86 CT6级进行控制，不允许裂纹，夹杂的存在，同时不允许用焊补或浸渍的类似方法进行产品修复。

3.2 产品工艺分析

3.2.1 生产流程

Sensor Cover的生产流程包括：来料、熔炼/压铸、切边/清整、机加工、清洗、装配等。

除了按EN1706标准控制来料保证铸件的产品质量，在熔炼过程（一般温度控制在700℃～740℃）中，也要注意除氢的控制。

3.2.2 缺陷分析

虽然Sensor Cover结构简单，但同样易产生常见的铸造缺陷：

1）花斑：当发现Sensor cover成品件颜色有时会发暗、发黑时，需要控制金属和模具的温度差异，熔炼时的充型速度和喷丸过程中喷涂量的大小。

2）气孔缺陷：对于压铸产品，气孔缺陷是必然存在的。对于Sensor Cover的控制是保证关键区域中不产生超过ASTM E505 2级标准的气孔。

这一气孔标准要求是为了保证壳体的强度测试，该区域的内部气孔需要进行100%X射线探伤，保证以10 mm*10 mm=100 mm2为单位计算时：

气孔面积S≈0.3*0.3*3.14*6+0.45*0.45*3.14*3+0.4*0.4*3.14*2+0.5*0.5*3.14*2≈6.185 mm2

可接收气孔直径要求是≤φ1.6 mm，经换算气孔率=6.185/100≈6.2%；同时保证机加工表面的气孔最大不超过2.0 mm。

通过目视检查可以控制Sensor Cover的外观缺陷，但目前还只能依靠X光探伤检测内在缺陷。当批量化生产Sensor Cover时，无论是考虑到生产节拍还是成本费用，很能实现100%探伤，因此需要使用CAE等辅助技术作为压铸工艺分析的参考，尽可能在毛坯阶段控制改善铸件的内在质量。

4工艺参数及设备选用

根据Sensor Cover结构特点及技术要求，一般采用350T压力铸造，结合以往铸件产品的生产经验，发现若模具结构、工艺参数选用不当，容易造成压铸过程中液态金属充填速度过快，型腔内气体无法完全排除，从而造成成品中伴有气孔及氧化夹杂物等缺陷，因此降低了铸件质量。可以看出合理的工艺参数的选择是确保铸件质量的先决条件。

4.1 工艺装备的设计

为确保铸件尺寸精度不受到工装夹具精度的影响着，为此款壳体重新设计制作了模具。

4.2 加工余量的选定

按Sensor Cover装配设计要求，外圆保证切削加工成形。由于薄壁件壳体铸件的表层致密层一般仅为0.8 mm，为防止过加工，导致中心组织较疏松，降低壳体性能或耐压能力，因此在模具设计中采用定位销配合定位，进而将机加工量减小到0.5 mm范围了，不仅提高了铸件内在质量，同时节约了机加工时间。

4.3 模具方案的选择

运用AnyCasting软件在Sensor Cover模具设计前期进行模流分析，采用3种不同入水口的虚拟设计，模拟铸件凝固过程的数值，以及预测缺陷区域。通过比较，方案c的流道设计在液流填充方面更为顺畅，实际生产发现壳体件的内部缺陷明显改善，提高壳体的成品率。

5 效果