铝合金壳体压铸件的高致密度压铸成型方法 技术领域 本发明属于金属零部件的成形加工技术领域， 涉及一种铝合金壳体压铸件的高致 密度压铸成型方法， 它尤其适用于大型铝合金壳体压铸件。
技术背景 铝合金零件的压铸成型是将熔融的液态铝合金浇入压铸机的压室中， 通过压射冲 头的运动， 在高压作用下， 以较高的速度填充入压铸模型腔内， 并使铝合金在压力下凝固成 型为铝合金压铸件的方法。制得的压铸件尺寸精度高、 表面光洁、 轮廓清晰。铝合金压铸产 品最大的市场是汽车工业， 为了使汽车轻量化， 实现高速、 安全、 节能、 环保的生产， 许多汽 车零件都由铝合金取代了铸铁件， 使汽车重量减轻 30％ -40％， 明显改善了汽车的加速和 减速性能， 大大减少了油耗和废气排放。
在工业生产中应用的压铸零件， 有一些零件尺寸较大， 重量大于 5kg， 或压铸时浇 注铝液的重量大于 8kg。目前在汽车零部件、 电子外壳零件、 电动工具等行业， 这类大型铝 合金压铸件有着许多的应用。此类大型压铸零件一般形状都比较复杂， 而且大多为壳体类 压铸件。例如汽车上的变速箱壳体， 长 420mm 左右， 宽 400mm 左右， 高 420mm 左右， 浇注铝液 重量达 18kg 左右。又如汽车发动机缸体， 根据型号的不同， 大约尺寸为长 480mm， 宽 380mm， 高 270mm， 铸件重量达 30kg 左右。再如发动机缸盖罩， 长 490mm， 宽 90mm， 高 200mm， 铸件重 量为 6kg 左右。对于此类大型、 复杂压铸件， 由于金属液在模具内流动行程较大， 而且在这 些壳体件中的流动不平稳， 充型过程中金属液有严重的卷气现象， 尤其是在最后充型和最 后凝固的部位， 形成了较多的气孔， 气孔率达到了 5％以上。由于这些疏松、 气孔等缺陷， 铸 件在承受气压、 液压时将会发生渗漏现象， 致使零件达不到使用要求而报废。 由此产生的工 时、 材料、 能源的浪费是很大的， 而且铸件尺寸越大， 加工工序越复杂， 造成的浪费就越大。
专利文献 CN101758197A 中公开了一种减少铝合金压铸件卷入性气孔的工艺方 法， 通过设计压铸模具的排气设施， 在压铸前进行排气处理， 降低压铸速度， 从而减少铝合 金压铸件中的气孔。 但是， 针对大型铝合金壳体零件， 由于其形状复杂， 尺寸较大， 只通过设 计排气设施并不能很好的解决气孔缺陷问题， 因为金属液在型腔内流动很剧烈， 不可避免 的卷入气体。专利文献 CN201313168Y 公开了一种变速箱壳体铝合金压铸模具， 该方法通过 改善模具的浇注系统， 使金属液在型腔中的流动更加均匀， 减少了压铸中形成的气、 缩孔。 专利文献 CN201061825 公开了一种高真空压铸用的密封结构， 通过在压铸过程中抽取型腔 中的气体， 降低型腔中原始气体量。但是， 针对大型铝合金壳体零件， 在压铸工艺上还没有 具体的优化方法。
对于已压铸出的有气孔缺陷的零件， 工厂中一般采用浸渗技术处理铸件使之符合 使用要求， 就是使液态的胶黏剂浸入铸件的微孔中， 通过固化聚合反应， 从而达到填充空 隙、 密封堵漏和承压的目的。张涛等 ( 张涛， 高永军， 冯再新 . 浸渗技术在大型薄壁铝铸件 上的应用 [J]. 中北大学学报 ( 自然科学版 )， 2006， 27(4)) 详细介绍了浸渗技术在大型薄 壁铝铸件上的应用， 通过渗漏技术， 可以有效地弥补压铸中所产生的疏松、 气孔等缺陷， 挽
回了一定的经济损失， 但是这样不仅增加了一道工序， 也增加了零件的生产成本。
以上解决压铸件缺陷的方法仍有不足之处， 虽说可以通过浸渗技术弥补部分损 失， 但是还不能从根本上解决大型铝合金壳体压铸件本身出现的缺陷问题， 仍需提出对压 铸工艺的新的改善方法， 以便提高零件性能、 减少零件缺陷、 提高经济效益。 发明内容
本发明的目的是提供一种铝合金壳体压铸件的高致密度压铸成型方法， 该方法可 以提高铸件的致密度， 不需要再对铸件进行进一步的浸渗处理， 使铸件达到使用要求。
本发明提供的一种铝合金壳体压铸件的高致密度压铸成型方法， 其步骤如下 ：
(1) 在模具型腔靠近内浇口的位置与远离内浇口的位置之间增加工艺性过桥结 构， 引导金属液的流向 ； 所述工艺性过桥结构的宽度为 20 ～ 40mm， 厚度为 2 ～ 4mm， 与铸件 结合处宽度为 1 ～ 3mm ；
(2) 采用铝液进行低温浇注， 铝液的含气量≤ 0.12cm3/100g， 低温浇注是指铝液 浇入压铸机压室的温度为铝合金液相线温度以上 30 ～ 50℃， 刚浇入时压室的充满度要求 ≥ 50％ ； (3) 按照下述过程进行压铸成形 ：
(3.1) 首先进行慢压射， 其速度为 0.3 ～ 0.7m/s ；
(3.2) 当压射冲头的行程为 100 ～ 300mm 时， 开始进行快压射充型， 压射充型速度 ≥ 5m/s ；
(3.3) 然后进行增压补缩， 使作用于铝液的压力≥ 80MPa， 最后得到铝合金壳体压 铸件。
通过上述发明内容可以解大型铝合金壳体压铸件经常容易出现的气孔、 渗漏等缺 陷问题， 从而提高铸件的致密度， 而不需要再对铸件进行进一步的浸渗处理， 使铸件达到 使用要求。本发明方法通过对铸件结构进行优化， 改善压铸工艺， 并加以真空压铸系统的 辅助工艺， 对一个汽车变速箱壳体零件试压铸， 零件长 420mm， 宽 400mm， 高 420mm， 最小厚 度 4mm， 压铸铝合金材料选用 YL112， 浇注温度选为 660℃， 在模具顶端溢流槽处安装真空抽 气阀。对压铸出的零件进行分析， 结果表明， 得到的压铸件气孔率＜ 5％， 且含气量为 1 ～ 3 3cm /100g， 外观质量优秀， 尺寸精度也很高， 完全符合零件的使用要求。
附图说明
图 1 为大型筒体类压铸件带有浇注系统及过桥结构的示意图。
图 2 为过桥形状及结构的示意图。
图 3 为圆盘类零件带有浇注系统及添加了过桥结构的示意图。
图 4 为对框体类结构零件添加了过桥结构的示意图。
图 5 为真空压铸成形方法的实例流程图。 具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明方法作进一步详细的说明。
1. 实现远离内浇口的位置快速充填的方法及工艺结构。由于大型铝合金壳体压铸件体积尺寸较大， 金属液充型时间可达 0.5-0.8 秒， 而 且液体流动较为剧烈， 在充型过程中极易产生较为严重的卷气现象， 特别是远离内浇口的 远端部位含气量很高， 产生严重气孔及缩孔等缺陷。本发明的方法为通过在模具型腔靠近 内浇口的近端位置与远端之间增加快速通道， 即工艺性过桥结构， 引导金属液的流向， 使铝 液快速充填远端部位， 以及进行压力迅速传递， 达到减少气孔及缩孔产生的效果。 一般过桥 结构的宽度为 20 ～ 40mm， 厚度为 2 ～ 4mm， 以便铸件成型后去除浇注系统时过桥容易被清 理去除。
(1) 如图 1 所示的大型筒体类压铸件， 压铸时金属液流动到对岸 A 部位时， 需要绕 过中间的型芯， 距离很长， 在远端的 A 部易生成气孔及缩孔。根据本发明， 在模具工艺设计 中， 在模具的分型面上增加快速通道——过桥 B， 使金属液快速充填远端。过桥 B 的设计方 法为 ： 宽度 20 ～ 40mm， 厚度为铸件壁厚的 1/2 ～ 2/3， 通常为 2 ～ 4mm 厚。在过桥与铸件结 合处的厚度减小为 1 ～ 3mm。过桥的形状及结构如图 2 所示。
(2) 如图 3 所示的大型零件中的圆盘类结构， 中间有一型芯孔， 阻碍了金属液的流 动， 在绕流过型芯后在对岸的交汇处 C 部位， 气孔及缩孔缺陷很多， 或产生冷隔。根据本发 明， 在模具工艺设计中， 增加快速通道——过桥 D， 使金属液快速充填远端。 过桥的形状及结 构亦如图 2 所示。
(3) 如图 4 所示的大型压铸件中的框体类结构， 若无快速通道——过桥 F， 金属液 要绕过很长的距离才能到达远端 E 部， 此时甚至产生浇不足的缺陷。根据本发明， 在模具工 艺设计中， 增加快速通道——过桥 F， 使金属液快速充填远端， 获得无气孔的高致密度铸件。 过桥的形状及结构亦如图 2 所示。
2. 特定的低温浇注、 高压充型工艺， 实现压铸件的高致密化
(1) 本发明采用铝液低温浇注， 即铝液浇入压铸机压室的温度为铝合金液相线温 度以上 30 ～ 50℃， 比传统的压铸浇注温度低 20 ～ 40℃。同时， 刚浇入时压室的充满度要 求≥ 50％。由于铝液浇注温度下降， 液态收缩减少， 铸件致密度提高。
(2) 采 用 高 压 充 型 的 三 级 压 射 工 艺 ： 根 据 压 室 充 满 度 情 况， 慢压射速度要求 0.3 ～ 0.7m/s， 高速切换点的压射冲头行程为 100 ～ 300mm ； 快压射速度≥ 5m/s， 增压压力 ≥ 80MPa， 比传统液态压铸的增压压力高 20 ～ 40MPa。高压充型提高铸件致密度的原理是 加强了大型零件的补缩， 同时也解决了浇注温度降低可能引起的流动性降低的问题。
3. 真空压铸系统辅助充填工艺及控制
(1) 对有渗漏试验要求的大型壳体压铸件， 采用高真空压铸工艺 ( 即型腔中的真 空度≥ 91kPa， 或绝对压力≤ 10kPa)。
(2) 真空压铸成形工艺流程的如图 5 所示。真空压铸与普通压铸在流程上的不同 之处在于， 真空压铸在慢速压射至增压过程中增加了对模具型腔抽真空， 降低型腔中的气 压， 减少液态金属充型时的卷气量。 真空过程是从真空启动到真空结束， 整个过程持续时间 为 1 秒左右。真空过程是伴随着压射过程完成的， 因此真空压铸具有与普通压铸一样的高 生产效率。
(3) 真空压铸工艺参数为 ： 真空启动时压射冲头行程为 50 ～ 120mm， 抽真空时间 0.8 ～ 1.5 秒， 真空停止时冲头行程为 300 ～ 800mm， 型腔真空度 91kPa 以上。
4. 控制铝液含气量的低气量熔体浇注工艺对于大型铝合金壳体压铸件， 由于零件大， 压铸型腔大， 铝液流动距离长， 铝液充 型过程中容易吸气， 增加了铸件产生气孔的可能性。 因此， 减少浇注前原始铝液的含气量将 有助于减少铸件气孔， 提高铸件致密度。
对有渗漏试验要求的大型壳体压铸件， 控制铝液含气量≤ 0.12cm3/100g。采用铝 液含气量定量检测技术， 含气量检测点为压铸机前的保温炉内。
总之， 本发明方法的具体实现步骤如下 ：
1、 在大型铝合金壳体压铸件的靠近内浇口的近端与远端之间增加快速通道， 即工 艺性过桥结构， 引导金属液的流向， 使铝液快速充填远端部位， 以及进行压力迅速传递， 达 到减少气孔及缩孔产生的效果。
2、 一般过桥结构的宽度为 20 ～ 40mm， 厚度为 2 ～ 4mm， 以便铸件成型后去除浇注 系统时过桥容易被清理去除。
3、 采用铝液低温浇注、 高压充型工艺， 即铝液浇入压铸机压室的温度为铝合金液 相线温度以上 30 ～ 50℃， 比传统的压铸浇注温度低 20 ～ 40℃。同时， 刚浇入时压室的充 满度要求≥ 50％。通过铝液浇注温度下降， 液态收缩减少， 使铸件致密度提高。
4、 大型壳体件的压铸工艺采用三级压射 ： 根据压室充满度情况， 慢压射速度要求 0.3 ～ 0.7m/s， 快压射速度≥ 5m/s， 增压补缩压力≥ 80MPa， 比传统液态压铸的增压压力高 20 ～ 40MPa。 5、 采用真空压铸系统辅助充填工艺及控制。对有渗漏试验要求的大型壳体压铸 件， 采用高真空压铸工艺 ( 即型腔中的真空度≥ 91kPa， 或绝对压力≤ 10kPa)。
6、 控制抽真空时间为 0.8 ～ 1.5s， 真空启动时冲头行程 50 ～ 120mm， 真空停止时 冲头行程 300 ～ 800mm， 型腔真空度 91kPa 以上。
7、 控 制 铝 液 含 气 量 的 低 气 量 熔 体 浇 注 工 艺， 控制压铸铝液含气量 3 ≤ 0.12cm /100g。
实例 ：
实施例 1
如图 1 所示的大型筒体类压铸件， 零件长 360mm， 宽 260mm， 高 280mm， 最小壁厚 4mm， 压铸铝合金材料为 YL112。根据本发明， 在图中的位置添加过桥 B， 宽 40mm， 厚度 4mm， 与铸件结合处宽度为 3mm。浇注温度选为 660℃ ( 为铝合金液相线温度以上 50℃ )， 铝液的 3 含气量为 0.12cm /100g ； 浇注完时压室的充满度为 50％， 慢压射速度为 0.7m/s， 当压射冲 头的行程为 300mm 时， 开始进行快压射充型， 压射充型速度为 5m/s ； 增压补缩阶段的压力为 80MPa。同时在零件顶端溢流槽处安装真空抽气阀， 在压射冲头行程为 120mm 时开始抽真 空， 控制抽真空时间为 0.8 秒， 压射冲头行程为 800mm 时停止抽真空， 停止时型腔中的真空 度≥ 91kPa。上述方法优化了压铸工艺， 改善了零件 A 处的性能， 气孔率达到 5％以内， 无渗 漏现象。
实施例 2
如图 3 所示的圆盘结构压铸件， 圆盘部分尺寸为外径 340mm， 内径 240mm， 压铸铝 合金材料为 YL112， 。根据本发明， 并在图中的位置添加过桥 D， 宽 20mm， 厚度 2mm， 与铸件 结合处宽度为 1mm。浇注温度选为 640 ℃ ( 为液相线温度以上 30 ℃ )， 铝液的含气量为 3 0.11cm /100g ； 浇注完时压室的充满度为 60％， 慢压射速度为 0.3m/s， 当压射冲头的行程为
100mm 时， 开始进行快压射充型， 压射充型速度为 5.2m/s ； 增压补缩阶段的压力为 100MPa。 工艺的优化本零件 C 处气孔明显减少， 符合了使用要求。
实施例 3
如图 4 所示的框体结构压铸件， 零件长 350mm， 宽 300mm， 高 310mm， 压铸铝合金材料 为 YL113。为保证零件顶端部位符合使用要求， 根据本发明， 在图中 F 处添加过桥， 宽 25mm， 厚度 3mm， 与铸件结合处宽度为 1.5mm， 引导金属流向。采用低气量熔体浇注工艺， 控制铝液 3 含气量为 0.10cm /100g ； 浇注温度选为 650℃ ( 为液相线温度以上 40℃ ) ； 浇注完时压室 的充满度为 65％， 慢压射速度为 0.5m/s， 当压射冲头的行程为 200mm 时， 开始进行快压射充 型， 压射充型速度为 5m/s ； 增压补缩阶段的压力为 90MPa。 同时在零件顶端溢流槽处安装真 空抽气阀， 在压射冲头行程为 50mm 时开始抽真空， 控制抽真空时间为 1.5 秒， 压射冲头行程 为 300mm 时停止抽真空， 停止时型腔中的真空度为 100kPa。 由于优化了零件的压铸工艺， 减 少了零件的气孔含量， 致密度提高。
以上所述为本发明的较佳实施例而已， 但本发明不应该局限于该实施例和附图所 公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改， 都落入本发明保 护的范围。