液压阀板类铸件的低压铸造工艺分析及验证

■ 白智渊，何元元

商用车的变速器在我国以手动变速器为主，随着经济的发展和科技进步，商用车的自动变速器在我国开始使用；使用自动变速器可以简化驾驶人员的操作难度，减轻劳动强度，提高舒适度。液压阀板是铝合金自动变速器的重要部件之一，采用低压铸造工艺，可生产合格且质量稳定的铸件。本文以液压阀板铸件为研究对象，分析了不同的产品结构，讨论了不同低压铸造工艺方案，采用单层多浇口、多层砂芯成形的浇注工艺，并对其进行优化，为该铸件的稳定生产提供了工艺保证。

1. 零件介绍

（1）铸件材料要求 铸件材料化学成分：wSi＝6.5%～7.5%，wMg＝0.25%～0.45%，wTi＝0.08%～0.02%，Al余量。铸件的技术要求：符合GB/T 1173—1995铸件标准；100%X射线检测、样件荧光检测，要求铸件不得有气孔、裂纹、缩孔等缺陷；T6热处理后本体取样，抗拉强度≥275MPa，屈服强度≥220 MPa，伸长率≥3%。

（2）研究方法 铸件状态：外形尺寸500mm×410mm×94mm，最小壁厚5mm，铸件质量12kg。

该铸件是功能部件，对其尺寸精度、表面及内在质量要求较高，特别是油路板部位需要承受高压油的冲击；部分油道工作压力达到3MPa。铸件结构复杂（多热节、多油道），铸造难度较大。首先分析产品结构、铸造工艺性；其次将几种工艺分析比较，确定铸造工艺方案；最后研究分析其铸造缺陷，提出改进措施。通过优化铸造工艺，最终获得满足标准要求的合格铸件。

2. 分析验证

（1）产品结构分析 产品结构由两部分组成（见图1），上层为油路板部分，直接与变速器壳体油道部分相连，共同形成液压油道，该部分需承受较高的油压，要求内部质量良好，不得有气孔、裂纹等缺陷，否则导致油路系统紊乱、变速器工作异常。下层为油底壳部分，用于储存液压油，上下层之间有18根连接柱，可防止油路板变形，同时其中16根连接柱中间加工过孔。油底壳及连接柱内部不得有贯穿性缺陷，否则导致液压油泄漏。该整体结构可简化加工及装配的工序要求，但铸造工艺难度大。

为简化铸造工艺，设计部门将油底壳与油路板设计成独立的两个产品，通过螺栓联接，如图2所示。中间连接柱取消，同时在油路板背面增加相应的加强柱以防止油路板变形，加强柱中间加工过孔，油底壳内腔增加加强筋，该结构降低了铸造工艺难度，油底壳铸件采用高压铸造的方式工艺性较好；油路板铸件因其特殊要求，高压铸造工艺风险很大，再加上两套模具的制造成本较高。综合对比，整体式结构产品使用过程中安全性及可靠性更好，最终确定该结构作为开发及生产的对象。

图1 产品结构Ⅰ

（2）铸件工艺分析 铸件热节分析如图3所示，油路板部分结构复杂，底板及隔筋壁厚均5mm，油底壳底板厚度7mm，连接柱及周边局部区域壁厚超过15mm，铸件热节较多且分散。从铸件的工艺角度考虑，该铸件适合重力浇注。采用重力铸造的方法，可以简化砂芯的处理工艺，也适合铸件的补缩方式。由于设备的原因我们只能采用低压铸造。低压铸造工艺中，浇注系统通常设置在产品热节区域，直接补缩产品，浇注系统远端厚大部位的缺陷可采用增加冒口或冷却解决。

根据该产品的加工及装配要求，初步确定为油路面朝下、产品内腔由砂芯形成、多浇口的浇注工艺，如图4所示。

（3）铸件工艺讨论 通过对产品的结构及工艺性分析，前期制订了3种浇注工艺方案。

方案Ⅰ如图5所示，油路板部分由下模形成，油底壳腔体由砂芯形成，3处浇口设计浇口套加保温层，远离浇口位置的厚大搭子做预铸孔，上模做整体风冷，局部区域增加强冷。

该方案存在以下问题：

第一，浇注模结构复杂，考虑铸件抱紧力的原因，侧模放在上模上，确保铸件在上模。

第二，下模油路板部分形状复杂，需做成镶块结构以保证型腔排气，模具后续维护难度大。

第三，浇注系统无法补缩到铸件所有的厚大区，且预铸孔作用有限，冷却在生产过程中难以控制。

方案Ⅱ如图6所示，内腔形状由两层砂芯形成，在油路板空挡区域设置砂芯定位，厚搭子处设置浇口，铝液通过料包分流至34处浇口充入型腔。

该方案存在以下问题：

第一，浇口太多，且尺寸偏小，浇口凝固过早，补缩效果差，易产生缩孔缺陷。

第二，砂芯发气量较大，需保证砂芯排气通畅，防止气孔缺陷产生。

方案Ⅲ如图7所示，内腔形状及浇注系统由砂芯形成，外形由金属模形成，18处浇口均放置在产品热节处，砂芯局部区域减重，底模安装抽气装置。

该方案外模结构简化，产品热节区均能得到有效补缩，但砂芯结构复杂，制芯工序难度较大。

（4）铸件工艺确定 通过对前期3种工艺方案的对比分析及讨论，考虑到浇注系统的设置及模具结构的简化，最终确定了如图8所示的工艺方案。油路板、油底壳空腔及浇口均由砂芯形成，简化浇注模具的结构，过程控制得到了简化。如图9所示，铝液通过料包进入15处浇口后再分流充入型腔，浇注系统可达到平稳充型及有效补缩的作用。

（5）模具结构确定 根据铸件结构，将浇注模分型为上、下、左、右、后5开模，上下模分型处设排气槽，模芯头压紧、型腔面制作较多排气塞，铝液经下模分流至浇口芯，侧模搭子全做预铸孔。

图2 产品结构Ⅱ

图3 铸件热节分析

图4 铸件浇注工艺初步确定

图5 工艺方案Ⅰ

图6 工艺方案Ⅱ

图7 工艺方案Ⅲ

（6）浇注参数确定 分析铸件结构，油路板平均壁厚5mm，铸件高度100mm，铸件型腔及浇口均由砂芯形成，充型过程中温度损失较小，综合考虑设备能力、铸件结构及生产的连续性，初步将浇注温度确定为（710±5）℃。砂芯尺寸较大，浇注过程发气量大，充型速度过快容易卷气形成气孔缺陷；充型速度过慢铝液降温多，在加上砂芯发气的影响，铸件有可能成形不完整。根据铸件结构及设备参数，初步确定如附表所示的浇注参数。

（7）铸件检测及缺陷分析 通过对试制铸件的外观检查，铸件上平面设置有较多的排气塞，影响外观质量，上平面浇不足，如图10所示，经分析该缺陷由砂芯排气不畅所致。解剖及无损检测均未发现铸件中存在其他缺陷。

3. 整改及验证

（1）整改对策的制订 根据铸件试制的结果，对砂芯排气不畅导致铸件浇不足、表面质量差的问题，制订了如下整改措施：

第一，上下模分型处排气槽加深，侧模与下模结合面处增加排气槽。

第二，上模取消部分排气塞。

第三，1#砂芯芯头加长，同时在上模芯头处增加排气通道，如图11所示。

（2）整改后的验证 通过整改后的浇注验证，砂芯排气通畅，铸件浇不足缺陷得到改善。多次试制后将浇注温度调整至（700±5）℃，经外观检查、X射线及荧光无损检测，未发现严重的空洞类缺陷，铸件质量合格，可满足使用要求。

4. 结语

在低压铸造中，针对多热节、高度在100～150mm的产品，可充分利用浇注系统的补缩作用，防止产品出现收缩类缺陷，同时产品的复杂型腔部分可考虑用砂芯形成，通过增加排气槽、芯头排气等措施保证砂芯排气通畅，铸件充型完整。前期根据产品结构制定工艺方案时，综合评估铸件可能出现的缺陷及生产环节可能出现的问题，在制作时预留好整改空间，为后续的优化提供方便。

图8 最终工艺方案

图9 铸件浇注系统

图10 铸件实物

图11 增加芯头

铸件浇注参数表

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