崔美卿 勾建勇
（扬州嵘泰工业发展有限公司）
摘要介绍了高强度液压转向器长壳体压铸件的开发过程，针对产品特点分析了缺陷成因，提出了消除铸件缺陷的措施。运用MAGMA软件进行了工艺设计优化，并通过产品试制及批量生产进行了验证。
液压转向器是在商用车、重型机械上广泛应用的一类转向器，转向器壳体是转向器总成的载体，主要功能是做为齿轮壳体、转向动力缸及齿条的安装支架，并实现转向总成与车体的连接。由于转向动力缸一般工作油压为12 MPa，瞬间油压峰值会达到26 MPa，传统的液压转向器都是把对强度与致密性要求低的部分采用铝合金压力铸造以提高生产效率并减轻整车质量，对强度与致密性要求高的动力缸这一部分采用钢板焊接件，这样的转向器壳体比较笨重，而且生产工艺繁琐。本公司开发的一体式高强度液压转向器壳体，其低压部分与动力缸采用铝合金一体式压力铸造完成，通过优化常规压力铸造工艺，辅助真空压铸工艺、局部挤压、超级冷却等辅助工艺，提高了铝合金压铸件的致密性与强度，满足了液压转向系统对铝合金壳体的性能要求。
1 产品技术要求与压铸难点分析
图1为高强度液压转向器长壳体压铸件，其质量为2.6 kg。材料为Al-9Si-3Cu( Fe)(DIN ENAC1706-46000)。加工后要进行水密封测试，在1 MPa下不允许漏气。铸件整体满足大众VW 50093标准的孔隙率D5，单个气孔直径不大于2.5 mm，气孔间距大于8mm，聚集性气孔直径小于0.8 mm，气孔间距大于2mm。图1中标记B的区域为主缸工作的高压区，要求单个气孔小于0.5 mm，气孔间距大于8 mm。标记C的位置为高压油管接口的密封区域，不允许有气孔。其余加工面气孔直径不大于1 mm，气孔间距大于10mm。密封面气孔直径不大于0.4 mm，气孔间距大于10 mm。图1中B处高压区域（标记B内孔）。
主缸内孔剖视及加工要求见图2，活塞活动区域长度为176 mm，高压区域长度为260 mm，直径尺寸公差为0～0. 039 mm，同轴度为0.02 mm。
主缸内孔加工面不允许有肉眼可见的气孔，内孔加工余量的控制及冷却非常重要。由于主缸孔深为230mm，抽芯长度为300 mm，当孔口设计0.5 mm的加工余量，脱模斜度设计为0.3。时，孔底部的加工余量为1.5 mm，如何保证0.3。脱模斜度的抽芯有效脱模，是模具结构设计的难点。
2 压铸工艺CAE分析及优化
要消除铸件内部的气孔，产品充型的流动模式是模具设计的关键，合理的流动模式可以有效避免由于金属液汇流及紊流造成的外来夹杂物及卷气缺陷。
根据产品的结构特点，设计了4种填充方案，采用MAGMA软件进行模拟分析，优化并选择最合理的填充方案。
(1)方案1 多浇口梳状填充模式见图3。
(2)方案2单浇口端部填充模式的温度场模拟及填充模拟，见图4和图5。
(3)方案3铸件双浇口端部填充模式，见图6。
(4)方案4铸件凝固顺序与热节点模拟结果见图7。
模拟结果分析表明，方案2采用端部填充的温度与材料流动控制最理想，也是对内部品质要求高的产晶通常采用的填充模式，所以确定采用单浇口端部填充模式做为基本工艺方案。
3 关键工序开发FMEA与预防措施
3.1铸件化学成分与力学性能
Al-9Si-3Cu(Fe) (DIN 1706 ENAC 46000)铝合金的液相线温度为610℃，固相线温度为580℃，根据标准选择的内控化学成分与力学性能分别见表1和表2。
为防止Si元素偏析导致测量误差，降低Si含量上限。为降低铝合金粘模倾向及减少Fe对铝合金强度的影响，设定Fe含量下限并收紧上线。选择熔化效率为1.0 t/h的中央熔解炉，铝锭与回炉料配比为(60～80)：(40～20)，出炉温度为(760±20)℃，采用石墨转子与氮气进行转运包内除氢，控制标准设定密度指数小于5。
3.2压铸机选择及压铸工艺参数设定
3.2.1压铸机选择
根据方案2确定的浇注系统、排气系统，对高致密要求的耐压铸件选用80 MPa比压。模具主涨型力为9 452 kN，滑块分涨型力为265 kN，模具总涨型力为9 717 kN。
根据现有TOY0 12500 kN V5压铸机哥林柱间距计算4个哥林柱承受分解涨型力，反操作下侧哥林柱承受涨型力最大，Fmax为2 667 kN，安全系数K=1.15，模具需要的锁模力F锁=4×Fmax×K=4×2 667×1.15=12 268.2 kN。确定选用12 500 kN压铸机。
3.2.2填充时间
压室直径为90 mm，内浇口面积为495 cm2，快压射速度为3.5m／s，内浇口速度为44. 95 m／s，理论填充时间为42. 34 ms。
3.3压铸模设计
根据CAE分析结论，选用方案2。
基于方案2的凝固模拟分析，确定热节点，控制凝固顺序，解决缩孔、缩松问题。模具主要冷却水方案见图8，标记A部位4处采用常规点式冷却；标记B的两处为主要热节点位置，采用Jet Cooling的高压冷却，连续供水，水压力为1.1 MPa;标记C的主缸内孔，需要冷却，但高压缸处在填充末段，冷却过度会导致流动类缺陷，所以标记C高压区抽芯采用Jet Cooling的高压冷却，冷却水压力为0.5 MPa，间歇供水，铝合金充型完成到凝固阶段供水。
图9中的2处高压油管接口处，铜制的高压油管球面靠锁紧螺母的压力压紧后与油管口密封面形成塑性变形的硬密封，同时油的工作压力为12 MPa，峰值压力为26 MPa，对这个区域的铸件组织及韧性提出了更高的要求。为此，这两处采用局部挤压工艺，孔口螺纹为M12，挤压销直径为φ8 mm，挤压行程为15 mm，挤压压力为260 MPa，抽芯液压压力为10 MPa，选取直径为φ80 mm的挤压油缸。
模具设计采用真空压铸工艺辅助排气，采用现有车间集中真空系统，油缸驱动式真空阀控制。
针对主缸内孔0.3°脱模斜度不容易脱模问题，抽芯成型部分采用Ti/N/C涂层的PVD表面处理；同时，在滑块上采用了斜销形式的机械预抽芯机构，预抽行程为8 mm。
模具设计5组抽芯，采用油缸驱动，2组局部加压销，模具总体设计见图10。
4 试生产验证与检测
4.1 生产条件
生产采用TOYO V5 12500 kN压铸机，循环节拍为75 s。铝液保温温度为(665±10)℃。
主要压铸参数：慢压射速度为0. 25 m/s，快压射速度为3.2m／s，高速行程为110 mm，铸造比压为80MPa，增压建压时间为25 ms。
真空启动位置在150 mm，真空压力为-90 kPa。
冷却控制：①C点冷却，高速切换位置启动通水，通水时间15 s，吹气清扫时间20 s，通水压力0.5 MPa;②B点冷却，水压1.1 MPa持续通水，流量180 L／min;③Al点冷却，水压0.5 MPa持续通水，流量120 L／min；④A2点冷却，水压0.5 MPa持续通水，流量70 L／min；⑤A3点冷却，水压0.5 MPa持续通水，流量120L／min。
局部挤压设定：挤压压力为10 MPa，挤入速度（液压阀开度）设定为70%，延迟时间为3.5 s，返回时间为6s，压力保持为6s，退回压力为11 MPa，退回速度（液压阀开度）设定为80%，抽芯喷雾时间为6s。
4.2模具温度场及产品检验
用热成像仪实测模具温度场见图11。
铸件经探伤与组织检测后，达到要求。
4.3验证结果与量产优化
铸件经33 MPa爆破试验、30万次循环耐久试验合格，CT扫描满足孔隙率D5要求，已经批量生产，过程稳定；产品经100%探伤合格率98%以上，加工后表面气孔不良率小于1%，在1 MPa水密封泄漏检测不良率小于0. 5%。
实际批量生产过程由于两个挤压销直径只有8mm，长度为350 mm，导致挤压过程销子变形、折断，寿命只能达到3 000模次以内。经优化设计，把挤压销改为阶梯结构，前段直径为8 mm，长度为100 mm，后段直径为16 mm，非配合段挤压销与挤压套避空0.5mm，经过批量生产验证，挤压销寿命达到了10 000模次以上。
5 结 语
产品开发初期充分识别压铸件的潜在缺陷并采取针对性措施，能够有效避免铸件缺陷韵产生。对于内部品质要求高的压铸件，先进的模拟优化铸件工艺设计，可以有效避免设计失误，冷却水的控制与辅助局部加压工艺对热节点缩孔、缩松的解决非常有效。
