摘 要在現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展中 ，鋁合金作為一種輕型金屬材料得到了廣泛應(yīng)用 ，但鋁合金鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量問題和其鑄造缺陷卻仍長期困擾著生產(chǎn)企業(yè)。本文通過對(duì)某款鋁合金殼體鑄件結(jié)構(gòu)和工藝性進(jìn)行分析研究，收集多種試驗(yàn)數(shù)據(jù)，論述了該產(chǎn)品的鑄造工藝難點(diǎn)，介紹了相關(guān)的合理工藝控制方法，為后續(xù)其他類似殼體鑄件的質(zhì)量控制積累了經(jīng)驗(yàn)，提供了理論指導(dǎo)。
20 世紀(jì) 80 年代以來 ，汽車結(jié)構(gòu)的變化主要方向是以提高使用的經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，降低燃油消耗 ，特別是普通型汽車 ，實(shí)現(xiàn)輕量化和小型化是現(xiàn)代汽車最顯著的特征之一。根據(jù)目前國內(nèi)外汽車工業(yè)的發(fā)展動(dòng)態(tài) ，轎車、輕型車用鑄件中 ，大多數(shù)的鑄鐵件將被鋁鑄件代替，從而達(dá)到汽車輕量化的目的。鋁合金殼體類鑄件一般形狀不規(guī)則 ，部分結(jié)構(gòu)不易機(jī)加工 ，目前車用鋁鑄件大部分還是鑄造毛坯面的結(jié)構(gòu) ；同時(shí) ，鋁鑄件工作環(huán)境較為惡劣，通常對(duì)強(qiáng)度要求較為嚴(yán)苛 ，而且因?yàn)閷?duì)于表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量要求也較為嚴(yán)格 ，一般需要生產(chǎn)廠家在過程控制中進(jìn)行 X 光探傷等相關(guān)檢測(cè)。
本文研究對(duì)象是一款鋁合金殼體蓋 ，其結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡單 ，僅兩處涉及到機(jī)加工 ，但同樣需要進(jìn)行工藝性分析 ，目的是在殼體蓋設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)改進(jìn)其工藝方法 ，從而提高鋁合金殼體件的合格率。
1 殼體工藝分析
1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及原材料概況
這款傳感器殼體蓋（sensor cover）應(yīng)用于管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（C-EPS），是 C-EPS 總成的重要部件之一 ：殼體外形不規(guī)則 ，有 2 處凸臺(tái)設(shè)計(jì) ，但凸臺(tái)的高度各不相同 ；最大外徑為 105 mm，高度為 40 mm，主要壁厚截面為 3.5 mm ；殼體僅大筒和小筒的外徑表面需要進(jìn)行機(jī)加工 ，公差需要保證在 +/-0.1mm 范圍內(nèi) ，但內(nèi)腔不需要加工，降低了產(chǎn)品的難度（圖 1）。
考慮到 C-EPS 的潰縮試驗(yàn)的性能要求 ，SensorCover 需要滿足承受不小于 20KN 的靜態(tài)壓潰力。為了滿足這款薄壁殼體高強(qiáng)度、高耐壓的要求，設(shè)計(jì) Sensor Cover 按照 GB6414-86 CT6級(jí)進(jìn)行控制，不允許裂紋 ，夾雜的存在 ，同時(shí)不允許用焊補(bǔ)或浸漬的類似方法進(jìn)行產(chǎn)品修復(fù)。
Sensor Cover 的原材料為 AC46000（參考?xì)W盟標(biāo)準(zhǔn) EN1706 ：1998），其化學(xué)成分見表 1，機(jī)械性能見表 2。
1.2 產(chǎn)品工藝分析
1.2.1生產(chǎn)流程
Sensor Cover 的 生 產(chǎn)流程（圖2）包括：來料、熔煉 /壓鑄、切邊 / 清整、機(jī)加工、清洗、裝配等。除 了 按 EN1706標(biāo)準(zhǔn)控制來料保證鑄件的產(chǎn)品質(zhì)量 ，在熔煉過程（一般溫度控制在 700℃~740℃）中 ，也要注意除氫的控制（圖 3）。
1.2.2缺陷分析
雖然 Sensor Cover 結(jié)構(gòu)簡單 ，但同樣易產(chǎn)生常見的鑄造缺陷 ：
1） 花 斑 ：當(dāng) 發(fā) 現(xiàn) Sensorcover 成品件顏色有時(shí)會(huì)發(fā)暗、發(fā)黑時(shí)（圖 4），需要控制金屬和模具的溫度差異 ，熔煉時(shí)的充型速度和噴丸過程中噴涂量的大小。
2）氣孔缺陷：對(duì)于壓鑄產(chǎn)品，氣孔缺陷是必然存在的。對(duì)于 Sensor Cover 的控制是保證關(guān)鍵區(qū)域（圖 5）中不產(chǎn)生超過 ASTM E505 2 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的氣孔。
這一氣孔標(biāo)準(zhǔn)要求是為了保證殼體的強(qiáng)度測(cè)試，該區(qū)域的內(nèi)部氣孔需要進(jìn)行100%X 射線探傷（圖6），保 證以 10 mm×10 mm=100mm2為單位計(jì)算時(shí)：氣孔面積S≈0.3×0.3×3.14×6+0.45×0.45×3.14×3+0.4×0.4×3.14×2+0.5×0.5×3.14×2≈6.185 mm2可接收氣孔直徑要求是≤φ1.6 mm，經(jīng)換算氣孔率 =6.185/100 ≈ 6.2%；同時(shí)保證機(jī)加工表面的氣孔最大不超過 2.0 mm（圖 7）。
通過目視檢查可以控制 Sensor Cover 的外觀缺陷 ，但目前還只能依靠 X 光探傷檢測(cè)內(nèi)在缺陷。當(dāng)批量化生產(chǎn) Sensor Cover時(shí)，無論是考慮到生產(chǎn)節(jié)拍還是成本費(fèi)用，很能實(shí)現(xiàn) 100% 探傷，因此需要使用 CAE 等輔助技術(shù)作為壓鑄工藝分析的參考 ，盡可能在毛坯階段控制改善鑄件的內(nèi)在質(zhì)量。
2 工藝參數(shù)及設(shè)備選用
根據(jù) Sensor Cover 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求 ，一般采用 350T 壓力鑄造 ，結(jié)合以往鑄件產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn) ，發(fā)現(xiàn)若模具結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)選用不當(dāng) ，容易造成壓鑄過程中液態(tài)金屬充填速度過快，型腔內(nèi)氣體無法完全排除 ，從而造成成品中伴有氣孔及氧化夾雜物等缺陷 ，因此降低了鑄件質(zhì)量。可以看出合理的工藝參數(shù)的選擇是確保鑄件質(zhì)量的先決條件。
2.1 工藝裝備的設(shè)計(jì)
為確保鑄件尺寸精度不受到工裝夾具精度的影響著，為此款殼體重新設(shè)計(jì)制作了模具（圖 8）。
2.2 加工余量的選定
按 Sensor Cover 裝配設(shè)計(jì)要求 ，外圓保證切削加工成形。由于薄壁件殼體鑄件的表層致密層一般僅為 0.8 mm，為防止過加工，導(dǎo)致中心組織較疏松 ，降低殼體性能或耐壓能力 ，因此在模具設(shè)計(jì)中采用定位銷配合定位，進(jìn)而將機(jī)加工量減小到 0.5 mm 范圍了，不僅提高了鑄件內(nèi)在質(zhì)量 ，同時(shí)節(jié)約了機(jī)加工時(shí)間。
2.3 模具方案的選擇
運(yùn)用 AnyCasting 軟件在 Sensor Cover 模具設(shè)計(jì)前期進(jìn)行模流分析，采用 3 種不同入水口的虛擬設(shè)計(jì) ，模擬鑄件凝固過程的數(shù)值 ，以及預(yù)測(cè)缺陷區(qū)域（圖 9）。通過比較 ，方案 c 的流道設(shè)計(jì)在液流填充方面更為順暢 ，實(shí)際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)殼體件的內(nèi)部缺陷明顯改善，提高殼體的成品率。
2.4 熔煉溫度的設(shè)置
基于 Sensor Cover 殼體結(jié)構(gòu)重量的考慮 ，選用 350T 冷壓室壓鑄機(jī)可以滿足鑄件的壓力要求 ，將殼體的澆注溫度設(shè)定為（640+/-20）℃，升壓速率設(shè)定為1.3 kPa/s 基本上可以讓金屬液體在平穩(wěn)壓力下緩慢充填 ，防止了紊流、飛濺所產(chǎn)生的二次氧化夾渣或?qū)π托镜臎_刷。
2.5 合金液的凈化
為進(jìn)一步防止氣孔、針孔、夾渣的產(chǎn)生，Sensor Cover 的工藝控制中又采用了二次精煉的步驟，在合金出爐前精煉一次，在合爐后澆注前進(jìn)行第二次精煉。同時(shí)在過濾過程中采用了三次過濾，首先在升液管口部采用纖維過濾網(wǎng)過濾，又在橫澆口上安放了陶瓷過濾網(wǎng)，同時(shí)在橫澆口與縫隙口端部安放了雙層纖維過濾網(wǎng)，這樣有效地防止了Sensor cover 鑄件中產(chǎn)生夾渣缺陷。
3 效果
取用實(shí)際生產(chǎn)的 6 件殼體 ，經(jīng)過 X 光射線探傷后 ，關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)部控制合格率達(dá)到 100% ；然后進(jìn)行精車 ，機(jī)加工面氣孔也達(dá)到了 ASTME505 2 級(jí)水平；最后進(jìn)行破壞性壓潰試驗(yàn) ，發(fā)現(xiàn) 6 件殼體全部通過 ，可承受壓力達(dá)到25KN 以上如圖 10。
4 結(jié)論
壓力鑄造的工藝流程較長 ，較難進(jìn)行過程控制 ，因此必須從來料開始進(jìn)行管理 ，從而提高鑄件的合格率。實(shí)踐表明 ，Sensor Cover 的工藝方案是合理可行的 ，有效的工藝措施也為其他大型殼體的批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ) ，積累了經(jīng)驗(yàn)。