（山东兖矿轻合金有限公司 山东邹城 273500）
摘要：挤压铸造，也称为液态模锻，最初来自前苏联，是一种新型材料成型方式。与传统压铸不同，挤压铸造的特点可以概括为“低速充型、高压凝固”，在这种工艺中，金属液体在压力下缓慢填充型腔，最后在高压下凝固成型，可以获得组织致密、近无缺陷的铸件，制件其力学性能可与锻件相媲美。在轮椅支架中，挤压铸造技术得到了良好的应用。基于此，文章就轮椅支架挤压铸造关键技术研究与工艺优化进行分析。
关键词：轮椅支架；挤压铸造；关键技术；工艺优化
1.轮椅支架挤压铸造整体方案设计
实验研究用轮椅支架整体尺寸452mmxl08mmxl50mm，是一个连接电动轮椅车轮与转向轴之间的安全件。经过材料优化分析方案，选用的材料是A354合金，重2.5kg。对铸件的技术要求主要有：1)δb≥255MPa，δS≥200MPa，δ≥5%；2)所有的轴承孔和螺纹孔内表面无任何浇不足、缩孔缩松缺陷；3)承重300Kg循环载荷不发生断裂。此零件外观形状不规则且较为复杂，三个成型孔不在同一方向，需要添加侧向抽芯机构。在挤压铸造过程中，金属液在冲头的作用下平稳低速填充型腔，随后增压并保压，使得半固态的金属液在压力下凝固，最后卸压开模取件。加上喷涂、合模所用的时间，生产一个周期平均为150s。
2.轮椅支架挤压铸造过程的数值模拟
随着铸造数值模拟技术趋于成熟，为了节约生产成本、优化铸造过程工艺参数、提高生产效率和更好的控制产品质量，很多厂商和科研院所倾向于在原有的生产技术资料的基础上，开始使用先进的铸造CAE技术。
本文数值模拟是基于韩国的Any Casting软件，Any Casting是一个专业高级铸造模拟软件系统，可以进行铸造的充型、热传导、凝固过程和应力应变场的模拟分析，它包括前处理、求解器和后处理等部分，主要程序包括Any p PRE、Any MESH、Any SOLVER、Any POST和Any DBASE等。Any PRE是Any Casting的前处理程序，它可以实现将三维模型导入，有限差分网格划分，设置边界条件等，并调用Any SOLVER进行求解。
通过对轮椅支架挤压铸造过程（充型和凝固过程）进行数值模拟分析，研究充型过程中金属液在型腔中的流动形态以及熔体在凝固过程中温度场的变化规律。
3.试制结果对比与分析
对挤压铸造工艺参数，包括充型速度、模具温度、浇注温度、保压压力和时间进行优化后，在宇部HVSC800挤压铸造设备上进行试制。在铸件的不同部位取样进行力学性能测试，一共在5个部位取样，包括边缘4处和背部1处。取样后切割成拉伸试样。拉伸试验在微机控制力学性能试验机(SANSCMT5105，China)上进行，其中应变速率为3XHTY1，采用SEM(S-3700M)对拉伸样品断口进行分析。
在改模前，与凝固模流分析结果预判一致，在铸件右侧顶部出现缩孔；改模后，缺陷情况明显改善，基本获得完好的组织形貌。
铸件不同部位的拉伸性能如表1所示。除了2部位的性能较好，抗拉强度达到280.3MPa，达到了铸件的技术要求，这是因为2部位处于铸件的最顶端且壁厚不大，在压力保压凝固过程中最先凝固，冷却速率较大，获得细小良好的微观组织，表现出两好的综合力学性能。其他部位的各项性能指标，包括强度和伸长率相差不大，铸件的整体性能较为均匀，抗拉强度、屈服强度和伸长率的均值分别为259.72MPa,171.1MPa,6.46%。虽然铸件的强度和伸长率未能达到铸件的性能要求，但通过热处理后，铸件的性能将明显提升。
4.工艺优化设计
要消除缩孔缩松，需要利用冒口的补缩能力来消除缺陷，但通过模拟发现缺陷不能完全消除，得出此冒口并不能很好地补缩铸件。考虑缺陷的位置及形成原理，最终我们选定的工艺修改方法为局部增压技术。增压压下量和开始增压时间是局部增压技术两个重要的工艺参数，增压压下量是指增压杆在液压油缸的作用下对铸件进行补缩的行程；开始增压时间是指充型完毕后到增压冲头进行增压动作之间的时间间隔，两者相互关联、相互影响。在液压系统一定的情况下，增压压下量和开始增压时间相互影响：当增压时间增加，铸件前沿的液相向固相转变的越多，与此同时，液压油缸推动增压冲头前行的阻力越大，增压压下量减小；相应的，如果开始增压时间减小，增压压下量增加。
在没有使用局部增压技术（增压开始时间为0s)时，铸件内部有很明显的孔洞缺陷，当加压开始时间为0.1s时，缩松的体积分数有所减少，但是孔洞缺陷依然存在；当增压开始时间延迟到0.2s，由于液相的凝固，增压压下量减小，使得增压冲头下部较厚，在最后凝固的时候得不到补缩，缩孔缺陷依然得不到改善；当开始加压时间延迟到0.4s及以上，铸件在局部增压位置的缩孔缺陷完全消除。另一方面，随着开始增压时间的增加，增压压下量减小，但增压部位附近的组织良好。
综上，改进工艺的缩松缩孔模拟结果表面左部与右部交界处的缺陷都己经消除，只是在浇注系统和冒口中存在缩松缩孔。说明改进的方案消除了缩松缩孔。经过对铝合金支架铸件改进工艺的模拟显示铸件内部没有缩松、缩孔缺陷，现已被工厂采纳进行实际生产。
参考文献：
[1]吴家玉,赵炳华,袁静.CAE技术在压铸凸轮轴支架生产中的应用[J].特种铸造及有色合金,2016,04:382-384.
[2]赫英杰.挤压铸造AC8C铝合金支架开发研究[D].哈尔滨理工大学,2016.
论文作者:董瑞峰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/24
标签：铸件论文; 缩孔论文; 支架论文; 轮椅论文; 缺陷论文; 工艺论文; 时间论文; 《电力设备》2017年第19期论文;