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铝压铸件缩孔探究,废品率从5%到0.2%的对策

压铸周刊2019/08/19 09:38:51

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铝道网】缩孔是铝合金压铸件常见的内部缺陷,常出现在产品壁厚较大或者易形成热点的位置。一般来讲,只要缩孔不影响产品的使用性能,都以合格的方式来判定。然而,对于一些重要部位,如汽车发动机汽缸体的冷却水道孔或润滑油道孔,出现缩孔是不允许判定合格的。

某企业的一款铝合金制发动机曲轴箱,采用布勒28000kN冷室压铸机铸造,材质为ADC12合金,成分见表1。铸件毛坯质量为6.3 kg,后工序进行X射线探伤时发现第二个曲轴轴承孔油道出现缩孔,离油道约8 mm,存在较大的漏油风险。据统计,2017年该位置的缩孔报废率为5%,经过一系列的探索,成功地将废品率降低为0.2%。

本课题从铝合金压铸件缩孔的形成机理[1-5]和铸造条件两方面出发,分析铸件产生缩孔的原因,寻求改善措施,以期为日后解决铝合金压铸件缩孔问题提供参考。

铝压铸件缩孔探究,废品率从5%到0.2%的对策

表1:ADC12ZS铝合金化学成分(wb/%)

一、铝合金压铸件缩孔形成机理及形态

缩孔形成机理

导致铝合金压铸件缩孔的原因较多,追溯其本源,主要是铝合金从液相向固相转变过程中铝液补缩不足而导致。常见的缩孔原因有:①模温梯度不合理,导致铝液局部收缩不一致。②铝液浇注量偏少,导致料饼薄,增压阶段补压不足。③模具存在热结或尖锐区域。④模具的内浇口宽度不够,面积较小,导致铸件过早凝固,增压阶段压力传递受阻、铝液无法补缩。⑤铸造压力设置过低,补缩效果较差。图1为铝合金铸件缩孔形成的示意图。

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图1:铸件缩孔形成过程

铸件缩孔形态

缩孔是一种铝合金压铸件乃至铸件常见的内部缺陷,常出现在产品壁厚较大、模具尖角和模温温差较大等区域。图2为某款发动机曲轴箱缩孔形态,缩孔呈似椭圆状,距离轴承油道孔约10 mm,内壁粗糙,无光泽。缩孔区域铸件壁厚较大,约为22 mm;油道孔销子前端无冷却水,模温较高。汽车发动机曲轴的两大轴颈(主轴颈和连杆轴颈)工作载荷较大,磨损严重,工作时必须进行压力润滑。在此情况下,轴颈的油道孔附近若存在缩孔,将会严重影响润滑效果。

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图2:曲轴箱轴承孔油道附近缩孔

二、缩孔相关对策

铝合金压铸件产生铸造缺陷的原因有产品本身的结构特征、模具设计得浇注系统及冷却系统设计不合理、工艺参数设计不合理等原因[1~4]。根据常见的铸造缺陷原因以及铝合金铸件缺陷处理流程,探索解决铝合金压铸件厚大部位缩孔的相应对策。

前期分析及对策

铸件缩孔的前期分析从容易操作的工艺参数出发,通过现场测量及观察,测得模具内浇口厚度为4 mm,算的内浇口速度为40 m/s,产品壁厚*薄处为4.6 mm;料饼厚度为25 mm;铸造压力为60MPa。由经验可知,模具设计符合产品的结构特征,模具浇注系统应该不存在增压阶段补缩不足的问题。但是,增压阶段的铝液补缩与料饼厚度和增压压力有直接的关系,合适的料饼厚度与铸造压力才能形成内部组 织致密的铸件,因此,可以怀疑缩孔是由铸造压力偏低和料饼偏薄而导致的。

前期消除铸件缩孔的对策分为两个:①铸造压力由之前的65MPa提高至90MPa;②料饼厚度有原来的25 mm调整为30 mm。采用上述措施后,经过小批量专流验证,缩孔率由5%减低为4.8%,效果不明显,说明工艺参数不是引起铸件缩孔的主因。

中期分析及对策

由于引起铸件缩孔的本质原因是铝液凝固时补缩不足而导致,而模具温度分布不均容易导致铝液凝固顺序不合理,从而补缩不足,因此,中期对策分析主要从确保合理的模具温度入手。由产品3D模型可知,铸件缩孔处壁厚为22.6mm,壁厚较大,容易引起较高的模具温度。铝液凝固时,壁厚较大铸件内部铝液由于温度较高,尚处于液相或者固液混合相,而此时内浇口进行补缩的通道可能已经凝固。这样,在增压阶段铸件无法进行铝液补缩,从而有形成缩孔的可能。为确保合适的模具温度,采用热成像仪测得脱模剂喷涂后模具*高温度为272℃(见图3),高于正常的模具喷涂后温度,其他区域模具温度及其分布整体正常。因此,需要降低缩孔处模温。另外,测得此处冷却水孔底部距离模具型腔表面距离较大为20 mm,因为较大的热传递距离会降低模具的冷却效果,所以需要对冷却水孔进行更改。

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图3:改善前喷涂后的模具温度

为降低缩孔处模具温度,主要采取3个方法:①改善模具冷却系统。将缩孔附件的冷却水孔深度加深,由距模具表面20 mm变成12 mm,以此快速带走附近模具热量,降低模温;将所有模具冷却水管与水管统一编号,一一对应,防止模具保全时装错,影响冷却效果[5,6]。②降低浇注温度,由675℃变为645℃。③延长缩孔处模具喷涂时间,由2 s变成3 s。实施上述整改措施后,缩孔区域模具喷涂后温度大幅度降低,约为200℃,属于正常范围。缩孔率有4.8%降低到4%,说明此类措施对缩孔具有一定效果,但不能彻底解决此区域的缩孔问题。

后期分析及对策

通过前面两次改善,基本保证压铸模具处于理论上的合理状态,即浇注系统设计合理、冷却系统布置合适,工艺参数设计*优。然而,铸件缩孔率仍有4%之多。铸件缩孔处壁厚为22.6 mm,远大于其他部位的壁厚,较大的壁厚可能引起铸件中心凝固时补缩不足,增压结束后此区域还没有完凝固,继续收缩产生缩孔[7~10],模流分析见图4。因此,如何解决铸件缩孔处的补缩不足,也许才是问题的关键。一般来讲,铸件的补缩时通过料饼→浇道→内浇口→铸件这条路径进行的。由于铸件厚大部位后于内浇口凝固,切断了增压后期的补缩通道,因此无法补缩。

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图4:铸件凝固阶段的多孔性

鉴于常规增压阶段压射冲头通过料饼施加铸造压力而实现补缩作用,采取的措施是在铸件缩孔附近增加一个类似渣包结构来充当料饼,利用一副油缸抽芯机构充当冲头,在铸件凝固后期对易产生缩孔的区域进行二次增压补缩,以达到消除缩孔的目的。通常来讲,这样的二次加压机构叫做挤压销,它的加压原理是在金属液或合金液浇注后到完全凝固前施加适当的压力以加强铸件凝固补缩效果,达到提高铸件致密度、减小或消除缩孔的目的。加压凝固能够改变金属及其合金物理参数和结晶过程,改变疏松空洞的分布和尺寸,提高铸件的致密度,改善铸件的拉伸强度和硬度等性能。

根据铸件补缩、增压规律,挤压销动作信号采用铸造过程的增压信号,并在此基础上延迟作为启动信号,因此,挤压销主要控制挤压深度和挤压延迟时间两个参数。挤压深度依铸件结构和缩孔分布、大小而定,一般为10~20 mm;挤压延时主要参考增压时间设定,一般为2~5 s。实际工程中,挤压参数的确定是在经验值的基础上根据铸造情况再作优化。为了方便调整挤压参数,通常采用单独油缸控制挤压销动作。

针对曲轴箱铸件,后期的改善措施为在模具轴承孔附近对称布置两根挤压销(位置见图5),通过调整挤压深度和挤压延时两个主要参数,优化挤压销的二次加压的补缩效果,从而降低铸件缩孔率。在前述措施的基础上,模具追加两根挤压销后缩孔率明显下降,不良率由4%降低到0.2%。同时,在0.2%的缩孔不良品中,其缩孔大小明显减小。因此,挤压销方案对于控制壁厚加大的铸件缩孔率起到了较好的作用。但是,在本次改善过程中,铸件缩孔不良率也曾出现过波动现象,通过优化挤压参数挤压深度15 mm、挤压延迟时间2.5 s和规定挤压销使用寿命(次/8000模)等相关规范,使铸件不良率稳定在0.2%附近。

图6为铸件缩孔区域改善前后的X射线探伤对比照。可以看出,铸件缩孔出现在轴承孔附近,分布较广且分散,组 织较为疏松,由于汽缸体轴承孔需要通以压力润滑油,因此铸件在使用期间存在漏油风险;通过改善后,从X射线探伤照片上已看不出疏松的缩孔分布,铸件内部组 织显得更加致密。

铝压铸件缩孔探究,废品率从5%到0.2%的对策

图5:模具增加挤压销位置

铝压铸件缩孔探究,废品率从5%到0.2%的对策

图6:铸件X-Ray探伤图片

三、结论

(1)缩孔是一种常见的铸件内部缺陷,易出现在壁厚较大、模温较高等区域。通常从模具设计(浇注系统、冷却系统)、工艺参数设置和铸造条件保证等几方面出发。针对涉及的壁厚较大铸件,传统的改善措施只能起到缓解作用,而不能彻底解决问题。

(2)仿照冲头在增压阶段的补缩作用设计了两根挤压销,对缩孔区域起到了二次加压的补缩作用,效果较为明显。

作者:匿名22229次浏览

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