缸體,、缸蓋是汽車重要的鋁合金部件,其工藝設(shè)計(jì)難度較大,壓鑄件生產(chǎn)時(shí),往往由于缺陷難以控制使鑄件廢品率增加,。尤其是孔洞類缺陷,在實(shí)際生產(chǎn)中占有比較高的比例。
本文對(duì)某公司生產(chǎn)的氣缸頭蓋壓鑄件的溫度場和流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)合理化分析結(jié)果,確定出該壓鑄件孔洞類缺陷的狀態(tài)和產(chǎn)生原因;并通過統(tǒng)計(jì)分析評(píng)估工藝過程的可變性,從而較快地獲得鑄件缺陷產(chǎn)生的規(guī)律,。在此基礎(chǔ)上,提出了工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制措施,實(shí)施結(jié)果表明,鑄件孔洞類缺陷大幅度降低,達(dá)到了預(yù)期的效果,。

缺陷診斷及分析
1.1 缺陷診斷
氣缸頭蓋尺寸較大,結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。對(duì)于加工面,有些部位不允許有孔洞存在,而有些則允許孔洞彌散分度,但有一定的尺寸限制,；對(duì)于缸蓋凸輪軸等部位探傷及其加工后的孔洞尺寸必須達(dá)到相應(yīng)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),。對(duì)于此類鑄件,增加了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的難度,鑄件工藝設(shè)計(jì)往往很難兼顧此類鑄件對(duì)不同部位的要求,生產(chǎn)工藝的可調(diào)整范圍很窄。在實(shí)際生產(chǎn)中,鑄件關(guān)鍵部位孔洞缺陷的存在與否,、大小和分布是否達(dá)標(biāo)往往成為鑄件報(bào)廢與否的主要原因,。截取缺陷部位,加工到成品尺寸,觀察有的孔壁比較粗糙,呈樹枝狀,在高倍顯微竟下看到孔洞底部相互連通,具有縮孔和縮松類缺陷的特征；有的孔壁光滑,且孔較深,具有氣孔類缺陷的特征,；還有的孔洞為氣孔和縮孔連接在一起,。
1.2 澆注系統(tǒng)模擬仿真
氣缸頭蓋壓鑄件的缺陷主要是由于氣體以及收縮造成的孔洞缺陷。鑄件內(nèi)氣體的來源為熔體內(nèi)析出的,、模具脫模劑分解產(chǎn)生的氣體以及壓鑄過程中卷入的氣體,。熔體中的氣體與原材料及熔煉工藝有關(guān),脫模劑分解產(chǎn)生的氣體與噴涂工藝及脫模劑成分有關(guān),而壓鑄過程的卷氣則與壓鑄工藝參數(shù)的選擇和模具結(jié)構(gòu)有關(guān)。
對(duì)于前兩項(xiàng)因數(shù),可以分別通過調(diào)控熔煉工藝及噴涂工藝得到改善,；對(duì)于壓鑄過程的卷氣,則與金屬液流動(dòng)情況密切相關(guān),；而鑄件產(chǎn)生的收縮缺陷則取決于鑄件的溫度場和凝固過程。在確定鑄造方案,即設(shè)置澆道,、溢流槽和排氣道,、模具溫度控制,、選擇壓鑄參數(shù)等,要對(duì)型腔內(nèi)金屬液的流動(dòng)和凝固過程認(rèn)真思考,以保證將壓鑄件關(guān)鍵部位氣孔或縮孔降低到最低限度。因此,借助澆注系統(tǒng)模擬軟件對(duì)此過程進(jìn)行輔助分析,成為了解壓鑄件充型和凝固規(guī)律的重要手段,為準(zhǔn)確了解壓鑄件孔洞類缺陷的產(chǎn)生原因提供依據(jù),。
將氣缸頭蓋的Pro/E造型進(jìn)行三角面片化,，輸出為工藝仿真軟件(Magmasoft)可以識(shí)別的STL文件格式。然后使用Magmasoft對(duì)模擬進(jìn)行網(wǎng)格劃分,鑄件和澆冒系統(tǒng)所占網(wǎng)格10萬個(gè),模擬仿真結(jié)果見圖2,、圖3,。

圖2a所示為金屬液充型70%時(shí)的流域場。由圖中可見,由于壓射速度快以及模具結(jié)構(gòu)的影響,在第5,、第2凸輪軸承孔處形成匯流,而兩邊內(nèi)澆道射入的金屬液流動(dòng)相對(duì)較慢,預(yù)測2,、5凸輪軸承孔處將會(huì)出現(xiàn)氣孔。圖2b所示為充型85%時(shí)的流域場,可見此時(shí)金屬液已充滿鑄型大部分空間,液流最后將在51F1面交匯,。圖3為Magmasoft根據(jù)充型后凝固過程的溫度場分布預(yù)測的孔洞部位,可以看到凸輪軸處縮孔縮松的傾向較大,。結(jié)果表明,實(shí)際的孔洞缺陷位置與Magmasoft預(yù)測結(jié)果相符,模擬結(jié)果可以作為后續(xù)改進(jìn)工藝和模具的依據(jù)。

1.3 工藝過程可變性評(píng)估
外購材料,、操作因素,、工藝過程、設(shè)備能力等方面的變化將直接造成零件質(zhì)量的波動(dòng),甚至造成廢品,。所有這些隨機(jī)可變因素,都會(huì)引起鑄件質(zhì)量的波動(dòng),而且一時(shí)難以找出這種隨機(jī)性是由哪些具體的原因造成的,這就需要對(duì)鑄件生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行全方位的跟蹤調(diào)查和監(jiān)控,。以生產(chǎn)周期為時(shí)序,以鑄件質(zhì)量為目標(biāo),對(duì)以下幾個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行跟蹤調(diào)查,包括原輔材料以及熔煉過程的跟蹤調(diào)查、壓鑄工藝參數(shù)檢測,、鑄件檢驗(yàn)及其質(zhì)量跟蹤,。在此基礎(chǔ)上,通過統(tǒng)計(jì)分析評(píng)估工藝過程的可變性,綜合考察各種因素對(duì)鑄件質(zhì)量的影響規(guī)律。

工藝優(yōu)化措施
壓鑄件的質(zhì)量與生產(chǎn)過程中的許多因數(shù)有關(guān),其最終的質(zhì)量是這些因素共同影響結(jié)果,根據(jù)上述對(duì)工藝過程的可變性評(píng)估和模擬結(jié)果,對(duì)影響壓鑄件質(zhì)量的主要因素采取綜合的優(yōu)化分析,。
2.1 熔體中氣體的控制
氣缸頭蓋的熔煉爐料組成70%的新鋁錠和30%的回爐料,由于回爐料上的水分和雜質(zhì)可能會(huì)增加熔體的含氣量,因此在爐料熔煉之前須清理干凈和進(jìn)行烘干處理,。為了降低熔體的含氣量,還須加強(qiáng)除氣精練,定期對(duì)爐前熔體含氣量進(jìn)行監(jiān)控。
2.2 工藝參數(shù)優(yōu)化
根據(jù)可變性評(píng)估的結(jié)果,將對(duì)壓鑄件質(zhì)量影響顯著的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,可以在不改動(dòng)鑄造條件的前提下,。一定程度上控制質(zhì)量,。由上述可變性評(píng)估得到,實(shí)際生產(chǎn)過程中快射速度過高,而慢壓射行程比較短,因此采取增加慢壓射行程,以增加壓鑄過程充滿度;降低快壓射速度,以緩解充型過程中卷氣等措施。
2.3 鑄造條件的改進(jìn)
根據(jù)澆鑄系統(tǒng)模擬和可變性評(píng)估,對(duì)內(nèi)澆道,、溢流槽和冷卻水回路等鑄造條件進(jìn)行方案改進(jìn),可以進(jìn)一步控制質(zhì)量,。氣缸頭蓋的凸輪軸和51F1面對(duì)孔洞的要求最為嚴(yán)格,而根據(jù)模擬結(jié)果,液流恰恰在此交匯,不利于排氣;所以,在改進(jìn)方案時(shí),調(diào)整內(nèi)澆道位置和尺寸,盡量使液流交匯處遠(yuǎn)離軸承孔區(qū)域,并在液流交匯處設(shè)置排氣道。綜上所述,通過上述含氣量控制,、鑄造條件改進(jìn)和工藝優(yōu)化分析等措施,消除了氣缸頭蓋凸輪軸和51F1面原先存在的嚴(yán)重孔洞類缺陷,見表1,。

結(jié)論
鋁合金壓鑄件的孔洞類缺陷是壓鑄過程中的多種因數(shù)共同影響的結(jié)果,借助統(tǒng)計(jì)分析、理化分析以及澆鑄系統(tǒng)模擬等綜合手段,可以有效地為壓鑄件生產(chǎn)過程的工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制提供依據(jù),。如果條件允許,應(yīng)在壓鑄模設(shè)計(jì)階段全面考慮壓鑄工藝和壓鑄件的特點(diǎn),。進(jìn)行澆注系統(tǒng)模擬,在考慮澆鑄系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行相應(yīng)而合理的計(jì)算,使設(shè)計(jì)的壓鑄模具基本能生產(chǎn)出比較優(yōu)質(zhì)的壓鑄件,并通過工藝優(yōu)化使產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)一步提高。