作者：王凯乐（长城汽车股份有限公司技术中心， 河北省汽车工程技术研究中心）
| |||||||||||||||||||||||||||
文章已刊载在《模具制造》月刊，版权归作者所有，转载请注明出处，谢谢！
【摘要】介绍了局部挤压技术在铝合金压铸件中的应用， 局部挤压技术的原理、 使用方法，以及局部挤压结构各部分具体的设计要点。最后以实际应用结果示例， 直观地介绍了局部挤压技术的使用条件和挤压效果。
关键词：局部挤压；补缩；挤压销；铝合金；压铸件
1 引言
压铸是将熔融液态金属在高速高压状态下充满模具型腔的过程， 金属液主要通过模具型腔接触散热， 在压铸机增压压力的作用下凝固成为需求的压铸件。生产过程中压铸机的增压压力一般在 60~80MPa， 当压铸件壁厚差异大， 浇口处提前凝固时， 压铸件壁厚位置铝液补缩通道受阻， 进而在壁厚位置形成缩孔、 缩松等缺陷。用于压铸生产的压铸模上通常设计水道、 油道、 气道等温度控制系统调节模具温度，尽量实现压铸件顺序凝固， 当压铸件壁厚差异较大，调控模具温度无法解决压铸件缩孔、 缩松等问题时，就需要在壁厚的位置单独设计一个辅助的增压补缩结构， 这就是本文将要介绍的局部挤压技术。
2 局部挤压技术介绍
2.1 局部挤压技术原理
局部挤压是在铝液充型完成后， 铸件凝固过程中，使用增压机构对压铸件局部施加压力， 通过增压补缩来解决压铸件壁厚较大的关键部位缩孔、 缩松等缺陷。如表1所示， 局部挤压结构一般分为两种形式， 方式一在压铸件局部平台设计挤压结构， 此种挤压结构一般会有较大的毛刺残留， 需要在毛坯状态时打磨去除， 此种结构多用在压铸件斜油道、 局部倒扣无法预铸等位置处；方式二在对应压铸件壁厚位置可以设计预铸孔的位置设计挤压结构， 挤压后形成的挤压销孔保留在铸件毛坯上， 此种结构多用在有密封要求的压铸件深孔处， 通过增加局部挤压结构降低压铸件深孔泄漏风险。
2.2 增压体积的常规计算方法
为有效控制缺陷， 增压体积须准确计算， 增压体积与需要增压部位的压铸件体积及需增压部位的缺陷发生率有关。
即：V LSQ ≥V×f
式中 V LSQ — —增压体积
V — —需增压部位的压铸件体积 （参考影响半径R）
f — —需增压部位的铸造缺陷发生率×2增压体积计算方法如下：
（1） 首先确认压铸件缺陷易发生的区域， 根据区域大小按表2和图1所示选择合适的影响半径， 进而确定挤压销端面面积范围。
图1 局部挤压结构示意图
（2） 测量压铸件缺陷易发生位置的体积， 铸造缺陷发生率开发阶段以模拟分析结果为准， 通过公式计算挤压销的增压体积。
（3） V LSQ =A （挤压销端面面积） ×H （挤压深度） ， 挤压深度H一般选择10~15mm， 进而确定合适的挤压销规格和挤压深度。
2.3 一种简易增压体积计算方法
按照质量守恒的原则， 铝液凝固前后满足下面的公式， 压铸件需增压的体积可以近似的理解为铝液凝固成为固态后所减小的体积。
V 液态金属 × ρ 液态金属 =V 固态金属 ×ρ 固态金属
通过以上分析可以得出增压体积近似满足以下
公式：
V LSQ =V 液态金属 -V 固态金属 = （ρ 固态金属 -ρ 液态金属 ） /ρ 固态金属 ×V 液态金属
以常用的压铸铝合金ADC12为例， ρ 固态金属 =2.7g/cm 3 ， ρ 液态金属 =2.35g/cm 3
V LSQ = （2.7-2.35） /2.7×V 液态金属 =0.13×V 液态金属
计算出挤压体积后参照图1选择合适的挤压销规格和挤压深度。此种方法计算的挤压体积为临界体积， 一般需要增加1.2以上的安全系数， 使实际生产调试时挤压销开始挤压设置的工艺范围加宽， 便于生产控制。
3 一般挤压销结构的设计标准
3.1 一般挤压销结构详细结构示例
图2所示为挤压销设计在压铸件平台处时的一般结构示例， 图3为挤压销设计在压铸件预铸孔处时的一般结构示例。
图2 挤压销方式一示意图
图3 挤压销方式一示意图
3.2 挤压销和销套的设计标准
挤压销技术要求：
（1）型 面 及 配 合 段 ALTiN 处 理 ， 深 度 0.006~0.008mm， 表 面 硬 度 2,700~3,000HV, 内 部 硬 度 48~50HRC。
（2） 型面及配合处粗糙度值Ra0.4μm， 其余Ra1.6μm。
挤压销配合段长度≥销套内孔配合段长度 （按铸销标准设计） +挤压行程+10。
销套技术要求：
（1）型 面 及 配 合 段 ALTiN 处 理 ， 深 度 0.006~0.008mm， 表 面 硬 度 2,700~3,000HV, 内 部 硬 度 50~52HRC。
（2） 内孔配合处粗糙度值Ra0.4μm， 型面及外圆配合处粗糙度值Ra0.8μm， 其余Ra1.6μm。
经验证， 按上述规范制作的挤压销和销套批量生产过程中没有出现挤压销卡滞现象。
3.3 挤压结构增压油缸的选择规范
局部挤压的增压压力最小在2,000kgf/cm 2 以上，根据经验增压压力在3,000～6,000kgf/cm 2 范围内增压效果最理想。
P LSQ =P MC ×A CYL ×KA 铸销
式中 P LSQ — —施加在压铸件上需增压部位的压力
P MC — —压铸机系统压力
A CYL — —局部挤压油缸截面积
A 铸销 — —增压销的截面积
K — —一般取1.5或2
根据经验数据：局部挤压时， 增压销增压压力一般为系统压力的20～30倍。
即：P 铸销 / P 系统 = 20~30
FA 铸销：FA 油缸= 20~30
D 油缸 /D 铸销 = 20-30 ≈4.5～5.5
通过以上可知， 当挤压销直径为 10mm时， 一般选择缸径 50mm的油缸推动挤压销实现压铸件的局部挤压即可。
4 局部挤压在压铸件中的应用示例
4.1 挤压方式一的应用示例
如图4中①、 ②处所示， 压铸件2处 30mm的凸台区域有4个螺纹孔与斜油道相连，4个孔最小间距2.6mm， 加工后不允许互渗， 常规的铸销预铸加冷却方案无法解决距离如此靠近的压铸件小孔间泄漏问题，因此此处考虑采用局部挤压技术提高压铸件组织致密度， 防止压铸件内部出现缩松缺陷， 保证压铸件内部质量。
图4 压铸件成品状态
此处设计挤压结构需将压铸件凸台上的4个小孔全部取消预铸， 根据简易增压体积计算方法， 最终选择 16mm的挤压销， 挤压深度10mm来解决4小孔间的泄漏问题， 挤压后毛坯状态如图5中③、 ④所示， 图中黑色区域挤压残留需要在毛坯状态去除。
图5 压铸件毛坯状态图示
此压铸件由于压铸件凸台上的4个小孔靠近凸台边缘， 为保证压铸件凸台边缘的内部质量， 挤压销端面面积没有严格按照挤压销影响范围选择挤压销端面面积， 但增压体积与计算相符， 结果证明只要增压体积满足需求， 挤压销的规格可根据压铸件实际结构调整。
压铸件铸销预铸、 挤压销挤压前后X光对比图如图6所示， 直接预铸时4个小孔间有轻微的缩松缺陷，当不预铸不挤压时凸台缩孔非常严重， 压铸件直接报废， 设计局部挤压结构后凸台处缩孔、 缩松X光下不可见。经验证铸销预铸状态下压铸件加工后气密性检测全部不合格， 浸渗后100%合格， 无预铸状态的压铸件X光检测后直接报废， 而增加挤压后压铸件加工后气密性检测100%合格， 无需浸渗。
图6 压铸件凸台X光结果对比
a — —预铸状态X光结果 b — —无预铸无挤压状态X光结果
c — —挤压状态X光结果
4.2 挤压方式二的应用示例
如图7、 图8、 图9所示， 压铸件指示区域有2根斜油道和一个M6mm的螺纹孔， 斜油道无法预铸， 压铸件基本壁厚4mm， 而此处局部壁厚22mm， 凝固后斜油道和螺纹孔三者间缩孔风险高， 加工后互渗风险高。
图7 成品状态图示 图8 成品状态局部透视图
图9 反面局部挤压设计点
为解决此问题在指示区域内侧圆孔处设计挤压销结构， 按上面介绍的增压体积计算方法和挤压销端面面积选择规范， 压铸件上自带的 10mm深10mm的圆孔满足挤压需求， 按挤压方式二的设计局部挤压方案， 挤压销规格 8mm， 挤压深度10mm。
图10所示为压铸件X光检测结果， 挤压销设计位置周边 50mm的范围内X光状态下无可见缩孔、 气孔等缺陷， 挤压销结构成功解决了斜油道处压铸件缩孔、 缩松等缺陷出现的风险， 压铸件加工后2处斜油道气密性检测100%合格， 批量生产过程中此处斜油道没有出现弥散性气缩孔缺陷。
图10 压铸件斜油道处X光结果
5 结论
（1） 按本文介绍的方法设计的局部挤压结构可成功解决铝合金压铸件厚大部位的缩孔、 缩松等问题。
（2） 局部挤压结构由于铝液局部受较高的压应力， 压铸件内部质量稳定， 工艺稳定后挤压销处不会出现弥散性气缩孔等缺陷， 压铸件合格率高。
（3） 按本文介绍的设计规范设计的局部挤压结构生产中运行稳定， 连续生产过程中没有发生挤压销卡滞问题。
—The End—
文末相遇，感谢阅读！
京公网安备 110105001605号