原標題：離合器殼體壓鑄工藝分析及缺陷改善

摘 要：國產新一代CVT變速箱燃油經濟性、動力性、舒適性好，成本低，但是集成結構的復雜化，功能的多樣化給離合器殼體的制造帶來了極大的挑戰。通過應用并完善高壓點冷型芯針設計，可以有效地提高熱節的冷卻效果，延長針的使用壽命；通過改進毛坯形狀設計，增加擠壓銷的直徑，可以有效解決厚大位置內部縮松、縮孔缺陷，保證產品的內部質量和氣密性。

前 言：國產新一代CVT變速箱可獲得傳動系統與發動機工況的最佳匹配，但是變速箱結構復雜，壁厚變化大，內部品質、表面品質、加工尺寸精度、氣密性要求高，導致產品制造困難，廢品率高，需要對壓鑄工藝進行研究和改進。

我司生產的離合器殼體，材質是ADC12合金，輪廓尺寸是545 mm×430 mm×230 mm，一般壁厚是3.5 mm，產品質量是10.47 kg。該產品峰值年產量為20萬件，內部質量要求優于ASTM E 505 2級標準，外觀質量要求裝配及密封位置加工后氣孔直徑小于0.4 mm，間隔大于8 mm，數量小于3個；外觀質量要求毛坯表面不允許有鑄點、冷隔、裂紋、飛邊、毛刺等缺陷；氣密性要求高壓油道在300 kPa的壓力下，泄漏量小于3 mL/min。

通過對離合器殼體的壓鑄工藝設計、壓鑄缺陷的原因分析和工藝改進，提出類似產品的典型壓鑄缺陷問題解決方法。

1、壓鑄工藝設計

1.1 壓鑄機型選擇

壓鑄時，為了保證鑄件尺寸精度和內部質量，防止壓鑄過程飛料，必須鎖緊分型面。因此選擇關鍵是壓鑄機鎖模力大小的計算。

鑄造總投影面積：

A鑄造投影面積=A產品+A澆道+A溢流槽=3 229 c㎡

F鎖≥安全系數×壓射比壓×A鑄造投影面積=1.1×75×3229=2 6640 kN

根據鎖模力計算結果和公司壓鑄機臺資源，選擇IDRA的27 000 kN壓鑄機。

1.2 壓鑄模具設計

內澆口設計應該使鋁液的充型距離盡可能的短，以減少鋁液溫度的降低；澆口位置應該使鋁液到達型腔各處位置距離相等，實現遠離部位同時充填和凝固；應該設置在壓鑄件厚壁處，實現順序填充、壓力補縮。根據該產品的結構特點，兩個大的軸承孔內部、高壓油道內部質量要求高，根據金屬液填充流向的需要，澆注系統采用梳形設計，澆口厚度為4 mm，位于產品壁厚5 mm分型線位置，設置在定模面上。澆注系統設計見圖1，模具設計見圖2和圖3。

圖1 澆注系統設計

圖2 定模設計

圖3 動模設計

1.3 嵌件工藝設計

為了提高變速箱輸出帶輪軸前軸承孔的耐磨性能，產品設計了嵌件結構，嵌件材料為ADC14合金，壁厚為3 mm,見圖4。要求嵌件在模具上放置位置準確、穩定可靠，壓鑄過程中，鋁液和嵌件緊密結合無間隙，且該孔用作機加工定位孔。嵌件內徑φ78.57±0.03 mm，動模定位凸臺直徑φ78.45±0.01 mm，配合間隙單邊0.04~0.08 mm，嵌件使用烤箱加熱至200 ℃，人工拿取與模具前端貼合放置。嵌件在模具上定位見圖5。

圖4 嵌件

圖5 動模嵌件定位

1.4 壓鑄工藝參數設計

鑄造壓力選擇75 MPa, 填充速度為50 m/s；內澆口總橫截面積為1 490 m㎡；沖頭直徑為160 mm, 沖頭橫截面積=πD2/4=20 096 m㎡；內澆口和沖頭速度比= 沖頭橫截面積/內澆口總橫截面積=13.49；沖頭速度=內澆口速度/內澆口和沖頭速度比=3.7m/s；G內澆口通過質量=G產品質量+G渣包重量=13 500 g；填充時間=內澆口通過質量/（鋁液密度×內澆口截面積×填充速度）=68 s；

高速切換位置，一般以溶湯到達澆口的位置為基準進行設定，根據產品質量和功能需求，前后調整切換位置來選擇最佳位置，對產品質量影響較大，產品某位置出現缺陷時，都可以通過調整切換位置來觀察缺陷的變化來改善產品，見圖6，計算方法如下：

高速行程= G內澆口通過質量/沖頭橫截面積/AI液密度=(13500/20096)/2.64×1000=254 mm；

料柄厚度為35mm；

高速切換點=壓室有效長度-料柄厚度-高速行程=915-35-254=626mm；

圖6 高速行程及切換點位置

2、壓鑄缺陷分析及改進

(1)問題1 產品變殼安裝密封面上的M10螺紋孔，毛坯孔大端直徑為7.5 mm，深24 mm，加工完成后，在300 kPa的空氣壓力下和高壓油道發生竄漏，發生比例達50%，嚴重影響產品的密封及使用功能。漏氣位置見圖7。

圖7 漏氣位置

原因是，M10螺紋孔位置局部厚大，達到20 mm，屬于熱節，在壓鑄成形過程中，產生約5 mm大小的縮孔，導致M10螺紋孔和高壓油道串漏，缺陷解剖及X光檢查，見圖8。

圖8 缺陷解剖及X光

針對產品M10螺紋孔位置局部厚大產生縮孔問題，通過采用高壓型芯點冷針進行解決，型芯針直徑為7.5 mm，內部冷卻通道直徑為3.5 mm，單邊壁厚為2 mm，見圖9。實際使用過程中，發現點冷針頭部粘鋁，冷卻效果差，主要原因是原設計冷卻通道底端距離針頭部6 mm，不能快速有效冷卻，改進為冷卻通道底端距離針頭部3 mm，見圖10，不易斷針，冷卻效果良好，縮孔缺陷問題得到徹底解決，不良為0。

圖9 改善前超點冷針設計

圖10 改善后超點冷針設計

(2) 問題2：產品高壓油道孔，毛坯孔大端直徑為8 mm，深87 mm，加工完成后，前部M10螺紋孔出現黑皮殘留，螺紋孔內1/4周無螺牙，該批次發生比例達47%，嚴重影響產品的裝配和密封性能，導致批量報廢。螺紋不良見圖11。

圖11 螺紋孔形狀、尺寸及缺陷位置

原因在于，型芯針孔大端尺寸要求φ8±0.3 mm，實測結果為7.98 mm，尺寸合格；型芯針孔深度要求：87±1 mm，實測結果為86.79 mm，尺寸合格。但是型芯針在距離頂部40.83 mm處，開始發生彎曲；長度29.69 mm處，型芯針表面有輕微拉傷，表面涂層有脫落；長度16.27 mm處，嚴重粘鋁，見圖12。

圖12 型芯針彎曲位置

高壓點冷型芯針冷卻不足，表面溫度過高，金屬液易粘模，導致嚴重粘鋁，脫模困難，損壞型芯針；型芯針熱硬度和熱穩定性不足，抗熱疲勞及突變失效的能力差，兩個因素疊加導致型芯針易發生彎曲變形。

針對產品高壓點冷型芯針彎曲，工藝改進措施如下：①高壓點冷型芯針原設計，內孔直徑為2.5 mm，中心管直徑為2.3 mm，單邊間隙只有0.1 mm，排水量小，容易堵塞，影響冷卻效果，見圖13；設計改進后，內孔直徑為3 mm，中心管直徑為2 mm，單邊間隙為0.5 mm，排水暢通，可以有效保證冷卻效果。改善措施實施后，針表面沒有粘鋁、拉傷缺陷，表面質量良好。

圖13 高壓點冷型芯針

②由于該型芯針直徑小且比較長，容易彎曲變形，導致壽命只有200件，嚴重影響生產連續性，需要對針的材料和壽命進行改善。材料由SKD61改為W360合金，硬度(HRC)為52~56，同時表面進行滲氰處理，提高型芯針表面硬度和耐磨性。實施改善措施后，針沒有發生彎曲，只是在接近壽命時會發生斷裂，根據數據統計，壽命按9000件進行管理，可以保證連續穩定生產。

（3）問題3：產品軸承孔旁的M6螺紋孔，深度為21 mm，加工完成后，在300 kPa壓力下和高壓潤滑油道發生串漏，發生比例為35%，嚴重影響產品的密封及使用功能。漏氣位置見圖14。

圖14 M6螺紋孔和高壓潤滑油道串漏位置

高壓潤滑油道形狀復雜，直徑為φ6 mm的油道無法出抽芯，需要加工完成，導致壁厚為15 mm的油道區域，內部產生縮松、縮孔缺陷，而M6螺紋孔和高壓潤滑油道最近距離為15.4 mm，容易發生串漏。針對縮松易發生泄漏位置，采用擠壓工藝，毛坯凸臺直徑為14 mm，擠壓銷針設計為φ6 mm，擠壓銷針套為φ12 mm，擠壓行程為15 mm，對縮松、縮孔缺陷有所改善，但是由于局部厚大，擠壓銷直徑小，傳遞的鋁液補縮能力不能夠完全解決該缺陷，導致串漏[4]。改進前擠壓銷設計見圖15。

圖15 改進前擠壓銷設計

通過修改毛坯設計，凸臺直徑由原來φ14 mm增加至φ22 mm，擠壓銷針改為φ14 mm，擠壓銷針套為φ20 mm，擠壓行程為15 mm，見圖16。措施實施后，產品內部質量良好，沒有發生泄漏。

圖16 改進后擠壓銷設計

3、結論
（1）應用并優化高壓點冷型芯針，可以有效地強化產品孔內熱節處的冷卻，提高毛坯表面的致密性，避免縮孔和泄漏缺陷。
（2）通過改善高壓點冷型芯針設計，改善針的材料和表面處理工藝，可以有效地避免針彎曲問題，同時延長了型芯針的使用壽命，由原來的200件增加到8 000件，應用效果良好。
（3）通過改進毛坯形狀設計，增加擠壓銷的尺寸，可以有效解決厚大位置內部組織縮松、縮孔缺陷，保證產品的內部質量和氣密性。

作者
周海軍 吳玉婷 趙郁鎏 劉后堯 張森
廣東鴻圖南通壓鑄有限公司
本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志