作者：王凱樂（長城汽車股份有限公司技術中心， 河北省汽車工程技術研究中心）

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【摘要】介紹了局部擠壓技術在鋁合金壓鑄件中的應用， 局部擠壓技術的原理、 使用方法，以及局部擠壓結構各部分具體的設計要點。最後以實際應用結果示例， 直觀地介紹了局部擠壓技術的使用條件和擠壓效果。

關鍵詞：局部擠壓；補縮；擠壓銷；鋁合金；壓鑄件

1 引言

壓鑄是将熔融液态金屬在高速高壓狀态下充滿模具型腔的過程， 金屬液主要通過模具型腔接觸散熱， 在壓鑄機增壓壓力的作用下凝固成為需求的壓鑄件。生産過程中壓鑄機的增壓壓力一般在 60~80MPa， 當壓鑄件壁厚差異大， 澆口處提前凝固時， 壓鑄件壁厚位置鋁液補縮通道受阻， 進而在壁厚位置形成縮孔、 縮松等缺陷。用于壓鑄生産的壓鑄模上通常設計水道、 油道、 氣道等溫度控制系統調節模具溫度，盡量實現壓鑄件順序凝固， 當壓鑄件壁厚差異較大，調控模具溫度無法解決壓鑄件縮孔、 縮松等問題時，就需要在壁厚的位置單獨設計一個輔助的增壓補縮結構， 這就是本文将要介紹的局部擠壓技術。

2 局部擠壓技術介紹

2.1 局部擠壓技術原理

局部擠壓是在鋁液充型完成後， 鑄件凝固過程中，使用增壓機構對壓鑄件局部施加壓力， 通過增壓補縮來解決壓鑄件壁厚較大的關鍵部位縮孔、 縮松等缺陷。如表1所示， 局部擠壓結構一般分為兩種形式， 方式一在壓鑄件局部平台設計擠壓結構， 此種擠壓結構一般會有較大的毛刺殘留， 需要在毛坯狀态時打磨去除， 此種結構多用在壓鑄件斜油道、 局部倒扣無法預鑄等位置處；方式二在對應壓鑄件壁厚位置可以設計預鑄孔的位置設計擠壓結構， 擠壓後形成的擠壓銷孔保留在鑄件毛坯上， 此種結構多用在有密封要求的壓鑄件深孔處， 通過增加局部擠壓結構降低壓鑄件深孔洩漏風險。

2.2 增壓體積的常規計算方法

為有效控制缺陷， 增壓體積須準确計算， 增壓體積與需要增壓部位的壓鑄件體積及需增壓部位的缺陷發生率有關。

即：V LSQ ≥V×f

式中 V LSQ — —增壓體積

V — —需增壓部位的壓鑄件體積 （參考影響半徑R）

f — —需增壓部位的鑄造缺陷發生率×2增壓體積計算方法如下：

（1） 首先确認壓鑄件缺陷易發生的區域， 根據區域大小按表2和圖1所示選擇合适的影響半徑， 進而确定擠壓銷端面面積範圍。

圖1 局部擠壓結構示意圖

（2） 測量壓鑄件缺陷易發生位置的體積， 鑄造缺陷發生率開發階段以模拟分析結果為準， 通過公式計算擠壓銷的增壓體積。

（3） V LSQ =A （擠壓銷端面面積） ×H （擠壓深度） ， 擠壓深度H一般選擇10~15mm， 進而确定合适的擠壓銷規格和擠壓深度。

2.3 一種簡易增壓體積計算方法

按照質量守恒的原則， 鋁液凝固前後滿足下面的公式， 壓鑄件需增壓的體積可以近似的理解為鋁液凝固成為固态後所減小的體積。

V 液态金屬 × ρ 液态金屬 =V 固态金屬 ×ρ 固态金屬

通過以上分析可以得出增壓體積近似滿足以下

公式：

V LSQ =V 液态金屬 -V 固态金屬 = （ρ 固态金屬 -ρ 液态金屬 ） /ρ 固态金屬 ×V 液态金屬

以常用的壓鑄鋁合金ADC12為例， ρ 固态金屬 =2.7g/cm 3 ， ρ 液态金屬 =2.35g/cm 3

V LSQ = （2.7-2.35） /2.7×V 液态金屬 =0.13×V 液态金屬

計算出擠壓體積後參照圖1選擇合适的擠壓銷規格和擠壓深度。此種方法計算的擠壓體積為臨界體積， 一般需要增加1.2以上的安全系數， 使實際生産調試時擠壓銷開始擠壓設置的工藝範圍加寬， 便于生産控制。

3 一般擠壓銷結構的設計标準

3.1 一般擠壓銷結構詳細結構示例

圖2所示為擠壓銷設計在壓鑄件平台處時的一般結構示例， 圖3為擠壓銷設計在壓鑄件預鑄孔處時的一般結構示例。

圖2 擠壓銷方式一示意圖

圖3 擠壓銷方式一示意圖

3.2 擠壓銷和銷套的設計标準

擠壓銷技術要求：

（1）型 面 及 配 合 段 ALTiN 處 理 ， 深 度 0.006~0.008mm， 表 面 硬 度 2,700~3,000HV, 内 部 硬 度 48~50HRC。

（2） 型面及配合處粗糙度值Ra0.4μm， 其餘Ra1.6μm。

擠壓銷配合段長度≥銷套内孔配合段長度 （按鑄銷标準設計） 擠壓行程 10。

銷套技術要求：

（1）型 面 及 配 合 段 ALTiN 處 理 ， 深 度 0.006~0.008mm， 表 面 硬 度 2,700~3,000HV, 内 部 硬 度 50~52HRC。

（2） 内孔配合處粗糙度值Ra0.4μm， 型面及外圓配合處粗糙度值Ra0.8μm， 其餘Ra1.6μm。

經驗證， 按上述規範制作的擠壓銷和銷套批量生産過程中沒有出現擠壓銷卡滞現象。

3.3 擠壓結構增壓油缸的選擇規範

局部擠壓的增壓壓力最小在2,000kgf/cm 2 以上，根據經驗增壓壓力在3,000～6,000kgf/cm 2 範圍内增壓效果最理想。

P LSQ =P MC ×A CYL ×KA 鑄銷

式中 P LSQ — —施加在壓鑄件上需增壓部位的壓力

P MC — —壓鑄機系統壓力

A CYL — —局部擠壓油缸截面積

A 鑄銷 — —增壓銷的截面積

K — —一般取1.5或2

根據經驗數據：局部擠壓時， 增壓銷增壓壓力一般為系統壓力的20～30倍。

即：P 鑄銷 / P 系統 = 20~30

FA 鑄銷：FA 油缸= 20~30

D 油缸 /D 鑄銷 = 20-30 ≈4.5～5.5

通過以上可知， 當擠壓銷直徑為 ϕ 10mm時， 一般選擇缸徑 ϕ 50mm的油缸推動擠壓銷實現壓鑄件的局部擠壓即可。

4 局部擠壓在壓鑄件中的應用示例

4.1 擠壓方式一的應用示例

如圖4中①、 ②處所示， 壓鑄件2處 ϕ 30mm的凸台區域有4個螺紋孔與斜油道相連，4個孔最小間距2.6mm， 加工後不允許互滲， 常規的鑄銷預鑄加冷卻方案無法解決距離如此靠近的壓鑄件小孔間洩漏問題，因此此處考慮采用局部擠壓技術提高壓鑄件組織緻密度， 防止壓鑄件内部出現縮松缺陷， 保證壓鑄件内部質量。

圖4 壓鑄件成品狀态

此處設計擠壓結構需将壓鑄件凸台上的4個小孔全部取消預鑄， 根據簡易增壓體積計算方法， 最終選擇 ϕ 16mm的擠壓銷， 擠壓深度10mm來解決4小孔間的洩漏問題， 擠壓後毛坯狀态如圖5中③、 ④所示， 圖中黑色區域擠壓殘留需要在毛坯狀态去除。

圖5 壓鑄件毛坯狀态圖示

此壓鑄件由于壓鑄件凸台上的4個小孔靠近凸台邊緣， 為保證壓鑄件凸台邊緣的内部質量， 擠壓銷端面面積沒有嚴格按照擠壓銷影響範圍選擇擠壓銷端面面積， 但增壓體積與計算相符， 結果證明隻要增壓體積滿足需求， 擠壓銷的規格可根據壓鑄件實際結構調整。

壓鑄件鑄銷預鑄、 擠壓銷擠壓前後X光對比圖如圖6所示， 直接預鑄時4個小孔間有輕微的縮松缺陷，當不預鑄不擠壓時凸台縮孔非常嚴重， 壓鑄件直接報廢， 設計局部擠壓結構後凸台處縮孔、 縮松X光下不可見。經驗證鑄銷預鑄狀态下壓鑄件加工後氣密性檢測全部不合格， 浸滲後100%合格， 無預鑄狀态的壓鑄件X光檢測後直接報廢， 而增加擠壓後壓鑄件加工後氣密性檢測100%合格， 無需浸滲。

圖6 壓鑄件凸台X光結果對比

a — —預鑄狀态X光結果 b — —無預鑄無擠壓狀态X光結果

c — —擠壓狀态X光結果

4.2 擠壓方式二的應用示例

如圖7、 圖8、 圖9所示， 壓鑄件指示區域有2根斜油道和一個M6mm的螺紋孔， 斜油道無法預鑄， 壓鑄件基本壁厚4mm， 而此處局部壁厚22mm， 凝固後斜油道和螺紋孔三者間縮孔風險高， 加工後互滲風險高。

圖7 成品狀态圖示 圖8 成品狀态局部透視圖

圖9 反面局部擠壓設計點

為解決此問題在指示區域内側圓孔處設計擠壓銷結構， 按上面介紹的增壓體積計算方法和擠壓銷端面面積選擇規範， 壓鑄件上自帶的 ϕ 10mm深10mm的圓孔滿足擠壓需求， 按擠壓方式二的設計局部擠壓方案， 擠壓銷規格 ϕ 8mm， 擠壓深度10mm。

圖10所示為壓鑄件X光檢測結果， 擠壓銷設計位置周邊 ϕ 50mm的範圍内X光狀态下無可見縮孔、 氣孔等缺陷， 擠壓銷結構成功解決了斜油道處壓鑄件縮孔、 縮松等缺陷出現的風險， 壓鑄件加工後2處斜油道氣密性檢測100%合格， 批量生産過程中此處斜油道沒有出現彌散性氣縮孔缺陷。

圖10 壓鑄件斜油道處X光結果

5 結論

（1） 按本文介紹的方法設計的局部擠壓結構可成功解決鋁合金壓鑄件厚大部位的縮孔、 縮松等問題。

（2） 局部擠壓結構由于鋁液局部受較高的壓應力， 壓鑄件内部質量穩定， 工藝穩定後擠壓銷處不會出現彌散性氣縮孔等缺陷， 壓鑄件合格率高。

（3） 按本文介紹的設計規範設計的局部擠壓結構生産中運行穩定， 連續生産過程中沒有發生擠壓銷卡滞問題。

—The End—

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