顧承揚，雷海蓉

鋁合金車輪支架差壓鑄造充型工藝優(yōu)化及改進

顧承揚，雷海蓉

（上汽大眾汽車有限公司質(zhì)量保證部，上海 201805）

本文通過優(yōu)化鋁合金車輪支架差壓鑄造充型過程曲線，解決了工件內(nèi)部部分區(qū)域的氣孔缺陷問題，避免了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及模具結(jié)構(gòu)的修改，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化了開發(fā)成本，為解決差壓鑄造產(chǎn)品內(nèi)部的侵入性氣孔缺陷，提供了一種可行的過程工藝優(yōu)化方法。

鋁合金；差壓鑄造；氣孔；工藝優(yōu)化

前言

車輪支架是汽車底盤最重要的安全件之一，它承受并傳遞底盤與路面之間的力和力矩，若車輪支架用在轉(zhuǎn)向橋上，也俗稱轉(zhuǎn)向節(jié)[1]。傳統(tǒng)車輪支架常用的材料為球墨鑄鐵，隨著汽車輕量化的迫切需求，越來越多的主機廠選擇鋁合金差壓鑄造車輪支架，因為它既有鍛造件的強度，又具備較高的延展性[2]。差壓鑄造相對傳統(tǒng)重力鑄造優(yōu)勢明顯，主要表現(xiàn)在充型金屬液質(zhì)量好、充型過程精準可控、鑄件內(nèi)部缺陷少、鑄件表面質(zhì)量好等方面[3]。

1 差壓鑄造特點

差壓鑄造（Counter Pressure Casting）起源于保加利亞，它是在低壓鑄造的基礎(chǔ)上，在鑄型外增加了密封罩，先通入壓縮空氣整體加壓，然后使坩堝與鑄型產(chǎn)生壓力差，金屬液會隨升液管“自下而上”的流入鑄型（如圖1所示），并在較高的壓力下補縮和凝固[3]。上汽大眾在2013年國產(chǎn)化了第一款鋁合金差壓鑄造車輪支架，至此之后越來越多的差壓鑄造技術(shù)應(yīng)用在了各種車型的前、后轉(zhuǎn)向節(jié)上。本文研究的產(chǎn)品及工藝均采用保加利亞鑄造集團CPC1600差壓鑄造設(shè)備生產(chǎn)。

CPC設(shè)備面板上通常會有兩個曲線框（如圖2所示），上、下兩組曲線分別對應(yīng)了系統(tǒng)中各腔的壓力及充型壓力差?隨時間T變化的曲線，它們展示了CPC差壓鑄造的充型、補縮、凝固全過程。首先建立系統(tǒng)壓力P，隨后金屬模腔保持壓力恒定，坩堝爐壓力繼續(xù)升高并與金屬模內(nèi)腔形成壓力差?，隨著?的不斷增大，鑄型被逐漸填充滿，充型過程可設(shè)置Sp（i=1，2，...6）6個壓力控制點來分段精細化控制。在充型完成后，金屬模腔內(nèi)卸壓，工件在保持最大壓力差?P的狀態(tài)下補縮和固化。

圖1 CPC差壓鑄造設(shè)備示意圖

圖2 CPC差壓鑄造壓力曲線示意圖

車輪支架毛坯差壓鑄造批量生產(chǎn)主要流程如圖3所示：首先在熔煉爐中將原材料鋁錠熔煉為鋁液，隨后在坩堝爐中精煉鋁液（變質(zhì)、細化、除氣、除渣等），將精煉合格的鋁液通過CPC差壓鑄造得到所需的產(chǎn)品造型，產(chǎn)品在完成熱處理后才能到達要求的機械性能。由于差壓鑄造產(chǎn)品可能存在內(nèi)部缺陷（氣孔、縮孔、疏松等），我們通常采用100% X-ray探傷來保證產(chǎn)品內(nèi)部0缺陷，且所有探傷照片均精確追溯并存檔15年。如果X-ray不合格率過高，不僅影響了產(chǎn)能，造成資源浪費，而且也提高了工廠生產(chǎn)成本，因此超壓鑄造充型工藝至關(guān)重要。

圖3 差壓鑄造鋁合金車輪支架批量生產(chǎn)流程圖

2 產(chǎn)品充型工藝質(zhì)量問題

某鋁合金車輪支架材料牌號為AlSi7Mg0.3，該產(chǎn)品機械性能要求為：屈服強度>245 N/mm2（單項值），>255 N/mm2（平均值，n=3）；抗拉強度>305 N/mm2（單項值），>315 N/mm2（平均值，n=3）；延伸率>6%（單項值），>8%（平均值，n=3），產(chǎn)品的孔隙率按照標準VW50093，一般區(qū)域：D5/Φ3，關(guān)鍵區(qū)域：D4/Φ3/H0，同時產(chǎn)品疲勞性能需要滿足臺架試驗標準。

圖4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)模示意圖

試制過程中通過X-ray探傷發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品氣孔報廢率達到30%以上，缺陷形狀大多為內(nèi)壁光滑的圓球形或扁球形，主要集中在方框的中間區(qū)域（如圖4、圖5所示）。鋁合金鑄件氣孔通常分為析出性氣孔、反應(yīng)性氣孔、侵入性氣孔三種[4]。析出性氣孔通常均勻分布在內(nèi)部靠近熱節(jié)、冒口等溫度較高的區(qū)域，氣孔細小且分散；反應(yīng)性氣孔通常分布在型壁與鑄件的接觸面上；侵入性氣孔主要分布在鑄件上部，孔大而光滑[4]。本文研究的產(chǎn)品缺陷主要為侵入性氣孔，即在充型過程中金屬模具型腔中的氣體未及時排出而被卷入到金屬液中，俗稱“卷氣”。

3 原因分析

在差壓鑄造產(chǎn)品開發(fā)過程中，如遇“卷氣”缺陷時，通常會先從以下幾個方面著手進行排查：

（1）升液管開裂漏氣。在產(chǎn)品充型過程中，坩堝內(nèi)壓縮空氣通過升液管裂紋滲入并伴隨鋁液進入鑄件。

（2）中間管法蘭密封不好。壓縮空氣通過中間管法蘭泄漏處侵入并伴隨鋁液進入鑄件。

（3）金屬模排氣孔堵塞。充型過程中若型腔內(nèi)的氣體排出不及時，易導(dǎo)致氣體被金屬液包裹卷入鑄件中。

圖6 鑄造過程模擬仿真

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，在排除了以上幾個常見因素后，我們使用MAGMA對鑄造過程仿真分析發(fā)現(xiàn)，鑄件的缺陷區(qū)域在充型過程中出現(xiàn)了局部“孤島”（如圖6所示白圈部分）。對該區(qū)域做局部剖視圖A-A，剖面呈現(xiàn)“W”形，存在“波峰”和“波谷”特征（如圖7所示）。據(jù)研究表明，每種液態(tài)金屬都存在一個臨界速度，高于該臨界速度會產(chǎn)生紊流，金屬液表面將發(fā)生折疊并夾入到金屬液的主體中[5]。如果充型速度過快，金屬液在重力作用下從“波峰”涌向“波谷”，形成“瀑布效應(yīng)”[5]，本案例的充型鋁液在翻滾過程中還會繞道到前方區(qū)域形成局部“孤島”，因此增大了該區(qū)域發(fā)生“卷氣”或氧化夾雜的風(fēng)險。

圖7 產(chǎn)品A-A截面剖視圖

圖8 產(chǎn)品原始充型曲線示意圖

結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征，我們嘗試通過降低缺陷區(qū)域充型速度的方式來減緩“孤島”和“瀑布效應(yīng)”的影響。該產(chǎn)品的原始鑄造充型參數(shù)見表1，原始充型曲線如圖8所示。

表1 原始鑄造參數(shù)表

根據(jù)壓強公式=ρgh，由CPC設(shè)備和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特性可以推算出充滿金屬模型腔的壓力差△P1約為160mbar，及充型過程中鋁液到達缺陷部位時的壓力差△P2約為130 mbar 到140mbar之間。

4 優(yōu)化方案

為放緩產(chǎn)品缺陷部位的充型速度，我們在原始充型曲線SP1-SP2階段內(nèi)新增了SP3和SP4控制點，將原來的SP1、SP2兩步加壓充型優(yōu)化為SP1'、SP2'、SP3'、SP4'四步加壓充型（如圖9所示）。力爭通過降低充型速度，讓鋁液在金屬模腔內(nèi)（尤其是缺陷區(qū)域）的充型流動更為平緩。嘗試實施的兩個方案如下：

方案一：產(chǎn)品缺陷部位的充型速度從SP1-SP2階段的14mbar/s降到SP2'-SP3'階段的6.7mbar/s和SP3'-SP4'階段的6.7mbar/s（詳細參數(shù)如表2所示），為了驗證該充型速度對氣孔的影響，我們試制了一個班次（生產(chǎn)了約720件產(chǎn)品），通過X-ray探傷發(fā)現(xiàn)缺陷區(qū)域氣孔報廢率降低為2%。

圖9 充型過程曲線優(yōu)化方案對比

表2 充型過程優(yōu)化方案參數(shù)對比表

方案二：產(chǎn)品缺陷部位的充型速度從SP1-SP2階段的14mbar/s進一步放緩到SP2''-SP3''階段的4mbar/s和SP3''- SP4''的5mbar/s（詳細參數(shù)如表2所示）。在所有其他條件相同的情況下（即相同的鋁液、差壓鑄造設(shè)備、X-ray探傷設(shè)備、生產(chǎn)人員等），同樣試制了一個班次（生產(chǎn)了約720件產(chǎn)品），通過X-ray探傷發(fā)現(xiàn)缺陷位置的氣孔報廢率降低為0。最終我們選擇了方案二用于生產(chǎn)，從而避免了修改模具或修改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的高成本優(yōu)化措施。需要補充強調(diào)的是，差壓鑄造充型速度也并不是越低越好，而是要在不引起金屬液紊流并保障排氣通暢的情況下，盡量提高充型速度，這樣有利于工件補縮，提高鑄件致密度[6]。

5 結(jié)論

本文主要闡述了鋁合金車輪支架類產(chǎn)品的差壓鑄造生產(chǎn)工藝。某產(chǎn)品開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域氣孔缺陷比例大，通過分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，調(diào)整優(yōu)化了差壓鑄造充型過程曲線，有效解決了產(chǎn)品內(nèi)部特殊區(qū)域一定比例的侵入性氣孔缺陷問題，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了開發(fā)成本，具有良好的經(jīng)濟效益。

[1] (德)海興(Heibing，B.),(德)埃爾斯(Ersoy,M.)著,孫鵬譯.汽車底盤手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012:438-439.

[2] 李鵬飛,楊弋濤.差壓鑄造鋁合金汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的夾雜物分析[J].特 種鑄造及有色合金,2018,38(1): 40-44.

[3] 中國機械工程學(xué)會鑄造專業(yè)學(xué)會編.鑄造手冊[M].第六卷.特種鑄造.北京:機械工業(yè)出版社,2001.

[4] 董秀琦.低壓及差壓鑄造理論與實踐[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2003:316-317.

[5] Mark Jolly. Prof. John Campbell’s ten rules for making reliable cas -tings[J].JOM, 2005, 57 (5):19-28.

[6] 朱秀榮,侯立群等著.差壓鑄造生產(chǎn)技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2009:130-131.

Optimization and Improvement of Filling Process for Aluminum Alloy WheelBracket Counter Pressure Casting

Gu Chengyang, Lei Hairong

（SAIC VOLKSWAGEN Automobile Co. quality assurance department, Shanghai 201805）

In this paper, by optimizing the filling curve of aluminum alloy wheel bracket counter pressure casting, the problem of porosity defects in the inner part of the workpiece is solved, the modification of product structure and mold structure is avoided, the product quality is improved, the development cost is optimized. The problem of porosity defects in the cast product provides a feasible process optimization method.

aluminum alloy; counter pressure casting; pore; process optimization

TG292

B

1671-7988(2019)14-166-04

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顧承揚 (1983.7-)，男，工程師，碩士，就職于上汽大眾汽車有限公司質(zhì)量保證部，從事汽車底盤后橋模塊零部件質(zhì)量保證工作。雷海蓉 (1978.11-)，女，經(jīng)理，碩士，就職于上汽大眾汽車有限公司質(zhì)量保證部，從事汽車底盤零部件質(zhì)量保證工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.054