缸体、缸盖是汽车重要的铝合金部件,其工艺设计难度较大,压铸件生产时,往往由于缺陷难以控制使铸件废品率增加。尤其是孔洞类缺陷,在实际生产中占有比较高的比例。
本文对某公司生产的气缸头盖压铸件的温度场和流场进行了数值模拟,结合理化分析结果,确定出该压铸件孔洞类缺陷的状态和产生原因;并通过统计分析评估工艺过程的可变性,从而较快地获得铸件缺陷产生的规律。在此基础上,提出了工艺优化和质量控制措施,实施结果表明,铸件孔洞类缺陷大幅度降低,达到了预期的效果。
缺陷诊断及分析
1.1 缺陷诊断
气缸头盖尺寸较大,结构相对复杂。对于加工面,有些部位不允许有孔洞存在,而有些则允许孔洞弥散分度,但有一定的尺寸限制；对于缸盖凸轮轴等部位探伤及其加工后的孔洞尺寸必须达到相应的检验标准。对于此类铸件,增加了设计和生产的难度,铸件工艺设计往往很难兼顾此类铸件对不同部位的要求,生产工艺的可调整范围很窄。在实际生产中,铸件关键部位孔洞缺陷的存在与否、大小和分布是否达标往往成为铸件报废与否的主要原因。截取缺陷部位,加工到成品尺寸,观察有的孔壁比较粗糙,呈树枝状,在高倍显微竟下看到孔洞底部相互连通,具有缩孔和缩松类缺陷的特征；有的孔壁光滑,且孔较深,具有气孔类缺陷的特征；还有的孔洞为气孔和缩孔连接在一起。
1.2 浇注系统模拟仿真
气缸头盖压铸件的缺陷主要是由于气体以及收缩造成的孔洞缺陷。铸件内气体的来源为熔体内析出的、模具脱模剂分解产生的气体以及压铸过程中卷入的气体。熔体中的气体与原材料及熔炼工艺有关,脱模剂分解产生的气体与喷涂工艺及脱模剂成分有关,而压铸过程的卷气则与压铸工艺参数的选择和模具结构有关。
对于前两项因数,可以分别通过调控熔炼工艺及喷涂工艺得到改善；对于压铸过程的卷气,则与金属液流动情况密切相关；而铸件产生的收缩缺陷则取决于铸件的温度场和凝固过程。在确定铸造方案,即设置浇道、溢流槽和排气道、模具温度控制、选择压铸参数等,要对型腔内金属液的流动和凝固过程认真思考,以保证将压铸件关键部位气孔或缩孔降低到最低限度。因此,借助浇注系统模拟软件对此过程进行辅助分析,成为了解压铸件充型和凝固规律的重要手段,为准确了解压铸件孔洞类缺陷的产生原因提供依据。
将气缸头盖的Pro/E造型进行三角面片化，输出为工艺仿真软件(Magmasoft)可以识别的STL文件格式。然后使用Magmasoft对模拟进行网格划分,铸件和浇冒系统所占网格10万个,模拟仿真结果见图2、图3。
图2a所示为金属液充型70%时的流域场。由图中可见,由于压射速度快以及模具结构的影响,在第5、第2凸轮轴承孔处形成汇流,而两边内浇道射入的金属液流动相对较慢,预测2、5凸轮轴承孔处将会出现气孔。图2b所示为充型85%时的流域场,可见此时金属液已充满铸型大部分空间,液流最后将在51F1面交汇。图3为Magmasoft根据充型后凝固过程的温度场分布预测的孔洞部位,可以看到凸轮轴处缩孔缩松的倾向较大。结果表明,实际的孔洞缺陷位置与Magmasoft预测结果相符,模拟结果可以作为后续改进工艺和模具的依据。
1.3 工艺过程可变性评估
外购材料、操作因素、工艺过程、设备能力等方面的变化将直接造成零件质量的波动,甚至造成废品。所有这些随机可变因素,都会引起铸件质量的波动,而且一时难以找出这种随机性是由哪些具体的原因造成的,这就需要对铸件生产工艺过程进行全方位的跟踪调查和监控。以生产周期为时序,以铸件质量为目标,对以下几个方面的内容进行跟踪调查,包括原辅材料以及熔炼过程的跟踪调查、压铸工艺参数检测、铸件检验及其质量跟踪。在此基础上,通过统计分析评估工艺过程的可变性,综合考察各种因素对铸件质量的影响规律。
工艺优化措施
压铸件的质量与生产过程中的许多因数有关,其最终的质量是这些因素共同影响结果,根据上述对工艺过程的可变性评估和模拟结果,对影响压铸件质量的主要因素采取综合的优化分析。
2.1 熔体中气体的控制
气缸头盖的熔炼炉料组成70%的新铝锭和30%的回炉料,由于回炉料上的水分和杂质可能会增加熔体的含气量,因此在炉料熔炼之前须清理干净和进行烘干处理。为了降低熔体的含气量,还须加强除气精练,定期对炉前熔体含气量进行监控。
2.2 工艺参数优化
根据可变性评估的结果,将对压铸件质量影响显著的工艺参数进行优化,可以在不改动铸造条件的前提下。一定程度上控制质量。由上述可变性评估得到,实际生产过程中快射速度过高,而慢压射行程比较短,因此采取增加慢压射行程,以增加压铸过程充满度;降低快压射速度,以缓解充型过程中卷气等措施。
2.3 铸造条件的改进
根据浇铸系统模拟和可变性评估,对内浇道、溢流槽和冷却水回路等铸造条件进行方案改进,可以进一步控制质量。气缸头盖的凸轮轴和51F1面对孔洞的要求最为严格,而根据模拟结果,液流恰恰在此交汇,不利于排气;所以,在改进方案时,调整内浇道位置和尺寸,尽量使液流交汇处远离轴承孔区域,并在液流交汇处设置排气道。综上所述,通过上述含气量控制、铸造条件改进和工艺优化分析等措施,消除了气缸头盖凸轮轴和51F1面原先存在的严重孔洞类缺陷,见表1。
结论
铝合金压铸件的孔洞类缺陷是压铸过程中的多种因数共同影响的结果,借助统计分析、理化分析以及浇铸系统模拟等综合手段,可以有效地为压铸件生产过程的工艺优化和质量控制提供依据。如果条件允许,应在压铸模设计阶段全面考虑压铸工艺和压铸件的特点。进行浇注系统模拟,在考虑浇铸系统和排溢系统设计时进行相应而合理的计算,使设计的压铸模具基本能生产出比较优质的压铸件,并通过工艺优化使产品质量进一步提高。
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