原标题：变速箱壳体压铸件局部挤压技术研究

随着汽车轻量化进程的加速，压铸工艺凭借其高精度、高效率及良好的表面质量，已成为变速箱壳体制造的主要技术。然而，复杂结构导致的局部厚大区域在凝固过程中极易形成缩孔、缩松缺陷，严重威胁产品的气密性与可靠性。传统冷却优化或参数调整手段对此类缺陷控制效果有限。局部挤压技术通过在铸件凝固阶段对厚大部位施加定向压力，强制金属发生塑性流动并实现动态补缩，从根本上消除内部缺陷。该技术不仅显著提升铸件致密度，更突破了传统工艺的局限性，为复杂结构压铸件的高质量制造提供参考。

图文结果

图1为变速箱前壳铸件，外轮廓尺寸为ϕ556 mm×460 mm，主体壁厚为8 mm，质量为32.5 kg，为同类铸件里质量最大。壳体材质为AlSi9Cu3（Fe）-EN1706，其化学成分见表1，要求铸态试棒抗拉强度大于240 MPa，屈服强度大于140 MPa，伸长率大于1%。

该铸件壁厚差异较大，中间辐板区域局部壁厚为24 mm，而周围区域厚度为6~8 mm，壁厚差异导致模具温度分布不平衡，容易引发缩松、裂纹。图2为壳体的高压气道结构，内有一处ϕ7 mm的L型高压气道孔，见图2a，气道孔所在的圆柱凸台长度为90 mm，直径为ϕ30 mm，结构上与侧壁、辐板及外部凸台相贯穿，因孔径太小，仅能预铸端部的15 mm，见图2b，内部需加工成形，导致底部热节极大。圆柱外壁也需要进行部分加工，加工后内外壁的最小距离只有3.5 mm，对于压铸件，内外壁全部加工会破坏致密层，容易引发泄漏缺陷。
铸件要求内部孔隙率低于5%，且装配前该产品要进行密封检验，加工后密封表面不允许有大于1 mm的孔隙存在（含气孔和缩孔），腔体部分试漏压力为0.3 MPa，泄漏量≤30 mL/min。特别是，气道孔需要单独进行试漏，试漏压力为1.2 MPa，是壳体本体的4倍，保压3 min不允许泄露，该位置的试漏需要通过增压泵来实现超高的压力检测，而常规的壳体无气道孔结构，因此本壳体的生产难度远超常规壳体。

图1 变速箱壳体

表1 AlSi9Cu3（Fe）合金的化学成分(%)

图2 高压气道

浇注系统采用单侧浇注，内浇口面积为3 500 mm2，压室直径为ϕ180 mm，压室充满度为57.6%，保温炉内铝液控制温度为（670±10） ℃。配备抽真空系统减少气孔，采取油温机和高压水冷、点冷措施调节模具温度。

壳体主要问题是泄漏，图3为铸件泄露位置，位于气道凸台跟辐板相交处，泄露比例为70%，泄露程度较轻，但无法满足使用要求。通过X光机检验，无法观测到明显气孔。为进一步分析泄露原因，对该部位进行解剖，使用Axio Observer 7M电镜进行观察，腐蚀剂选用体积分数为4%的硝酸酒精溶液。图4为泄漏位置的切片表面形貌，可以看到该位置含有大量的微孔，微孔的直径为ϕ（20~100） μm，但无500 μm以上的大孔洞，以缩松为主，孔隙率为15%。

图3 铸件泄露位置

图4 孔隙率为15%的表面形貌

借助AnyCasting6.8软件进一步分析缩松的原因，网格划分数量为2 000万个，网格大小为3 mm的正方体网格，铸件材质为AlSi9Cu3，模具材质为SKD61，模具温度设置为220 ℃，铸件与模具的传热系数设定为在535 ℃（固相线温度）以下时为1 000 W/（m2∙K），在590 ℃（液相线温度）以上时为2 700 W/（m2∙K），压射低速区速度为0.2~0.5 m/s，高速速度为4.5 m/s，料饼厚度为80 mm。

图5为铸造仿真的结果。从图5a分析可知，凸台根部区域因厚度骤增至30 mm（约为相邻薄壁区的4倍），形成孤立热节且凝固时间延长至22 s（对比浇口区4 s），同时距离浇口位置较远，导致压射冲头的增压补缩作用难以有效覆盖。在凝固末期，糊状区金属液的流动阻力剧增，而外部补缩压力不足，最终形成缩松缺陷。从图5b可见该位置存在缺陷，与金相分析中观察到的一致。

图5 铸造仿真分析

在压铸缩松控制中，传统方法包括优化浇注系统、调控工艺参数及改进铸件结构。当常规手段难以满足复杂结构铸件质量要求时，可采用局部挤压技术。该技术在铸件固相率为30%~70%时，对目标区域施加定向压力，通过半固态金属塑性流动实现强制补缩。实施精准定位挤压点，结合铸件结构与合金特性确定挤压力（F=pA）、压入体积，确定压杆直径和油缸规格，优化加压延时与持续时间，有效解决局部厚大部位缩松问题。根据产品的结构特点和泄露位置，壳体的挤压位置选择在图3泄露位置的下方。

图6为挤压运动过程。为保证生产的连续，制造挤压销和销套需要考虑组件的结构和间隙，挤压销与销套之间在端部间隙配合，配合段长度一般为20~40 mm，间隙为0.03~0.05 mm，配合段以外，销套和挤压销扩大间隙至0.5~1.0 mm。该结构可保证挤压销和销套在装配和挤压动作过程中，仅配合段产生摩擦，保证装配和挤压动作顺畅。同时配合段的间隙设置合理，避免了间隙过小导致动作卡滞，也避免了间隙过大铝液进入间隙导致动作卡滞。

图6 挤压过程

当金属液处于半固态时开始施加挤压压力可获得最佳的挤压效果。当延时时间过早时，金属液尚处于流体状态，挤压力会因液态金属的流动性而发生显著衰减，导致挤压销的机械作用无法形成有效补缩压力场；而延时时间过晚时，铸件表面已形成一定厚度的坚硬凝固壳层，此时挤压销的压入阻力剧增，不仅无法突破凝固层实现内部补缩，还可能因局部应力集中导致铸件产生冷隔或开裂等缺陷。该参数的优化需基于合金凝固特性（如铝合金固液共存区温度范围），并且通过生产中工艺验证确认。

分别对加压延时时间为3、4和5 s进行了调试验证。图7为挤压位置内部切片的表面形貌。可以看出，当加压延时时间为3 s时，孔隙率为4.6%，见图7a；加压延时为4 s时，孔隙率为3.15%，见图7b；加压延时为5 s时，孔隙率为2.2%，见图7c。经验证，本壳体确定加压延时时间为5 s。

加压持续时间短，挤压杆过早回退，铸件没有完全凝固，挤压区域将有缩孔或者收缩裂纹缺陷；挤压持续时间过长，则会导致完全凝固后的铸件与挤压杆之间抱紧力过大，导致挤压杆的寿命降低。在实际生产中确定该产品的加压持续时间为10 s。

图7 不同加压延时时间下壳体表面形貌

制作挤压销及销套，材质选择SKD61，洛氏硬度（HRC）为48~50，表面作氮化处理，氮化层硬度（HV）为1 000~1 100。模具选择SKD61钢，压铸机为伊之密45 000 kN卧式冷式压铸机，配备抽真空系统。压铸时铝液温度保持在（670±10） ℃，喷涂后模具平均温度为（220±20） ℃，压铸工艺参数见表2。

图8为铸件局部挤压后的形貌，带有一圈挤压环。经生产验证，通过局部挤压优化后的壳体质量良好，试漏合格率达98%以上。同时在金相显微镜下观测该部位切片，组织较为致密，切片孔隙率为2.2%左右，见图7c，满足批量生产要求。

表2 压铸参数

图8 铸件实物

结论

（1）大型变速箱压铸件在局部厚大凸台处存在缩松、泄露等问题，通过局部挤压使孔隙率从15%降低到2.2%，试漏合格率从30%提高到98%，实现批量生产。

（2）局部挤压的关键工艺参数是挤压力、挤压油缸的规格、挤压体积、加时延时时间以及加压持续时间。经过计算及生产优化的挤压工艺参数：挤压力为225 MPa，油缸规格为ϕ63 mm，挤压销直径为ϕ14 mm，挤压深度为20 mm，加压延时时间为5 s，加压持续时间为10 s。

《变速箱壳体压铸件局部挤压技术研究》

赵玉利1,2 孙志豪2 赵而团2
赵圣诗1 王洪涛2

1. 中国重型汽车集团工艺工匠研究院；2. 山东理工大学机械工程学院

本文转载自《特种铸造及有色合金》