实用案例！一种压铸铝合金差速器壳体的缺陷分析及改善
｜导读｜
■ 铝合金差速器壳体是汽车传动系统的关键部件之一，其结构相对复杂，且内部质量要求较高。生产制造过程中，该产品大面积加工，使得产品暴露出来的内部缺陷问题大大增加，提别以夹渣、气孔最为突出。为了解决成型缺陷带来的废品率偏高问题，通过应用数值模拟方法，将铝合金液体流动重充型状态与实际铸件缺陷分布位置进行对比，再对产品结构进行剖解分析，从而优化浇注系统。得出更为合理的进浇从而改善成型缺陷带来了的加工外露的风险，降低废品率。
关键词：差速器壳体；数值模拟；浇注系统；成型缺陷；废品率
■ 铝合金广泛应用于生产离合器壳体、油底壳、差速器壳体等。铝合金离合器壳体、油底壳、差速器壳体压铸成型技术可以通过净化、精炼、细化、变质等控制材质质量,使得铝铸件质量达到一致性和稳定性。由于铝合金密度低,强度性能与灰铸铁相近,韧性却高于灰铸铁,且有良好的铸造性能。差速器壳体作为汽车转动系统重要的组成部分，对于汽车制造的需求量越来多，质量要求越来越高，因此保证产品高质量的输出条件下，如何降低废品率是整个行业的难点。
■ 某差速器壳体压铸零件（见图1）。该零件轮廓尺寸236.91*191.23*187.41mm，压铸件重量3.35kg，平均壁厚6.2mm，投影面积为 97532.21mm²,铸件材质ADC12；该铸件整体壁厚偏厚，而且壁厚并不均匀，因此在压铸成型过程中厚壁热节位置易造成缩孔。产品加工面积多，且所有外形尺寸符合图纸以装配要求，产品面各部份无有害的毛刺、伤痕、飞边；轴瓦位置切出的TP的拉伸强度在177MPa以上，不能出现气孔、疏松等问题，以免降低机械强度，并且产品要求气密性检验，具体气密性要求为：试漏压力200Kpa，允许泄漏量<3ml/min。
■ 根据以上的要求，生产该产品有一定的难度。该零件选用日本进口机宇部850T的压铸机上生产，压铸机配有目前最先进的实时压射控制系统。
图1 差速器壳体压铸零件
■ 采用压铸模拟分析软件MAGMA对浇注系统进行分析，由于产品整个内腔都加工，所以要求内部质量较高，需要特别考虑该侧位置的进浇以及尽量缩短铝液在型腔内的填充行程，最终根据产品结构特点，设计时产品横放，进浇口布置在产品一侧筋条上，最终模具制造浇注排溢系统（见图2）。
■ 通过计算机对产品充型、冷却进行模拟分析，其结果见图3~图5。
图2 模具制造浇注排溢系统
图3 产品充型
图4 型腔气压
图5 产品凝固过程图
■ 根据模拟效果可以看出，该浇注系统基本能够实现铝料的平稳充填，卷气主要集中在渣包和产品一些局部非加工死角位，根据模流存在两个问题：①模流显示定模侧铝液流量较快，但定模侧有两个较厚的凸台需要更多铝料，②右侧的进浇量明显强于左侧，但左侧加工面积更多，内部质量要求较高，保证加工区域的质量，综合考虑，该方案可行，由于产品局部壁厚不均匀，所以局部呈现出不等速的冷却速度，以此可以设计出合理的冷却系统。
1 压铸生产过程工艺的调整
1.1生产过程实际生产参数试验
■ 为了获得良好的生产工艺参数，特选取三组数据进行试验：
1.2第一组参数试模结果
■ 外观质量：成形良好，水尾冷隔，入料口内腔扣模，但不严重。内部质量（见图6）：入料口轴瓦有轻微气孔，水尾轴瓦位置有明显气孔。
图6 试验一X光结果
1.3第二组参数试模结果
■ 外观质量：成形良好，入料口有扣模现象，很轻微。内部质量（见图7）：入料口及水尾轴瓦都有细小气孔但不明显。
图7 试验二结果
1.4第三组参数试模结果
■ 外观质量：成型良好，入料口无扣模现象，入料口有轻微成型不良，内部质量（见图8）：入料口轴瓦明显气孔，水尾轴瓦轻微气孔
图8 试验三结果
■ 经过试验，获得良好压铸件的主要压铸工艺参数为表1的第2组。此次试验，可以证明：相对于传统压铸，金属铝液在负压的作用下有被吸入型腔的趋势，易造成冷隔、麻面及切削硬质点等不良成型。所以真空压铸要适当提前高速转换位置。
2 压铸生产中的问题
■ 在生产完后对加工数据结果金进行收集统计（如表1），其中主要报废原因有三大块，分别为夹渣、气孔、漏气等缺陷。
1、夹渣大多数在右侧圆筒抽芯靠近入料口以及动模侧，缺陷状态如下图9所示
图9 大腔内夹渣
2、气孔主要产品加工螺纹孔内，一部分是孔侧壁，主要集中在左侧抽芯的水尾针孔的收缩加工外露，一部分在针孔底部，主要集中在侧抽芯及上抽芯针孔螺纹孔如图10所示
图10 左侧抽芯针旁边缩孔及右、上抽芯孔底气孔
3、漏气基本为上下轴瓦加工后与周边的针孔串漏，漏气产品气孔状态如图11所示
图11 漏气产品的气孔状态
■ 根据缺陷分布情况我们分为4个问题需要改善：①左侧抽芯轴瓦疏松，加工后与旁边螺纹孔串漏漏气；②轴瓦两侧针孔收缩加工外露；③右侧抽芯深腔内加工后夹层外漏；④右侧抽芯针孔底部气孔。
3 缺陷的原因分析及对策
3.1左侧抽芯轴瓦疏松
■ 该产品左侧边相对右侧边所需要的铝料更多，针对浇口剖析，左侧进浇量明显不如右侧。
■ 采取的措施：解决该位置疏松采用两种方法，第一将轴瓦侧的渣包改为浇口，该方案只需磨开一条浇道即可，浇道打开后，结果入料口侧稍微有一些改善，但不是特别明显，水尾侧轴瓦没有改善，方案二则改动较大，需要对整个浇注做调整，将主浇道左侧进行加宽，并将填充左侧的支浇道加宽，同时减小填充右侧的支浇道，此消彼长，增大左侧的进浇量，减小右侧进浇量，更改变化（如图12）
图12 浇口改善前后对比
■ 措施实施后的效果跟踪：按照“更改后”的浇口方案进行修改后，生产验证，左侧轴瓦位置的气孔有明显改善，没有疏松。
3.2轴瓦两侧针孔收缩，加工后外露
■ 如图所示针（图13），针孔收缩位置朝右侧方向，且在针孔深度2/3的为位置，该位置壁厚较厚，极易造成缩松、缩孔缺陷。
图13 针缩孔位置
■ 采取的措施：该位置缩孔主要在针侧边，降低针温度是解决该位置的缩孔的有效方法，该缺陷进行两种方案改善， 第一种增加喷涂降低针温，只需调整喷涂即可，但整体生产节拍变慢，效果有一定改善，但过程生产不是很理想，第二种将针改为点冷针，需要更换芯针并接通运水，通过供水时间控制整个针温在生产过程的变化。
■ 措施实施后的效果跟踪：按照第二种方法，将针改为是点冷，针孔附件的缩孔得到改善，满足产品质量要求。
3.3右侧抽芯针孔底部气孔
■ 如图14所示右侧抽芯针毛坯针孔明显比加工后针孔浅许多，孔加工深度较大，孔底壁厚厚大，极易造成缩松、缩孔等缺陷。
图14 原先毛坯针及加工针孔
■ 采取的措施：解决该位置底孔缩孔有两种方法。第一将气孔外漏针加长，保证加工余量小于1mm，使加工时气孔不外露；第二直接取消此处的针，验证缩孔加工能否加工掉。第一种方法，只需更换加长芯针即可；第二种由于缩松和缩孔分布不规律性，产品加工后缩孔依旧存在。
■ 措施实施后的效果跟踪：按照第一种办法把芯针加长10mm，保留1mm的加工余量，转移了缺陷的位置，满足了客户质量要求。
3.4右侧抽芯深腔内加工后夹层外漏
■ 产品本身加工余量正常，但加工后夹层缺陷外露，可能是铝液本身夹渣较多，或者铝也内部有凝结块，再者本身产品内部包卷。
■ 采取的对策：针对夹层压铸的解决方法，最简单的方法一对来料增加除渣除气时间，生产过程中增加捞渣频次，该过程难以把控，且方法效果并不明显；方法二对进入型腔前的铝料进行撞击打散，因此在浇口处布置立柱或者一条内浇口多分隔为多个，这个可能导致铝液紊流，效果也并不明显；方法三针对产品内在铝液流动进行分析，由于产品本身壁厚较厚，内部可能存在包卷，保证铝料在圆筒两侧填充速率基本一致，所以将定模侧的内浇口进行补焊，产品动模侧圆角加大加速动模侧进浇（如图15）
图15 内部包卷及浇口改变
■ 措施实施后的效果跟踪：将浇口及产品按照方法三改善后，抽芯筒内的夹层明显减少。
4 小结
通过对差速器壳体的试制跟踪可以得出：数值模拟能为铝合金压铸件前期的质量控制及缺陷分析提供良好的参考依据，从而设计出合理的浇注系统，缩短了开发周期；再根据实际生产的过程所出现的问题与模拟状态进行对比，从而进一步优化产品的浇注系统，改善成型工艺条件，提高铸件品质，另外修改铸件结构也对压铸品质提升有积极意义；当多方向延展分析改善，就会解决产品问题，得到优质的产品，从而降低因成型缺陷带来的废品率。
文献引用：廖建强，管胜敏，管维健，等.铝合金差速器壳体压铸缺陷分析及改善