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 夏望紅  羅繼相  舒櫻  彭  旋

 （廣州金邦有色合金有限公司）

摘要針對(duì)輪椅短車架零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，運(yùn)用Any Casting軟件模擬了流道尺寸對(duì)縮孔、縮松的影響。結(jié)果表明，擠壓鑄造流道設(shè)計(jì)對(duì)鑄件的補(bǔ)縮效果有重要影響，擠壓鑄造時(shí)合金液在補(bǔ)縮壓力下流經(jīng)澆道對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮，但對(duì)遠(yuǎn)離澆口的鑄件厚大部位因壓力傳遞的有效性受到限制。采用局部擠壓或冷卻水、激冷塊等措施來調(diào)節(jié)厚大部位的固順序，可以減少縮孔、縮松缺陷。

關(guān)鍵詞擠壓鑄造；模擬分析；局部擠壓；激冷塊

中圖分類號(hào)  TG146. 21; TG249.2  D()I:10. 15980/j．tzzz. 2016. 05. 013

 擠壓鑄造獲得的零部件內(nèi)部組織致密，力學(xué)性能較高，適宜于對(duì)組織和性能要求很高的鋁合金產(chǎn)品的生產(chǎn)。輪椅短車架是輪椅上的重要承載零部件，對(duì)負(fù)載能力要求較高，鑄件需經(jīng)T6處理。本課題針對(duì)該產(chǎn)品的擠壓鑄造工藝分析，并對(duì)擠壓鑄造充型和凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了金屬液流動(dòng)特性，預(yù)測(cè)了成形過程縮松、縮孔等缺陷的發(fā)生原因，以期為擠壓鑄造生產(chǎn)提供參考。

1  零件的結(jié)構(gòu)特性

 輪椅短車架所用材料為A354鋁合金，其化學(xué)成分見表1。

A354鋁合金可熱處理強(qiáng)化，在鑄態(tài)及熱處理后具有優(yōu)良的室溫和高溫力學(xué)性能，其室溫抗拉強(qiáng)度≥255 M Pa，屈服強(qiáng)度≥200 M Pa，伸長(zhǎng)率≥5%。該合金的鑄造性能優(yōu)良，無(wú)熱裂傾向，線收縮小，氣密性高。切削加工性和焊接性均較好，但耐蝕性較差。零件外形尺寸為450 mm×150 mm×100 mm，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

 結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)鑄件的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，以方便擠壓鑄造生產(chǎn)和后續(xù)機(jī)加工、裝配、檢測(cè)等要求。

2  工藝設(shè)計(jì)方案與試驗(yàn)結(jié)果分析

 采用Any Casting軟件對(duì)A354鋁合金擠壓鑄造充型、凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬中模具材料采用SKD61，模具預(yù)熱溫度為200℃，鋁液澆注溫度為690～710℃，沖頭速度控制在0. 08～0.15  m/s，鑄造壓力為95 M Pa，保壓時(shí)間為15 s。材料的物性參數(shù)見表2。

 計(jì)算鑄件的投影面積等相關(guān)參數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備決定采用HVSC800PL型擠壓鑄造機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，一模一件。根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)的特征，采用的澆道見圖1，在橫澆道上

開設(shè)多個(gè)內(nèi)澆口，便于成形與補(bǔ)縮。

 根據(jù)擠壓鑄件的成形特點(diǎn)，鑄件位于澆注系統(tǒng)上方，凝固時(shí)必須至上而下實(shí)現(xiàn)順序凝固，鑄件最后凝固部位必須得到金屬液補(bǔ)縮，否則就會(huì)在鑄件后凝固部位產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，見圖2。

2.1  工藝設(shè)計(jì)方案①

 在工藝設(shè)計(jì)方案①中，澆注系統(tǒng)開設(shè)見圖1。鑄件縮孔見圖2。采用Any Casting對(duì)鑄件充型凝固過程模擬，結(jié)果見圖3。經(jīng)對(duì)方案①生產(chǎn)零件的缺陷部位進(jìn)行剖切，見圖4～圖6標(biāo)識(shí)部位，可看出模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果完全符合。

 在圖3中最大斑點(diǎn)表示最后凝固的地方，該部位凝固過程若得不到金屬液的補(bǔ)充，就會(huì)形成縮松、縮孔缺陷，斑點(diǎn)的體積越大，表明出現(xiàn)縮松、縮孔的概率越大。分析凝固模擬結(jié)果，可知斑點(diǎn)的中心距離抽芯機(jī)構(gòu)的中心約為16 mm，距離抽芯的外圓約為2 mm。該處是出現(xiàn)最大截面積斑點(diǎn)的地方，斑點(diǎn)的直徑約為25 mm。對(duì)試生產(chǎn)取樣10個(gè)按圖4位置切開，測(cè)量縮孔的直徑約為2.3 mm，縮松的區(qū)域?yàn)?4～26 mm，有嚴(yán)重的縮孔、縮松，加工后全部暴露出來。分析澆道的結(jié)構(gòu)和凝固過程，認(rèn)為由于內(nèi)澆口搭接在橫澆道上面，導(dǎo)致內(nèi)澆口過早冷卻，無(wú)法起到補(bǔ)縮的作用，沒有實(shí)現(xiàn)順序凝固，鑄件凝固時(shí)形成液相孤島造成的。．

2.2工藝設(shè)計(jì)方案②

 結(jié)合方案①分析結(jié)果，提出修改方案，在易產(chǎn)生縮松、縮孔的部位，距離橫澆道最近處加工一條8 mm寬，5 mm深的補(bǔ)充澆道，使得內(nèi)澆口位于流道的中間，這相對(duì)方案①來說，內(nèi)澆口的冷卻速度變慢，對(duì)延緩內(nèi)澆口冷卻有一定的作用。

 通過Any Casting模擬擠壓鑄造凝固過程，在充填速度與冷卻等其他工藝參數(shù)不變情況下，對(duì)比工藝方案①的結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大截面積斑點(diǎn)出現(xiàn)的位置與方案②基本相同，見圖7標(biāo)識(shí)部位，但是斑點(diǎn)的大小有所變化，斑點(diǎn)的直徑約為20 mm。對(duì)比實(shí)際結(jié)果，取樣10個(gè)按照?qǐng)D8位置切開，測(cè)量縮孔的直徑約為2.2 mm�？s松區(qū)域的截面積直徑為10～12 mm。對(duì)比方案①，發(fā)現(xiàn)縮松區(qū)域減小，縮孔直經(jīng)變小，見圖9和圖10標(biāo)識(shí)部位，但沒有從根本上解決縮孔、縮松缺陷，需要進(jìn)一步改進(jìn)方案。

2.3工藝設(shè)計(jì)方案③

 鑄件的壁厚差過大，在擠壓鑄造時(shí)由鑄件薄壁部位先凝固，導(dǎo)致補(bǔ)縮通道被堵塞，后續(xù)金屬液無(wú)法對(duì)厚壁熱節(jié)處補(bǔ)縮，導(dǎo)致鑄件最后凝固部位產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。其解決的方法主要有：①在鑄件厚壁處采用局部擠壓，通過擠壓桿推動(dòng)金屬液對(duì)可能產(chǎn)生縮孔部位施以局

部高壓，進(jìn)行補(bǔ)縮；②改變凝固順序，盡可能實(shí)現(xiàn)順序凝固。

 通過對(duì)短車架模流分析和結(jié)構(gòu)的分析，方案③中采用局部擠壓，由于產(chǎn)生縮孔、縮松的部位位于側(cè)抽芯的旁邊，為了保證零件外觀的完整性，局部擠壓只能在側(cè)抽芯上實(shí)現(xiàn)，這樣會(huì)導(dǎo)致局部擠壓的效果不理想，并且局部擠壓的難點(diǎn)在于該部位形成液相孤島時(shí)得到壓力補(bǔ)縮的時(shí)間不好控制。局部擠壓的保壓時(shí)間太長(zhǎng)，局部擠壓桿易被零件包死抽不回來，保壓時(shí)間太短，起不到擠壓的效果。

 采用方案③，在短車架抽芯部位增加局部擠壓，該部位的縮孔與縮松得到明顯改善。圖11為局部擠壓模擬凝固圖，標(biāo)識(shí)部位為缺陷部位；圖12為局部擠壓凝固剖切圖實(shí)際缺陷部位。

3  激冷塊對(duì)減少鑄件縮孔的作用

 通過前期模流的分析和結(jié)果驗(yàn)證，認(rèn)為擠壓鑄造中 只有改變鑄件的凝固順序，才是消除縮孔、縮松最有效的途徑。通過在鑄件厚大部位放置激冷塊減少鑄件厚大部位熱節(jié)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了鑄件的順序凝固。

 激冷塊在擠壓時(shí)預(yù)先放入模具內(nèi)，但模具溫度較高不易放置，由于抽芯的型芯是垂直向下的，激冷塊易脫落，給模具帶來安全隱患，且不便于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)。

  采用的激冷塊與鑄件的材料相同，外徑為22 mm，內(nèi)徑 為12.5 mm，高為30 mm。圖13為放置激冷塊的抽芯 桿，圖14為激冷塊形狀。

 放置激冷塊，改變了鑄件的凝固順序，通過內(nèi)澆口補(bǔ)縮的液態(tài)金屬量大為減少，實(shí)現(xiàn)了鑄件的順序凝固。計(jì)算機(jī)模擬（見圖15）與實(shí)際結(jié)果表明了激冷塊可減少鑄件縮松、縮孔。

 圖15為放置激冷塊后的凝固模擬圖。對(duì)比分析采用無(wú)激冷塊（見圖16）與采用冷塊（見圖17）的成形效果，發(fā)現(xiàn)無(wú)激冷塊的產(chǎn)生較大的縮孔，放置激冷塊的只出現(xiàn)少量的縮松，并且出現(xiàn)在零件的中部，可以加工去除。

4  結(jié)  語(yǔ)

 (1)在生產(chǎn)前期對(duì)給出的模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，在熱節(jié)部位采取相應(yīng)工藝措施，可有效減少鑄件縮孔、縮松缺陷。

 (2)擠壓鑄造必須實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固，滿足壓力下補(bǔ)縮條件。

 (3)通過局部加壓增加了補(bǔ)縮效果，加激冷塊可減少鑄件的熱節(jié)區(qū)域，減少了對(duì)鑄件厚大部位的補(bǔ)縮體積并利于實(shí)現(xiàn)順序凝固。