電動滑板車前叉的低含氣量壓鑄工藝研究

原標題：電動滑板車前叉的低含氣量壓鑄工藝研究與實踐

摘要

基於壓鑄CAE雲計算平臺智鑄超雲，對電動滑板車前叉鑄件的壓鑄工藝進行了設計及優化，分析了不同壓射工藝對壓鑄件質量的影響，同時進行了實際鑄件生產的壓射工藝試驗驗證。結果表明：模擬結果與實際生產結果基本一致，採用優化後的壓射工藝設計獲得了外形輪廓清晰、表面光滑、尺寸精度高、無缺陷的前叉壓鑄件，實現了壓鑄件的T6處理，從而進一步提高了其力學性能。經上機實測，鑄件達到了電動滑板車產品的前叉零件技術要求，可實現“以鑄代鍛”。

壓鑄生產具有生產率高、尺寸精度高、成本低和近淨成形等優點，在交通工具、電子通信、儀器儀表、計算機和電器等領域獲得了廣泛應用。傳統壓鑄技術具有高壓高速的特點，大多以噴射、紊流形式充填型腔，導致普通壓鑄件通常內部都存在卷氣、氧化夾渣和縮鬆等缺陷。不但降低了壓鑄件的力學性能和氣密性，而且不能進行較多餘量的機械加工、焊接和熱處理，從而限制了壓鑄件的應用範圍。

電動滑板車比傳統電動自行車結構簡單、車輪小、輕巧簡便，能節省大量社會資源。是現代人用來作爲代步工具、休閒娛樂的一種新型的綠色環保的產物。前叉部件在電動車結構中處於前方部位，它的上端與車把部件相連接，車架部件與前管配合，下端與前軸部件配合，組成電動車的導向系統。由於位置的特殊性，因此對前叉零件的質量要求比較高，特別是其強度。目前主要採用金屬型重力鑄造或鍛造方法，重力鑄造電動車前叉零件致密性和強度不高，生產效率較低，而採用鍛件性能好，但是機械加工量大，成本高。結構件的壓鑄生產多採用半固態或真空壓鑄，這都會爲壓鑄生產過程增加工序，工藝更加復雜，生產成本增加。爲此，本文通過採用低含氣量壓鑄工藝爲某高端電動滑板車生產企業開發前叉壓鑄件，基於智鑄超雲壓鑄CAE雲計算平臺進行壓鑄工藝的模擬仿真，通過模擬分析可預測卷氣、縮鬆、縮孔等缺陷，並進行工藝的優化，從而可有效避免壓鑄缺陷的產生，縮短開發周期，提高鑄件品質，降低成本，爲該類鑄件的壓鑄生產提供參考。

1 壓鑄件分析及工藝設計

1.1　前叉壓鑄件分析

該鑄件是某公司生產的電動滑板車前叉三維實體，如圖1所示。最大外形尺寸爲197 mm×103 mm×76 mm，毛坯重520 g，其結構適中，但壁厚不均，薄壁處約爲4.5 mm，厚壁部位超過12 mm，平均壁厚約爲7 mm。壓鑄件要求沒有氣孔，能進行T6處理，需通過滾筒測試疲勞衝擊20萬次，要求不會產生裂紋、變形和斷裂。合金材料選擇A380，化學成分如表1所示。

圖1 前叉部件三維圖

表1 A380鋁合金化學成分 wB/%

1.2 壓鑄工藝設計

根據產品特點，內澆道設置在圓柱孔一側，爲減輕金屬液高速充型產生紊流及衝擊型芯，且又要保證讓金屬液盡可能均勻地流經內澆道的整個厚度，故內澆道採用環形進澆方式。同時，爲了避免在澆口位置產生噴射，將內澆道的厚度設置爲與產品澆口位置壁厚相等，澆注系統和排溢系統的設計如圖2所示。產品最大的投影面積爲79 c㎡，澆注系統的投影面積約爲81 c㎡，產品爲結構件，有強度要求，所以需選擇較高的壓實壓力，因此選擇250 t壓鑄機。

圖2 前叉壓鑄工藝圖

2 壓鑄工藝的數值模擬

採用壓鑄模擬仿真雲計算平臺（智鑄超雲）對前叉的壓鑄工藝進行模擬分析。澆注溫度爲660 ℃，模具工作溫度設置爲200 ℃左右，最大低速壓射速度爲0.57 m/s，低速採用勻加速壓射工藝，高速壓射速度爲4 m/s。分別模擬了三種不同起高速位置對充填過程的影響。高速位置如圖3所示。高速位置1設置在內澆道，高速位置2往前移到了前叉鑄件圓柱孔末端，高速位置3則進一步將起高速位置前移到了鑄件的分叉部位。高速位置1的充填過程模擬結果如圖4所示，從圖中可以看出，由於在低速壓射階段採用了勻加速壓射技術，所以鋁液在壓室中運動平穩，沒有出現翻滾或回流現象，從而避免了將壓室氣體卷入鋁液中，最終帶入鑄件，如圖4a、b、c和d所示。在內澆道位置起高速後，鋁液進入型腔時流動平穩，由於採用了等壁厚的澆口，沒有出現噴射現象，如圖4e所示。但是，在鋁液到達前叉鑄件圓柱孔末端位置時，由於型腔空間增大，從而產生一定噴射現象，合金液在此處產生紊流，如圖4f所示。當鋁液完成此部位填充後，後續的充填過程都比較平穩，如圖4g和h所示。從圖5a所示的高速位置1充填過程卷氣壓力分布也可以看出，在前叉鑄件圓柱孔末端附近卷氣壓力較大，容易產生氣孔和夾渣等缺陷。

圖3 起高速位置示意圖

圖4 高速位置1充填過程模擬結果

爲了消除前叉鑄件圓柱孔末端位置的卷氣，考慮將起高速位置往前移，如圖3b和c所示。高速位置往前移後的充型過程卷氣壓力分布的模擬結果如圖5所示。

圖5 充填過程卷氣壓力分布圖

從圖中可以看出，當起高速前移到位置2時，在前叉鑄件圓柱孔末端位置的卷氣壓力有所改善，但是還沒有完全消除，如圖5b所示；當起高速前移到位置3時，在前叉鑄件圓柱孔末端位置的卷氣壓力基本消除，如圖5b所示。從圖6所示高速位置3充填過程的溫度分布圖可以看出，合金液進入型腔後，流動平穩，由於高速位置前移到了零件型腔中，避免了在鑄件圓柱孔末端位置產生大的噴射流，從而可消除該處的卷氣現象。

圖6 高速位置3充填過程模擬結果

另外，高速位置前移會延長充型的時間，增加形成冷隔、澆不足等缺陷的風險。但是，從其溫度分布圖可以看到，最後充填完型腔後合金液還具有較高的溫度，基本上都在620 ℃，高於A380鋁合金的液相線溫度（599 ℃），低溫的合金液基本上都留在了料筒中，沒有進入型腔。

3 生產實踐

爲了進行驗證模擬優化方案的可行性，採用該壓鑄工藝開發了壓鑄模具進行實際生產，具體壓射工藝爲：鋁熔體出爐溫度爲660 ℃，低速壓射採用勻加速壓射工藝，其最高臨界速度爲0.57 m/s，高速速度爲4 m/s，模具溫度控制在200 ℃左右。分別採用高速位置2和3進行了生產實踐驗證，都獲得了外形輪廓清晰、表面光滑、尺寸精度高的前叉壓鑄件，前叉壓鑄件的實物圖如圖7所示。通過對鑄件整體的X光透射探傷發現，採用高速位置2進行生產的前叉壓鑄件在靠近圓柱孔末端位置存在較多的孔洞，如圖8a所示。採用阿基米德法獲得鑄件的密度爲2.718 g/cm³，孔隙率爲8.09‰。而採用高速位置3所生產的鑄件內部沒有發現孔洞，如圖8b所示，將鑄件從中間剖開後也沒有發現縮鬆、縮孔、氣孔和氧化夾雜等缺陷，剖切面沒有發現孔洞，組織致密，如圖7b所示。鑄件的密度達到2.739 g/cm³，孔隙率僅爲0.39‰。由此可見，壓鑄件的孔隙率遠小於2%的壓鑄件標準，同時也說明壓鑄件的含氣量很低。

圖7 前叉壓鑄件

圖8 前叉壓鑄件X射線探傷圖

另外將高速位置3所生產的鑄件進行525 ℃+4 h固溶處理和170 ℃+2 h時效處理，其表面沒有發現鼓泡現象。通過在前叉鑄件本體取樣進行了力學性能測試，鑄態的抗拉強度260 MPa，屈服強度169 MPa，伸長率爲2.2%，T6處理後強度和韌性都得到了較大的提升，即抗拉強度提高到342 MPa，屈服強度爲222 MPa，伸長率爲3.6%。鑄件的組織如圖9所示，從圖中可以看出，鑄態組織中α-Al相呈顆粒狀或近球狀，經過T6處理後，硅相呈顆粒狀或短棒狀，同時有Al2Cu和Mg2Si等顆粒增強相析出，在組織分布也較爲均勻，從而使得鑄件性能得到進一步的強化。最後前叉壓鑄件經實際裝車經20萬次疲勞衝擊強度測試沒有斷裂或變形，符合電動滑板車產品的前叉零件技術要求。此件由2021年至2023年生產，已生產近4萬臺套。最後一批交貨的鑄件經超115萬次負載疲勞實驗（圖10），鑄件仍未發生斷裂，遠超前叉零件技術要求。

圖9 壓鑄件顯微組織

圖10 前叉裝配負載疲勞測試報告

4 結論

（1）基於智鑄超雲—壓鑄CAE雲計算平臺，對不同壓射工藝方案進行壓射過程的模擬分析，結果表明，採用高速位置3進行壓射時，合金液進入型腔後，流動平穩，由於高速位置前移到了零件型腔中，避免了在鑄件圓柱孔末端位置產生大的噴射流，從而可消除該處的卷氣現象。

（2）壓鑄生產工藝爲鋁液澆注溫度爲660 ℃，低速壓射採用勻加速壓射工藝，其最高臨界速度爲0.57 m/s，高速速度爲4 m/s，模具溫度控制在200 ℃左右，起高速在高速位置3，獲得了外形輪廓清晰、表面光滑、尺寸精度高、無缺陷的前叉壓鑄件。

（3）前叉壓鑄件鑄態的抗拉強度260 MPa，屈服強度169 MPa，伸長率爲2.2%；T6處理後抗拉強度提高到342 MPa，屈服強度爲222 MPa，伸長率爲3.6%，滿足了電動滑板車產品的前叉零件技術要求。

（4）前叉壓鑄件的密度達到2.739 g/cm³，孔隙率爲0.39‰，壓鑄件的孔隙率遠小於2%的壓鑄件標準，同時也說明壓鑄件的含氣量很低，實現了壓鑄件的低含氣量成形。

作者：龔傑 龍文元南昌航空大學航空制造工程學院謝隆保 龔傑廈門格耐爾科技有限公司

本文來自：鑄造雜志，《壓鑄周刊》戰略合作夥伴