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        振興壓鑄專注鋁壓鑄件行業二十年的生產企業!
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        鋁合金壓鑄零件的質量缺陷及改善措施

        1、引言
              壓力鑄造(簡稱壓鑄)是在高壓作用下,使液態或半液態金屬以較高的速度充填壓鑄模具型腔,并在壓力下成型和凝固而獲得鑄件的方法。壓鑄是在高壓高速下注入金屬熔液,可制造形狀復雜的薄壁件,獲得的鑄件晶粒細,組織致密,強度較高,且壓鑄的生產率高,因此壓鑄件廣泛應用于汽車、儀器儀表、計算機、醫療器械等制造業,如發動機汽缸體、汽缸蓋、儀表和照相機的殼體與支架、管接頭、齒輪等零件。用于壓鑄的材料主要有鋁合金、鋅合金、銅合金和鎂合金等。
              鋁合金壓鑄零件具有重量輕、工作性能好、制造效率高、鑄件表面質量好、尺寸精度高等優點,近年來大量應用于水泵的殼體、增壓器殼體、氣缸蓋、氣缸套、齒輪箱、內燃發動機活塞等零件。鋁合金壓鑄生產中遇到的質量問題很多,其原因也是多方面的,生產中必須對產生的質量問題做出正確的判斷,找出真正的原因,才能提出切實可行的改進措施,以便不斷提高鋁合金壓鑄件質量,不影響鑄件的正常使用,滿足生產需要,降低企業成本。
              鋁合金有利于減輕發動機重量,增加發動機的性能,因此越來越多的發動機缸體缸蓋有向采用鋁合金鑄造發展的趨勢。壓鑄鋁合金缸體有高壓和高速充填模具型腔的特點,壓射比壓為5~15MPa;充填速度約在5~100m/s;充填時間很短,一般在0.01~0.2s范圍內。鋁合金缸體壓鑄是通過高壓將鋁合金溶液高速壓入模具內,模具型腔內的氣體很難排出,容易在鑄件內部產生氣孔;另外由于凝結時間快,鑄造過程中的散熱較差,容易在模具上形成高溫區域,進而在零件表面形成氣孔、縮孔、裂紋等現象。因此,鋁合金缸體壓鑄件的質量缺陷主要是氣孔、縮孔、裂紋、欠鑄等。下面以某壓鑄鋁合金缸體為例,針對其壓鑄過程中出現的主要質量缺陷問題進行分析和解決。
        2、氣孔
              氣孔是指在壓鑄件內部或表面出現的大小不等的孔眼、空穴,有光滑的表面,形狀多為圓形。氣孔的產生會導致壓鑄件硬度不足和影響表面美觀。氣孔的來源主要為壓鑄過程中卷入的氣體或鋁液析氣。
        2.1壓鑄鋁合金缸體螺栓孔周邊的氣孔現象
              壓鑄鋁合金缸體上有很多螺栓孔、油孔以及各種安裝孔,這些直接影響發動機的裝配質量和使用性能,在壓鑄過程中需要嚴格控制其質量。壓鑄生產后對缸體的主軸承螺栓孔和上下缸體螺栓孔區域進行剖切,發現鑄造螺栓孔周圍有小的氣孔(直徑約ϕ0.5mm)
         2.2產生原因
              鋁合金缸體壓鑄時由于液態金屬充填型腔速度高,模具型腔內的氣體不易排出,容易殘留在鋁液中,鋁液冷卻凝固后殘留的氣體在鑄件內形成很小的氣泡,即氣孔,直徑一般不大于ϕ1mm;壓鑄模具內型芯周圍和壁厚變化較大的位置,鋁液流動性不穩定,容易產生氣孔,這也是鑄件螺栓孔周圍氣孔較多的原因。螺栓孔周圍的氣孔很小,小于螺紋長度1/3,且不在螺紋區域,對扭矩沒有影響,不會影響其使用性能,可以不用解決該處的氣孔問題。
        3、縮孔
              縮孔是指壓鑄件厚截面處出現形狀不規則的孔眼,孔的內壁粗糙?s孔的產生會導致壓鑄件內局部出現組織稀疏,有的甚至呈蜂窩狀,影響鑄件強度。液態金屬充滿型腔后,在收縮過程中得不到足量補充,容易發生在厚薄不均的鑄件上。
        3.1壓鑄鋁合金缸體螺栓孔周邊、水泵殼體附近的縮孔現象
              壓鑄生產后對缸體的主軸承螺栓孔和上下缸體螺栓孔區域進行剖切,發現預鑄孔的底部有較大的氣孔和縮孔(直徑約ϕ1~5mm,或有長度超過10mm的細長縫隙),對壓鑄鋁合金缸體的水泵殼體區域進行剖切,發現水泵殼體和缸體之間的連接處有很大的縮孔,縮孔的最長部分超過20mm
        3.2產生原因
              在壓鑄過程中鋁液被壓入并充滿型腔后鋁液開始凝固,由于模具表面的溫度較低并且伴有水冷,鋁液先從與模具接觸的表面開始凝固,在最外面先形成一層硬殼,然后逐漸向內開始凝固。由于熱脹冷縮的原理,鋁液隨著溫度的降低逐漸收縮體積變小,但鑄件的外表面已經形成了一層密封的硬殼,所以隨著鋁液的逐漸凝固,在最后凝固的位置會形成一些中空的空間,即縮孔,且縮孔總是在壁厚較厚位置的熱節位置。
             縮孔的位置恰好在壁厚較厚,并且是鑄件孔型芯頭部的位置,該區域的鋁液流動性不穩定、較多的氣孔也加劇了該區域形成縮孔的趨勢。
        水泵殼體區域3個箭頭所示方向的壁厚均超過了40mm,水泵殼體和缸體之間材料最厚的區域恰好是溫度最高的。如前所述,過大的壁厚造成內部冷卻凝固速度慢而形成縮孔。
        3.3改善措施
              消除縮孔的方法可通過減少縮孔所在區域的壁厚,使其能夠快速均勻的凝固來實現,也可通過對鑄件和模具結構進行優化來實現。
             螺栓底部的縮孔所在位置恰好在缸蓋螺栓和主軸承螺栓螺紋的位置。較大的縮孔,會對螺紋的強度有很大影響,在裝配和使用時容易損壞螺紋,所以有必須減少該區域的縮孔。針對上述對產生縮孔原因的敘述,提出減少該區域壁厚的解決方法。但經過分析,由于螺栓底部區域的功能和結構原因,壁厚無法減薄,該方法不可行。
              重新分析剖面的結構發現在螺栓孔表面附近的3~4mm區域內沒有氣孔和縮孔出現。這是因為凝固時該區域由于型芯的冷卻作用最先凝固,形成了一層致密的材料。根據這一現象,可以加深鑄件螺栓孔并利用這一致密層作為螺紋的加工區域。在既要增加型芯長度又不能增加型芯底部直徑的情況下,可通過減小拔模斜度進行改善,即將拔模角度從1.5°減小到1°,由此預鑄孔深度從64mm增加到100mm,將縮孔區域從螺紋區域向下“趕”,保證螺紋區域的強度。改善之后的效果中黑色曲線內部區域所示,縮孔區域已經明顯縮小并且在螺紋區域之外。
             水泵殼體附近的縮孔所在區域在缸體的正時側、變速箱側、缸蓋側、曲軸側、和進氣側5個拔模方向上,均無法進行壁厚減小的操作。
              在保留水泵殼體和缸體原有結構的前提下,經過綜合考慮,在該區域的模具上增加冷卻水路,加強冷卻,加快鋁液的凝固速度,以減小縮孔的體積,并把縮孔控制在中心區域,避免縮孔離水路或油路過近造成泄漏。采取該措施后,水泵殼體附近縮孔得到明顯改善。
              氣孔和縮孔是壓鑄生產的兩種常見質量缺陷,嚴重時會造成壓鑄件的報廢產生,生產中應加以注意和改善。
        4、裂紋
              鋁合金壓鑄件的基體被破壞或斷開,形成細長的縫隙,呈直線狀或波浪形的紋路等不規則形狀,在外力作用下有發展的趨勢,這種缺陷稱為裂紋。裂紋產生的原因有很多種,如合金成分,壓鑄模的模腔整體溫度不合理;鋁合金壓鑄件壁厚、薄處存有劇烈變化之處,收縮受阻,尖角位形成應力;工藝參數不合理等。鋁合金壓鑄件中裂紋是不允許存在的。
              改善措施:正確控制合金成分,在某些情況下可在合金中加純鋁錠以降低合金中含鎂量或鋁合金中加鋁硅中間合金以提高硅含量;改變鋁合金壓鑄件結構,加大圓角,改變起模斜度,減少壁厚差;變更或增加頂出位置,使頂出受力均勻;縮短開模及抽芯時間;控制模溫,保持模具熱平衡。
        4.1壓鑄鋁合金缸體水泵附近的水套底部裂紋現象
              鋁合金缸體壓鑄生產后,通過檢驗,發現在水泵附近的水套底部有內外貫穿的裂紋,裂紋最長可達50mm,裂紋周圍表面質量較差
        4.2產生原因
              在合金成分不變的前提下,觀察裂紋周圍的缸體發現表面有明顯的縮松現象,通過凝固過程溫度場數值模擬結果發現水套底部的溫度一直處于較高的狀態。因此判斷該處裂紋形成的原因為模具溫度過高,形成縮松。在冷卻凝固時,由于冷卻順序不同,外部的水泵區域首先收縮對該處產生向外的拉應力,在縮松的部位造成裂紋;另外,水套底部的圓角半徑偏。≧=1mm)會造成圓角處溫度過高以及應力偏大,對裂紋的形成有一定影響。
        4.3改善措施
              為緩解模具過熱,在該處模具內增加冷卻水路,通過水冷來降低該區域的模具溫度;同時將水套底部圓角半徑從1mm增加到2.5mm。采取這些措施進行鋁合金缸體壓鑄生產,經過檢驗沒有發現裂紋現象。
        5、欠鑄
              欠鑄也稱澆不足、輪廓不清、邊角殘缺,指壓鑄零件成形過程中出現金屬液未充滿型腔,鑄件上出現填充不完整的部位。合金澆注溫度及模具溫度過低、合金液含氣量高導致合金流動性不好;鑄件壁太薄或厚薄懸殊、模具溫度過高,型腔內氣體壓力較高導致的排氣不良等都會引起壓鑄件產生欠鑄?赏ㄟ^改進壓鑄件結構和優化工藝參數進行改善。
        5.1壓鑄鋁合金缸體的欠鑄現象
        壓鑄鋁合金缸體第三主軸承座和水泵殼體位置易產生欠鑄缺陷
        5.2產生原因
              對其進行壓鑄填充過程模流分析,如圖5所示,顏色淺的部分是填充速度最慢的部位。圖5中圓圈所示的缸體第三主軸承座和水泵殼體位置填充時間明顯慢于其他位置。第三主軸承座區域填充較慢主要是因為兩側與曲軸箱連接的位置壁厚較薄,不利于鋁液流通;水泵區域填充較慢是因為水泵在整個壓鑄系統的末端,鋁液流通距離較長,因而在這些區域出現欠鑄缺陷。
        5.3改善措施
              將缸體第三主軸承座區域壁厚由4mm增加到5mm,進而加大鋁液的流通面積,加快填充速度;將水泵區域下部的加強筋高度和厚度增大,相當于增加了一個到水泵的澆道。采取措施后,改善了第三主軸承座和水泵區域的欠鑄質量問題。
              以上介紹的是壓鑄鋁合金缸體生產過程中產生的主要質量問題。為了防止缺陷的產生,只要滿足了壓鑄成形工藝條件、壓鑄時的工藝參數、壓鑄零件和模具結構、壓鑄設備和生產操作規程和管理規范要求,并根據壓鑄件的缺陷狀況,分析產生的原因和規律,在實踐中不斷積累和總結經驗,就能夠有針對性地采取措施,有效地消除質量缺陷,提高壓鑄零件的
        質量和生產效率。
        6、結束語
              隨著對環保、輕量化的要求日益提高,汽車中的許多關鍵部件,如發動機缸體也逐漸轉向壓鑄生產。在鋁合金壓鑄零件生產過程中,由于鋁合金熔點低,在高溫下極易氧化和吸氣,填充速度快,且散熱較差,容易出現各種缺陷,如氣孔、縮孔、裂紋、欠鑄等。這些質量問題對零件的強度、使用性能、使用壽命和工作可靠性等有很大的影響。文章結合生產實際,對壓鑄鋁合金零件出現的這些質量問題進行了分析和改善。最終目的是生產出合格的鋁合金壓鑄零件,避免實際澆鑄的成本浪費,滿足企業實際生產需求,為企業帶來顯著的經濟效益。
        點擊次數:2384次 發布時間:2019/3/13 【打印此頁】【關閉
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