液壓轉(zhuǎn)向器長殼體壓鑄件開發(fā)實踐
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崔美卿 勾建勇
（揚州嶸泰工業(yè)發(fā)展有限公司）
摘要介紹了高強度液壓轉(zhuǎn)向器長殼體壓鑄件的開發(fā)過程，針對產(chǎn)品特點分析了缺陷成因，提出了消除鑄件缺陷的措施。運用MAGMA軟件進行了工藝設計優(yōu)化，并通過產(chǎn)品試制及批量生產(chǎn)進行了驗證。
液壓轉(zhuǎn)向器是在商用車、重型機械上廣泛應用的一類轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向器殼體是轉(zhuǎn)向器總成的載體，主要功能是做為齒輪殼體、轉(zhuǎn)向動力缸及齒條的安裝支架，并實現(xiàn)轉(zhuǎn)向總成與車體的連接。由于轉(zhuǎn)向動力缸一般工作油壓為12 MPa，瞬間油壓峰值會達到26 MPa，傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向器都是把對強度與致密性要求低的部分采用鋁合金壓力鑄造以提高生產(chǎn)效率并減輕整車質(zhì)量，對強度與致密性要求高的動力缸這一部分采用鋼板焊接件，這樣的轉(zhuǎn)向器殼體比較笨重，而且生產(chǎn)工藝繁瑣。本公司開發(fā)的一體式高強度液壓轉(zhuǎn)向器殼體，其低壓部分與動力缸采用鋁合金一體式壓力鑄造完成，通過優(yōu)化常規(guī)壓力鑄造工藝，輔助真空壓鑄工藝、局部擠壓、超級冷卻等輔助工藝，提高了鋁合金壓鑄件的致密性與強度，滿足了液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對鋁合金殼體的性能要求。
1 產(chǎn)品技術(shù)要求與壓鑄難點分析
圖1為高強度液壓轉(zhuǎn)向器長殼體壓鑄件，其質(zhì)量為2.6 kg。材料為Al-9Si-3Cu( Fe)(DIN ENAC1706-46000)。加工后要進行水密封測試，在1 MPa下不允許漏氣。鑄件整體滿足大眾VW 50093標準的孔隙率D5，單個氣孔直徑不大于2.5 mm，氣孔間距大于8mm，聚集性氣孔直徑小于0.8 mm，氣孔間距大于2mm。圖1中標記B的區(qū)域為主缸工作的高壓區(qū)，要求單個氣孔小于0.5 mm，氣孔間距大于8 mm。標記C的位置為高壓油管接口的密封區(qū)域，不允許有氣孔。其余加工面氣孔直徑不大于1 mm，氣孔間距大于10mm。密封面氣孔直徑不大于0.4 mm，氣孔間距大于10 mm。圖1中B處高壓區(qū)域（標記B內(nèi)孔）。
主缸內(nèi)孔剖視及加工要求見圖2，活塞活動區(qū)域長度為176 mm，高壓區(qū)域長度為260 mm，直徑尺寸公差為0～0. 039 mm，同軸度為0.02 mm。
主缸內(nèi)孔加工面不允許有肉眼可見的氣孔，內(nèi)孔加工余量的控制及冷卻非常重要。由于主缸孔深為230mm，抽芯長度為300 mm，當孔口設計0.5 mm的加工余量，脫模斜度設計為0.3。時，孔底部的加工余量為1.5 mm，如何保證0.3。脫模斜度的抽芯有效脫模，是模具結(jié)構(gòu)設計的難點。
2 壓鑄工藝CAE分析及優(yōu)化
要消除鑄件內(nèi)部的氣孔，產(chǎn)品充型的流動模式是模具設計的關(guān)鍵，合理的流動模式可以有效避免由于金屬液匯流及紊流造成的外來夾雜物及卷氣缺陷。
根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，設計了4種填充方案，采用MAGMA軟件進行模擬分析，優(yōu)化并選擇最合理的填充方案。
(1)方案1 多澆口梳狀填充模式見圖3。
(2)方案2單澆口端部填充模式的溫度場模擬及填充模擬，見圖4和圖5。
(3)方案3鑄件雙澆口端部填充模式，見圖6。
(4)方案4鑄件凝固順序與熱節(jié)點模擬結(jié)果見圖7。
模擬結(jié)果分析表明，方案2采用端部填充的溫度與材料流動控制最理想，也是對內(nèi)部品質(zhì)要求高的產(chǎn)晶通常采用的填充模式，所以確定采用單澆口端部填充模式做為基本工藝方案。
3 關(guān)鍵工序開發(fā)FMEA與預防措施
3.1鑄件化學成分與力學性能
Al-9Si-3Cu(Fe) (DIN 1706 ENAC 46000)鋁合金的液相線溫度為610℃，固相線溫度為580℃，根據(jù)標準選擇的內(nèi)控化學成分與力學性能分別見表1和表2。
為防止Si元素偏析導致測量誤差，降低Si含量上限。為降低鋁合金粘模傾向及減少Fe對鋁合金強度的影響，設定Fe含量下限并收緊上線。選擇熔化效率為1.0 t/h的中央熔解爐，鋁錠與回爐料配比為(60～80)：(40～20)，出爐溫度為(760±20)℃，采用石墨轉(zhuǎn)子與氮氣進行轉(zhuǎn)運包內(nèi)除氫，控制標準設定密度指數(shù)小于5。
3.2壓鑄機選擇及壓鑄工藝參數(shù)設定
3.2.1壓鑄機選擇
根據(jù)方案2確定的澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)，對高致密要求的耐壓鑄件選用80 MPa比壓。模具主漲型力為9 452 kN，滑塊分漲型力為265 kN，模具總漲型力為9 717 kN。
根據(jù)現(xiàn)有TOY0 12500 kN V5壓鑄機哥林柱間距計算4個哥林柱承受分解漲型力，反操作下側(cè)哥林柱承受漲型力最大，F(xiàn)max為2 667 kN，安全系數(shù)K=1.15，模具需要的鎖模力F鎖=4×Fmax×K=4×2 667×1.15=12 268.2 kN。確定選用12 500 kN壓鑄機。
3.2.2填充時間
壓室直徑為90 mm，內(nèi)澆口面積為495 cm2，快壓射速度為3.5m／s，內(nèi)澆口速度為44. 95 m／s，理論填充時間為42. 34 ms。
3.3壓鑄模設計
根據(jù)CAE分析結(jié)論，選用方案2。
基于方案2的凝固模擬分析，確定熱節(jié)點，控制凝固順序，解決縮孔、縮松問題。模具主要冷卻水方案見圖8，標記A部位4處采用常規(guī)點式冷卻；標記B的兩處為主要熱節(jié)點位置，采用Jet Cooling的高壓冷卻，連續(xù)供水，水壓力為1.1 MPa;標記C的主缸內(nèi)孔，需要冷卻，但高壓缸處在填充末段，冷卻過度會導致流動類缺陷，所以標記C高壓區(qū)抽芯采用Jet Cooling的高壓冷卻，冷卻水壓力為0.5 MPa，間歇供水，鋁合金充型完成到凝固階段供水。
圖9中的2處高壓油管接口處，銅制的高壓油管球面靠鎖緊螺母的壓力壓緊后與油管口密封面形成塑性變形的硬密封，同時油的工作壓力為12 MPa，峰值壓力為26 MPa，對這個區(qū)域的鑄件組織及韌性提出了更高的要求。為此，這兩處采用局部擠壓工藝，孔口螺紋為M12，擠壓銷直徑為φ8 mm，擠壓行程為15 mm，擠壓壓力為260 MPa，抽芯液壓壓力為10 MPa，選取直徑為φ80 mm的擠壓油缸。
模具設計采用真空壓鑄工藝輔助排氣，采用現(xiàn)有車間集中真空系統(tǒng)，油缸驅(qū)動式真空閥控制。
針對主缸內(nèi)孔0.3°脫模斜度不容易脫模問題，抽芯成型部分采用Ti/N/C涂層的PVD表面處理；同時，在滑塊上采用了斜銷形式的機械預抽芯機構(gòu)，預抽行程為8 mm。
模具設計5組抽芯，采用油缸驅(qū)動，2組局部加壓銷，模具總體設計見圖10。
4 試生產(chǎn)驗證與檢測
4.1 生產(chǎn)條件
生產(chǎn)采用TOYO V5 12500 kN壓鑄機，循環(huán)節(jié)拍為75 s。鋁液保溫溫度為(665±10)℃。
主要壓鑄參數(shù)：慢壓射速度為0. 25 m/s，快壓射速度為3.2m／s，高速行程為110 mm，鑄造比壓為80MPa，增壓建壓時間為25 ms。
真空啟動位置在150 mm，真空壓力為-90 kPa。
冷卻控制：①C點冷卻，高速切換位置啟動通水，通水時間15 s，吹氣清掃時間20 s，通水壓力0.5 MPa;②B點冷卻，水壓1.1 MPa持續(xù)通水，流量180 L／min;③Al點冷卻，水壓0.5 MPa持續(xù)通水，流量120 L／min；④A2點冷卻，水壓0.5 MPa持續(xù)通水，流量70 L／min；⑤A3點冷卻，水壓0.5 MPa持續(xù)通水，流量120L／min。
局部擠壓設定：擠壓壓力為10 MPa，擠入速度（液壓閥開度）設定為70%，延遲時間為3.5 s，返回時間為6s，壓力保持為6s，退回壓力為11 MPa，退回速度（液壓閥開度）設定為80%，抽芯噴霧時間為6s。
4.2模具溫度場及產(chǎn)品檢驗
用熱成像儀實測模具溫度場見圖11。
鑄件經(jīng)探傷與組織檢測后，達到要求。
4.3驗證結(jié)果與量產(chǎn)優(yōu)化
鑄件經(jīng)33 MPa爆破試驗、30萬次循環(huán)耐久試驗合格，CT掃描滿足孔隙率D5要求，已經(jīng)批量生產(chǎn)，過程穩(wěn)定；產(chǎn)品經(jīng)100%探傷合格率98%以上，加工后表面氣孔不良率小于1%，在1 MPa水密封泄漏檢測不良率小于0. 5%。
實際批量生產(chǎn)過程由于兩個擠壓銷直徑只有8mm，長度為350 mm，導致擠壓過程銷子變形、折斷，壽命只能達到3 000模次以內(nèi)。經(jīng)優(yōu)化設計，把擠壓銷改為階梯結(jié)構(gòu)，前段直徑為8 mm，長度為100 mm，后段直徑為16 mm，非配合段擠壓銷與擠壓套避空0.5mm，經(jīng)過批量生產(chǎn)驗證，擠壓銷壽命達到了10 000模次以上。
5 結(jié) 語
產(chǎn)品開發(fā)初期充分識別壓鑄件的潛在缺陷并采取針對性措施，能夠有效避免鑄件缺陷韻產(chǎn)生。對于內(nèi)部品質(zhì)要求高的壓鑄件，先進的模擬優(yōu)化鑄件工藝設計，可以有效避免設計失誤，冷卻水的控制與輔助局部加壓工藝對熱節(jié)點縮孔、縮松的解決非常有效。
