A356鋁合金半固態壓鑄模設計

溫煌英，劉付國宇

（1.廣東科技學院，廣東 東莞 523000；2.東莞市偉源五金有限公司，廣東 東莞 523000）

0 引 言

減速器是一種用途廣泛、技術成熟的減速傳動裝置，主要由封閉在減速器箱體中的傳動齒輪、傳動軸、軸承、密封圈等組成，常用于發動機或電動馬達與動力工作的機械結構之間，起到減速、調速和傳輸動力的作用。隨著對現代機械設備的技術要求提高，對減速器的強度和性能要求也越來越高，現闡述一種減速器箱蓋的半固態壓鑄模設計。

1 鑄件結構分析

減速器箱蓋為圓盤類型，最大外形尺寸為：φ239 mm×46 mm，平均壁厚為6.5 mm，局部最大壁厚達到15 mm，屬于厚重類型的壓鑄件，如圖1所示。其軸端外部有1個環形槽結構，內部有2個軸端避空孔和加強筋。鑄件要求外表面不能有明顯的分模線，內部要求不能有砂孔、氣孔、縮孔等缺陷。深灰色面為裝配面，要求CNC加工，并保證其加工后的表面粗糙度Ra≤0.8 μm，同時不能出現針眼大小的孔洞，如圖2所示。

圖1 減速器箱蓋

2 確定鑄件材料和壓鑄成型方法

根據減速器箱蓋壁厚較厚的特點及其內部無孔洞要求，選用A356鋁合金材料成型。A356鋁合金是典型的Al-Si-Mg系三元合金，其熔點低、密度小，比強度和比剛度高，耐蝕性、耐候性好。該合金會在表面形成一層致密的氧化膜，使其表面性能較好，且氧化膜隔絕了氧氣及其他一些腐蝕劑與內部基體的接觸，降低了腐蝕速度，使其具有良好的耐腐蝕性；該合金塑性好，易于加工成型。

壁厚在2～4 mm的鑄件適合采用高壓壓鑄成型，如果鑄件平均壁厚≥5 mm，采用高壓壓鑄成型容易出現型腔內部卷氣或增壓補縮困難，導致鑄件出現砂孔、氣孔、縮孔等缺陷。

攪拌型半固態壓鑄主要是指半固態金屬漿處于固態和液態之間，既具有初生固相，也含有非晶形態，依然具備良好的流變特性以實現鑄件的成型。半固態壓鑄與液態壓鑄相比，具有的優點：①比液態金屬更低的熱含量，可以提高鑄件成型速度，減輕金屬液對成型裝置的熱沖擊，延長模具使用壽命，還可成型高熔點鑄件；②黏度比液態金屬高，在成型中半固態合金流體不易噴濺，減輕了合金流體的氧化，提高了成型件的致密性，成型件可以熱處理強化，力學性能比液態合金成型件高。采用攪拌金屬液的方法，有利于成型產品。

3 分析進料方案

減速器箱蓋為圓盤類型的壁厚結構件，具有裝配和內部無鑄孔的要求，所以排除普通壓鑄，選擇攪拌型半固態壓鑄成型。其模具采用較大的進澆量，設計多澆口底面進澆；考慮模具型腔內部的氣體較多，設計尾部渣包收集前端的冷料和氣體，使用排氣塊促進排氣。成型鑄件采用底面進澆的方式，設計4個進澆口，進澆口尺寸為25 mm×4 mm；一共設計7個渣包，其中末端的3個渣包處設計排氣槽，將型腔中的氣體排除，如圖3所示。

圖3 澆鑄及排氣系統

使用壓鑄仿真模擬軟件進行填充模擬，驗證流道、渣包和整個型腔的填充可行性，填充模擬結果如圖4所示。

通過圖4模擬結果顯示：①熔體同時到達4個進料口，平順整齊的填充型腔；②熔體流動中遇到中間的柱子被分成兩股，繞過柱子后，再次融合時的小部分卷氣被排到柱子中間的渣包；③熔體流動前端凝料和氣體被排擠到尾部的3個渣包中；④兩側部位的卷氣和凝料直接排到兩側渣包中。經過仿真模擬驗證，證明整副模具的型腔設計及其填充相對合理，流道設計及渣包排布也合理。

圖4 填充分析

4 模具結構設計

根據減速器箱蓋的結構特點：軸肩存在環形槽倒扣，產品表面不允許有分模線，不適合滑塊抽芯成型，也不采用CNC加工成型環形槽，以避免加工后遇到其內部的氣孔和砂孔缺陷等。壓鑄模容易出現堆積鋁屑和飛邊的問題，會影響鑲件套的安裝及其精度，設計了定模組合滑塊輔助清理鑲件套孔內壁的鋁屑和飛邊，以保證鑲件套孔內部的清潔度和裝配精度。為減少后期打磨進澆口和渣包口的工作量，設計底面進澆口和排渣口；其殘留部分由CNC加工去除。綜合上述分析，采用常用的兩板壓鑄模，其結構采用1模1腔布置，外形尺寸為600 mm×650 mm×455.5 mm，質量約為1 200 kg，屬于中型壓鑄模，模具結構如圖5所示。

圖5 模具結構

5 型芯和冷卻系統設計

減速器箱蓋的壁厚較厚，模具熱量殘留多，為防止模具高溫造成老化龜裂。在定模型芯、動模型芯設計φ10 mm的冷卻水路，保證模具溫度穩定平衡，可以連續自動化生產，動、定模型芯如圖6所示。

圖6 型芯結構

6 定模滑塊組件機構和工作原理

定模組合滑塊由滑塊墊板12、圓形滑塊13、T形滑塊座14、液壓缸15、鑲件套16等組成，如圖7所示，定模組合滑塊主要作用是輔助清理鑲件套孔內壁的鋁屑和飛邊。

圖7 定模滑塊組件

定模組合滑塊的工作原理：完成壓鑄成型后，定模板1和動模板4之間的分型面打開，鑄件及其鑲件套16留在動模，壓鑄機的液壓系統向液壓缸15提供動力，液壓缸活塞桿推動T形滑塊座14，T形滑塊座14再推動圓形滑塊13向下運動；圓形滑塊13把壓鑄生產過程中殘留在鑲件套16內孔的鋁屑和飛邊清理，保證鑲件套孔內部的清潔度和裝配精度，確保下一次的裝配和壓鑄成型。

使用錘子和鑿子敲擊鑲件套敲擊孔，使鑲件套16分成兩半，人工取下鑲件套16，使其和鑄件分離。分離的鑲件套16清理干凈再安裝合并后可以繼續下一次生產。

7 模具工作過程

成型減速器箱蓋模具工作過程如下。

（1）放置鑲件套，準備壓鑄。先將鑲件套16放置在定模型芯2的孔中，再將鑲件套16擠壓到位，合模準備生產。

（2）半固態壓鑄成型。熔體通過澆口套9、分流錐10進入流道，再經過澆口高速流入填充型腔成型，經保壓、冷卻和固化至足夠的剛性。

（3）開模。壓鑄成型完成后在定模板1和動模板4之間開模，鑄件和鑲件套16留在動模型芯5一側。

（4）推出。壓鑄機的頂桿推動推桿固定板6，推桿固定板6推動推桿11推出鑄件，推出距離為30 mm。

（5）清理鑲件套16內孔的鋁屑和飛邊，然后復位。

（6）分離鑲件套16和鑄件，將清理好的鑲件套16放到模具中。

（7）噴脫模劑，吹干，合模，準備下一次壓鑄成型。

8 結束語

攪拌型半固態壓鑄成型的產品外觀質量好，鑄件的凝固收縮減小，鑄件尺寸精度高，減少了機械加工量或得到無機械加工余量鑄件。減速器箱蓋采用攪拌型半固態壓鑄模成型，使金屬液中的殘留氣體少，成型晶相好，采用1模1腔的模具布置，保證成型高致密性的壓鑄件；采用定模組合滑塊保證了鑲件套孔內部的清潔度和裝配精度，再配合攪拌型半固態調機參數，可以持續穩定地生產高致密性、高強度的減速器箱蓋，其實物如圖8所示。

圖8 減速器箱蓋實物