擠壓鑄造獲得的零部件內(nèi)部組織致密，力學(xué)性能較高，適宜于對組織和性能要求很高的鋁合金產(chǎn)品的生產(chǎn)。輪椅短車架是輪椅上的重要承載零部件，對負載能力要求較高，鑄件需經(jīng)T6處理。本課題針對該產(chǎn)品的擠壓鑄造工藝分析，并對擠壓鑄造充型和凝固過程進行數(shù)值模擬，研究了金屬液流動特性，預(yù)測了成形過程縮松、縮孔等缺陷的發(fā)生原因，以期為擠壓鑄造生產(chǎn)提供參考。
1 零件的結(jié)構(gòu)特性
輪椅短車架所用材料為A354鋁合金，其化學(xué)成分見表1。
A354鋁合金可熱處理強化，在鑄態(tài)及熱處理后具有優(yōu)良的室溫和高溫力學(xué)性能，其室溫抗拉強度≥255MPa，屈服強度≥200MPa，伸長率≥5%。該合金的鑄造性能優(yōu)良，無熱裂傾向，線收縮小，氣密性高。切削加工性和焊接性均較好，但耐蝕性較差。零件外形尺寸為450mm×150mm×100mm，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。
結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，對鑄件的部分結(jié)構(gòu)進行了修改，以方便擠壓鑄造生產(chǎn)和后續(xù)機加工、裝配、檢測等要求。
2 工藝設(shè)計方案與試驗結(jié)果分析
采用AnyCasting軟件對A354鋁合金擠壓鑄造充型、凝固過程進行數(shù)值模擬，模擬中模具材料采用SKD61，模具預(yù)熱溫度為200℃，鋁液澆注溫度為690~710℃，沖頭速度控制在0.08~0.15m/s，鑄造壓力為95MPa，保壓時間為15s。材料的物性參數(shù)見表2。
計算鑄件的投影面積等相關(guān)參數(shù)，根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備決定采用HVSC800PL型擠壓鑄造機進行生產(chǎn)，一模一件。
根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)的特征，采用的澆道見圖1，在橫澆道上開設(shè)多個內(nèi)澆口，便于成形與補縮。
根據(jù)擠壓鑄件的成形特點，鑄件位于澆注系統(tǒng)上方，凝固時必須至上而下實現(xiàn)順序凝固，鑄件最后凝固部位必須得到金屬液補縮，否則就會在鑄件后凝固部位產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，見圖2。
2.1 工藝設(shè)計方案①
在工藝設(shè)計方案①中，澆注系統(tǒng)開設(shè)見圖1。鑄件縮孔見圖2。采用AnyCasting對鑄件充型凝固過程模擬，結(jié)果見圖3。經(jīng)對方案①生產(chǎn)零件的缺陷部位進行剖切，見圖4～圖6標(biāo)識部位，可看出模擬結(jié)果與實際結(jié)果完全符合。
在圖3中最大斑點表示最后凝固的地方，該部位凝固過程若得不到金屬液的補充，就會形成縮松、縮孔缺陷，斑點的體積越大，表明出現(xiàn)縮松、縮孔的概率越大。分析凝固模擬結(jié)果，可知斑點的中心距離抽芯機構(gòu)的中心約為16mm，距離抽芯的外圓約為2mm。該處是出現(xiàn)最大截面積斑點的地方，斑點的直徑約為25mm。對試生產(chǎn)取樣10個按圖4位置切開，測量縮孔的直徑約為2.3mm，縮松的區(qū)域為24~26mm，有嚴(yán)重的縮孔、縮松，加工后全部暴露出來。分析澆道的結(jié)構(gòu)和凝固過程，認為由于內(nèi)澆口搭接在橫澆道上面，導(dǎo)致內(nèi)澆口過早冷卻，無法起到補縮的作用，沒有實現(xiàn)順序凝固，鑄件凝固時形成液相孤島造成的。
2.2 工藝設(shè)計方案②
結(jié)合方案①分析結(jié)果，提出修改方案，在易產(chǎn)生縮松、縮孔的部位，距離橫澆道最近處加工一條8mm寬，5mm深的補充澆道，使得內(nèi)澆口位于流道的中間，這相對方案①來說，內(nèi)澆口的冷卻速度變慢，對延緩內(nèi)澆口冷卻有一定的作用。
通過AnyCasting模擬擠壓鑄造凝固過程，在充填速度與冷卻等其他工藝參數(shù)不變情況下，對比工藝方案①的結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大截面積斑點出現(xiàn)的位置與方案②基本相同，見圖7標(biāo)識部位，但是斑點的大小有所變化，斑點的直徑約為20mm。對比實際結(jié)果，取樣10個按照圖8位置切開，測量縮孔的直徑約為2.2mm?？s松區(qū)域的截面積直徑為10~12mm。對比方案①，發(fā)現(xiàn)縮松區(qū)域減小，縮孔直經(jīng)變小，見圖9和圖10標(biāo)識部位，但沒有從根本上解決縮孔、縮松缺陷，需要進一步改進方案。
2.3 工藝設(shè)計方案③
鑄件的壁厚差過大，在擠壓鑄造時由鑄件薄壁部位先凝固，導(dǎo)致補縮通道被堵塞，后續(xù)金屬液無法對厚壁熱節(jié)處補縮，導(dǎo)致鑄件最后凝固部位產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。其解決的方法主要有：①在鑄件厚壁處采用局部擠壓，通過擠壓桿推動金屬液對可能產(chǎn)生縮孔部位施以局部高壓，進行補縮;②改變凝固順序，盡可能實現(xiàn)順序凝固。
通過對短車架模流分析和結(jié)構(gòu)的分析，方案③中采用局部擠壓，由于產(chǎn)生縮孔、縮松的部位位于側(cè)抽芯的旁邊，為了保證零件外觀的完整性，局部擠壓只能在側(cè)抽芯上實現(xiàn)，這樣會導(dǎo)致局部擠壓的效果不理想，并且局部擠壓的難點在于該部位形成液相孤島時得到壓力補縮的時間不好控制。局部擠壓的保壓時間太長，局部擠壓桿易被零件包死抽不回來，保壓時間太短，起不到擠壓的效果。
采用方案③，在短車架抽芯部位增加局部擠壓，該部位的縮孔與縮松得到明顯改善。圖11為局部擠壓模擬凝固圖，標(biāo)識部位為缺陷部位;圖12為局部擠壓凝固剖切圖實際缺陷部位。
3 激冷塊對減少鑄件縮孔的作用
通過前期模流的分析和結(jié)果驗證，認為擠壓鑄造中只有改變鑄件的凝固順序，才是消除縮孔、縮松最有效的途徑。通過在鑄件厚大部位放置激冷塊減少鑄件厚大部位熱節(jié)區(qū)域，實現(xiàn)了鑄件的順序凝固。
激冷塊在擠壓時預(yù)先放入模具內(nèi)，但模具溫度較高不易放置，由于抽芯的型芯是垂直向下的，激冷塊易脫落，給模具帶來安全隱患，且不便于大批量自動化生產(chǎn)。采用的激冷塊與鑄件的材料相同，外徑為22mm，內(nèi)徑為12.5mm，高為30mm。圖13為放置激冷塊的抽芯桿，圖14為激冷塊形狀。
放置激冷塊，改變了鑄件的凝固順序，通過內(nèi)澆口補縮的液態(tài)金屬量大為減少，實現(xiàn)了鑄件的順序凝固。計算機模擬(見圖15)與實際結(jié)果表明了激冷塊可減少鑄件縮松、縮孔。
圖15為放置激冷塊后的凝固模擬圖。對比分析采用無激冷塊(見圖16)與采用冷塊(見圖17)的成形效果，發(fā)現(xiàn)無激冷塊的產(chǎn)生較大的縮孔，放置激冷塊的只出現(xiàn)少量的縮松，并且出現(xiàn)在零件的中部，可以加工去除。
4 結(jié) 語
(1)在生產(chǎn)前期對給出的模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)進行計算機模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，在熱節(jié)部位采取相應(yīng)工藝措施，可有效減少鑄件縮孔、縮松缺陷。
(2)擠壓鑄造必須實現(xiàn)鑄件的順序凝固，滿足壓力下補縮條件。
(3)通過局部加壓增加了補縮效果，加激冷塊可減少鑄件的熱節(jié)區(qū)域，減少了對鑄件厚大部位的補縮體積并利于實現(xiàn)順序凝固。
