A357鋁合金擠壓鑄造變速箱箱體的模具優(yōu)化設計
李曉富汪建敏孫玨程科升
（1．江蘇大學材料科學與工程學院；2．蘇州三基鑄造裝備股份有限公司；3．廣東大冶摩托車技術有限公司）
摘要針對變速箱箱體的結構及其成形工藝進行了分析，制定了間接擠壓鑄造工藝方案。在用立式擠壓鑄造機SCV-2000生產(chǎn)的鑄件上發(fā)現(xiàn)冷夾層和縮孔、縮松缺陷。經(jīng)過模具優(yōu)化設計，采用帶有集渣腔的澆口套和局部加強型芯，消除了內澆口附近箱壁上的冷夾層和縮孔、縮松等缺陷。微觀組織和力學性能檢測得知，其抗拉強度為317 MPa，伸長率為6．1%，硬度(HBS)為99，滿足使用要求。X射線探傷結果表明，鑄件組織致密，無氣孔、縮孔、縮松等缺陷。
傳統(tǒng)的變速箱箱體多為灰鑄鐵，普遍采用砂型鑄造、消失模鑄造工藝生產(chǎn)，而一些汽車變速箱箱體也有采用壓鑄工藝生產(chǎn)的。針對工地卷揚機上的蝸輪蝸桿變速箱箱體，其服役性能要求較高，而傳統(tǒng)的砂型鑄造、消失模鑄造越來越難以滿足市場競爭的要求。由于擠壓鑄造件的性能接近于鍛造，鑄件可采用熱處理使力學性能進一步提高。本課題用鋁合金代替灰鑄鐵，采用擠壓鑄造工藝制造卷揚機變速箱箱體，以期為鋁合金擠壓鑄件在箱體的應用提供借鑒。
1 擠壓鑄造工藝分析
1.1 變速箱箱體結構分析
變速箱箱體零件見圖1，該箱體最大輪廓尺寸為435 mm×272 mm×229 mm，工件左右各有一個法蘭，右法蘭處有一個圓臺。另外，側面有一個蝸桿錐孔，蝸輪孔和主軸齒輪口，箱體外側用若干加強筋加固，工件主要厚度為12 mm，最大壁厚為30 mm，最小壁厚為10mm，滿足擠壓鑄造工藝最小壁厚要求。
1.2 變速箱箱體成形性分析
箱體壁厚較大，壁厚突變區(qū)域較小，過渡平緩，擠壓金屬液流動的壓力易于傳遞；箱壁采用加強筋結構保證零件的剛度，蝸桿錐孔、蝸輪孔和主軸齒輪口可采用側抽芯結構成形；零件適宜采用擠壓鑄造工藝。為保證金屬液充填的連續(xù)性和平穩(wěn)性，避免在擠壓鑄造過程中法蘭上的孔直接成形，可由后期的機加工完成。
1.3擠壓鑄造工藝方案
1.3.1擠壓鑄造方式選擇
直接式擠壓鑄造適合成形厚壁的簡單件，如法蘭類、盤類、杯類等；間接式擠壓鑄造能夠成形一定壁厚的復雜件。變速箱箱體零件結構較為復雜，生產(chǎn)批量大，且材質為A357鋁合金，適合采用間接擠壓鑄造。
1.3.2分型面的選擇和模腔的布置
采用間接式擠壓鑄造其分型面位置應保證獲得外觀完整、尺寸穩(wěn)定、內部組織致密的鑄件。考慮到變速箱箱體外側有蝸輪錐孔、蝸桿口、齒輪口以及側凹部分，分型面采用水平一垂直分型面，見圖2，其分型面由一個主分型面和多個輔助分型面組成�？紤]到變速箱箱體尺寸較大，一模兩件時模具制造成本較高，且在鑄造工藝上較難實現(xiàn)，因此，采用一模一件成形。
1.3.3 內澆口位置選擇及排溢系統(tǒng)的設置
由于采用的是立式擠壓鑄造機，沖頭擠壓金屬液是自下而上充填，內澆口應盡量設置在鑄件澆注位置的最下方，且至鑄件兩端有較近的距離。因此將內澆口開設在圖1的右法蘭圓臺上，且內澆口直徑比圓臺外徑略小。模具中的溢流槽則設置在左法蘭周邊，這樣能盡可能地減少氣體侵入，避免固溶處理時出現(xiàn)鼓泡。
1.3.4擠壓鑄造主要工藝參數(shù)的確定
(1)擠壓比壓 根據(jù)所生產(chǎn)鑄件的合金牌號、鑄件壁厚、鑄件結構以及鑄件技術要求來綜合考慮擠壓比壓。擠壓比壓選擇在60～140 MPa范圍。A357鋁合金具有流動性好、氣密性好、收縮率小和熱裂傾向小等特點，加上變速箱箱體壁厚較厚，形狀復雜，宜取較高的比壓。但考慮到無法規(guī)避動型芯局部熱節(jié)，采用點冷卻裝置，可強冷動型芯，故變速箱箱體擠壓比壓為110 MPa。
(2)保壓時間 實際生產(chǎn)中，保壓時間可按鑄件的最大厚度在0. 5～1 s/mm內估算。對最大壁厚不超過50 mm的鑄件，宜取下限0.5 s/mm，變速箱箱體的最大壁厚為30 mm，因此保壓時間取15 s。
(3)澆注溫度 由于間接擠壓鑄造充型較慢，為防止產(chǎn)生冷隔，需要比普通壓鑄有更高的澆注溫度和更為精確的模溫控制。A357鋁合金的成分接近于國內牌號ZL101A，而ZL10/A的澆注溫度一般為640～720℃，故澆注溫度選取720℃。
(4)模具溫度 為保證金屬液能夠有效傳遞到型腔的各個位置，并使模具的溫度場合理分布。在方案設計時，通過設置冷卻水道、點冷卻，將潛在縮孔轉移至流道、料柄等鑄件的非重要部分。一般鋁合金擠壓鑄造的模具溫度為200～300℃，為實現(xiàn)精確的模溫控制，將模具溫度控制在240～280℃范圍內。
(5)熱處理工藝根據(jù)零件的技術要求，A357變速箱箱體需進行T6熱處理。具體工藝：固溶處理(530±5)℃×6 h+水淬+時效處理150℃×8h+空冷。
2擠壓鑄造模具工作原理
采用SCV2000立式擠壓鑄造機，其主要由合模機構、動模板、模具、定模板、澆注機及保溫爐、壓射系統(tǒng)和工控機等組成。其模具主要由側型芯機構、動模型芯、定模、頂桿、頂板、頂板蓋板、沖頭、壓室和澆口套組成。模具工作原理：啟動擠壓鑄造機，鋁合金液由給湯機澆入壓室23。當壓射系統(tǒng)開始啟動時，沖頭24向上推動鋁合金液低速充填動模型芯11、定模18所形成的腔體，保壓一定的時間，完成高壓凝固和塑性變形過程，待鑄件完全凝固后，動模型芯11在頭板的帶動下脫離定模18，完成開模過程。隨著動模到達指定位置，鑄件四周的側型芯機構在油缸的作用下實現(xiàn)抽芯，鑄件留在動模型芯11，然后由頂桿7，8將鑄件頂出，完成動模型芯和鑄件的分離過程。
3 變速箱箱體的模具優(yōu)化設計
圖3為擠壓鑄造模具澆口套結構示意圖。在試模過程中，除去料柄，在鑄件內澆口附近發(fā)現(xiàn)“冷夾層”（又稱彌散激冷組織），見圖4a箭頭所指處，其形成的原因是由于720℃左右的鋁合金液澆人壓室后，壓室內壁的溫度為150～350℃，因壓室內壁的快速導熱，壓室內表面很快形成一層激冷層；如在澆注溫度不高的情況下，壓室表面的易氧化物質在激冷層表面會發(fā)生反應，生成一層高熔點的氧化層（如Al2 03），這種由激冷層產(chǎn)生的冷夾層以獨立形式存在于鑄件組織中，破壞其連續(xù)性，嚴重影響鑄件的力學性能和氣密性，應加以避免。
在內澆口附近，由于此部位是鑄件的最大壁厚處，也是鑄件在高壓凝固的最后階段，此時擠壓比壓的作用相對較小。在該壓力作用下不能使鋁合金液得到有效的補縮，并在此部位易形成縮孔、縮松等缺陷，見圖4b箭頭處。
澆口套尺寸及結構會極大地影響液態(tài)金屬的流動特性和熱傳導效應，因此需對這一關鍵部件的結構進行優(yōu)化。圖5為優(yōu)化后的澆口套結構示意圖，采用增加集渣腔結構，使冷凝層集中；再縮小內澆口，使其呈圓錐狀。這種澆口套優(yōu)化結構會增大鋁合金液的充填速度，使得一部分冷凝層脫落或沖碎，因脫落的冷凝層有變形熱效應的影響，進入型腔后，更容易重熔，即可防止冷凝層在澆口附近長大形成冷夾層；并且在內澆口上方添加局部加壓型芯。圖6為局部加壓型芯機構示意圖，在鋁合金液凝固快結束時，局部加壓型芯在離內澆口一定距離時向下鍛打并使得鋁合金液被迫流動，內澆口附近處鋁合金液在壓力下結晶、凝固、補縮以及塑性變形，可以避免產(chǎn)生縮孔、縮松。
4 力學性能檢測和X射線探傷
對變速箱箱體進行間接擠壓鑄造工藝試驗，具體工藝參數(shù)：擠壓比壓為110 MPa，澆注溫度為720℃，模具溫度保持在240～280℃之間，保壓時間為15 s。試驗所得A357鋁合金變速箱箱體擠壓鑄造實物見圖7。
測試T6熱處理后變速箱箱體的力學性能，在變速箱箱體上取9根試樣，取樣位置見圖7。箱體上、下法蘭及箱體壁各取3根試樣，a、b、c為上法蘭取樣位置，d、e、f為箱體側壁取樣位置，g、h、i為下法蘭取樣位置，所測的試樣抗拉強度、伸長率和硬度見表1，最終力學性能值、硬度值取9次測量的平均值，發(fā)現(xiàn)滿足性能要求的抗拉強度、伸長率和硬度( HBS)分別不小于290MPa,4%，85。
圖8為鑄件在箱體不同部位的顯微組織�？梢钥闯觯渲饕蒩-Al基體和分布在晶界的粒狀共晶Si組成。法蘭分型處部位接近澆道，高壓凝固過程中，壓力損失最少，承受的擠壓力最大，因此組織最致密，晶粒尺寸最細小；箱體內澆口部位處于箱體的最大壁厚處，也是最后凝固區(qū)域，散熱較慢，加上局部加壓型芯對其鍛打，使得其晶粒較為細小；而箱體側壁部位在凝固過程中較慢，擠壓力傳遞至該處損失較大，因此晶粒尺寸粗大。對鋁合金變速箱箱體進行X射線探傷發(fā)現(xiàn)，鑄件外觀無缺陷，表面質量好，并且鑄件在壓力下凝固，內部組織致密，無氣孔、縮孔和縮松缺陷。
5 結 語
在立式擠壓鑄造機SCV-2000上生產(chǎn)鋁合金變速箱箱體，擠壓比壓為110 MPa，澆注溫度為720℃，模具溫度為240～280℃，保壓時間為15 s。成形的鑄件經(jīng)過T6熱處理后，其抗拉強度為317 MPa，伸長率為6.1%，硬度(HBS)為99，滿足使用要求；X射線探傷結果顯示，鑄件外觀無缺陷，表面質量好，內部組織致密，無縮孔、縮松缺陷。
