汽車鋁合金壓鑄件質量的綜合診斷和控制
　文/長春東方有色壓鑄有限公司/吳正紅
      摘要：借助統計分析、理化分析以及澆注系統模擬等綜合分析手段,以氣缸頭蓋壓鑄件為例,對壓鑄缺陷以及工藝過程可變性進行綜合診斷,確定缺陷的狀態、產生規律和原因,并在此基礎上,針對整個鑄件生產過程提出了相應的改進措施和優化方案,使壓鑄件質量得到明顯的提高。結果表明,上述綜合分析手段,可以有效的為壓鑄件的缺陷分析和質量控制提供依據。

      關鍵詞：鋁合金、壓鑄、澆注系統模擬及分析

  
      缸體、缸蓋是汽車重要的鋁合金部件,其工藝設計難度較大,壓鑄件生產時,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,在實際生產中占有比較高的比例。
     本文對我公司生產的氣缸頭蓋壓鑄件的溫度場和流場進行了數值模擬,結合理化分析結果,確定出該壓鑄件孔洞類缺陷的狀態和產生原因;并通過統計分析評估工藝過程的可變性,從而較快地獲得鑄件缺陷產生的規律。在此基礎上,提出了工藝優化和質量控制措施,實施結果表明,鑄件孔洞類缺陷大幅度降低,達到了預期的效果。

    缺陷診斷及分析
1.1 缺陷診斷
    氣缸頭蓋尺寸較大,結構相對復雜。對于加工面,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;對于缸蓋凸輪軸等部位探傷及其加工后的孔洞尺寸必須達到相應的檢驗標準。對于此類鑄件,增加了設計和生產的難度,鑄件工藝設計往往很難兼顧此類鑄件對不同部位的要求,生產工藝的可調整范圍很窄。在實際生產中,鑄件關鍵部位孔洞缺陷的存在與否、大小和分布是否達標往往成為鑄件報廢與否的主要原因。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。鑄件內氣體的來源為熔體內析出的、模具脫模劑分解產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,脫模劑分解產生的氣體與噴涂工藝及脫模劑成分有關,而壓鑄過程的卷氣則與壓鑄工藝參數的選擇和模具結構有關。
    對于前兩項因數,可以分別通過調控熔煉工藝及噴涂工藝得到改善;對于壓鑄過程的卷氣,則與金屬液流動情況密切相關;而鑄件產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,即設置澆道、溢流槽和排氣道、模具溫度控制、選擇壓鑄參數等,要對型腔內金屬液的流動和凝固過程認真思考,以保證將壓鑄件關鍵部位氣孔或縮孔降低到最低限度。因此,借助澆注系統模擬軟件對此過程進行輔助分析,成為了解壓鑄件充型和凝固規律的重要手段,為準確了解壓鑄件孔洞類缺陷的產生原因提供依據。
    將氣缸頭蓋的Pro /E造型進行三角面片化,輸出為工藝仿真軟件(Magmasoft)可以識別的STL 文件格式。然后使用Magmasoft對模擬進行網格劃分,鑄件和澆冒系統所占網格10萬個,模擬仿真結果見圖2、圖3。
    充型70%時的狀態
    圖2a所示為金屬液充型70%時的流域場。由圖中可見,由于壓射速度快以及模具結構的影響,在第5、第2凸輪軸承孔處形成匯流,而兩邊內澆道射入的金屬液流動相對較慢,預測2、5凸輪軸承孔處將會出現氣孔。圖2b所示為充型85%時的流域場,可見此時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根據充型后凝固過程的溫度場分布預測的孔洞部位,可以看到凸輪軸處縮孔縮松的傾向較大。結果表明,實際的孔洞缺陷位置與Magmasoft預測結果相符,模擬結果可以作為后續改進工藝和模具的依據。

1. 3 工藝過程可變性評估
     外購材料、操作因素、工藝過程、設備能力等方面的變化將直接造成零件質量的波動,甚至造成廢品。所有這些隨機可變因素,都會引起鑄件質量的波動,而且一時難以找出這種隨機性是由哪些具體的原因造成的,這就需要對鑄件生產工藝過程進行全方位的跟蹤調查和監控。以生產周期為時序,以鑄件質量為目標,對以下幾個方面的內容進行跟蹤調查,包括原輔材料以及熔煉過程的跟蹤調查、壓鑄工藝參數檢測、鑄件檢驗及其質量跟蹤。在此基礎上,通過統計分析評估工藝過程的可變性,綜合考察各種因素對鑄件質量的影響規律。
 
     工藝優化措施
     壓鑄件的質量與生產過程中的許多因數有關,其最終的質量是這些因素共同影響結果,根據上述對工藝過程的可變性評估和模擬結果,對影響壓鑄件質量的主要因素采取綜合的優化分析。
 
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可能會
增加熔體的含氣量,因此在爐料熔煉之前須清理干凈和進行烘干處理。為了降低熔體的含氣量,還須加強除氣精練,定期對爐前熔體含氣量進行監控。

2. 2 工藝參數優化
     根據可變性評估的結果,將對壓鑄件質量影響顯著的工藝參數進行優化,可以在不改動鑄造條件的前提下。一定程度上控制質量。由上述可變性評估得到,實際生產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
    根據澆鑄系統模擬和可變性評估,對內澆道、溢流槽和冷卻水回路等鑄造條件進行方案改進,可以進一步控制質量。氣缸頭蓋的凸輪軸和51F1面對孔洞的要求最為嚴格,而根據模擬結果,液流恰恰在此交匯,不利于排氣;所以,在改進方案時,調整內澆道位置和尺寸,盡量使液流交匯處遠離軸承孔區域,并在液流交匯處設置排氣道。綜上所述,通過上述含氣量控制、鑄造條件改進和工藝優化分析等措施,消除了氣缸頭蓋凸輪軸和51F1面原先存在的嚴重孔洞類缺陷,見表1。

結論
     鋁合金壓鑄件的孔洞類缺陷是壓鑄過程中的多種因數共同影響的結果,借助統計分析、理化分析以及澆鑄系統模擬等綜合手段,可以有效地為壓鑄件生產過程的工藝優化和質量控制提供依據。如果條件允許,應在壓鑄模設計階段全面考慮壓鑄工藝和壓鑄件的特點。進行澆注系統模擬,在考慮澆鑄系統和排溢系統設計時進行相應而合理的計算,使設計的壓鑄模具基本能生產出比較優質的壓鑄件,并通過工藝優化使產品質量進一步提高。