摘要：通過(guò)某前油封法蘭盤(pán)壓鑄件缺陷分析，借助魚(yú)骨圖質(zhì)量工具，確定該產(chǎn)品氣孔缺陷位置及產(chǎn)生的原因,并依據(jù)有關(guān)壓鑄理論以及數(shù)值模擬分析技術(shù)，優(yōu)化鑄件排氣系統(tǒng)及排溢系統(tǒng)，解決該鑄件兩處氣孔缺陷。結(jié)果表明，運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù),合理布置排氣槽與渣包可以有效地解決壓鑄件氣孔缺陷。

1、前油封法蘭盤(pán)結(jié)構(gòu)及開(kāi)發(fā)要點(diǎn)

圖1為某汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的前油封法蘭盤(pán)壓鑄件，年批量大于12萬(wàn)件，其外形尺寸為155 mm×100 mm×80 mm，單個(gè)鑄件質(zhì)量為0.9 kg，平均壁厚為2.5 mm，局部厚度為12 mm，該零件中間孔直徑為40 mm，加工后氣孔小于0.5 mm，用于安裝油封，為曲軸油封孔；下平面為加工面，平面度為0.1，稱(chēng)之為缸體結(jié)合面；與缸體結(jié)合面垂直的側(cè)面加工后表面氣孔不能有一處大于1 mm，連接發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼，稱(chēng)之為油底殼結(jié)合面。曲軸油封孔、缸體結(jié)合面以及油底殼結(jié)合面的氣孔缺陷為要控制點(diǎn)。

根據(jù)要求，鑄件整體孔隙率需達(dá)到VW500 97-D5/1標(biāo)準(zhǔn)，即鑄件內(nèi)部任意剖切面孔隙度小于5%，且不允許存在大于1 mm的氣孔，加工后的成品需要100%氣密封檢驗(yàn)，檢驗(yàn)條件為0.05 MPa壓力條件下泄漏量小于5 cm3/min。

圖1：前油封法蘭盤(pán)

圖2為前法蘭的澆注系統(tǒng)，一模兩件，連同澆注系統(tǒng)的澆注總質(zhì)量為3.3 kg，總投影面積為770 cm2，采用ZDC900型壓鑄機(jī)，鎖模力為9 000 kN，并采用史杰克西真空保溫爐通過(guò)滑槽定量輸送鋁液至壓鑄模具料缸。

該鑄件使用的合金執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為DIN EN AC1706-AlSi9Cu3（Fe）, 該材料具有良好的力學(xué)、耐腐蝕及加工性能，并具備良好的流動(dòng)性，熱裂傾向小，收縮率小和熔點(diǎn)低等優(yōu)點(diǎn)。企業(yè)內(nèi)控化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1：鋁合金的化學(xué)成分

圖2：前油封法蘭盤(pán)澆注系統(tǒng)

2、曲軸油封孔區(qū)域孔洞性質(zhì)檢測(cè)及判定

在壓鑄生產(chǎn)過(guò)程中，常常將鑄件內(nèi)部產(chǎn)生的孔洞稱(chēng)之為氣孔和縮孔及縮松，氣孔的定義為孔內(nèi)部表面近似球形，并且內(nèi)壁光滑的孔洞；縮孔的定義為內(nèi)壁粗糙的孔洞；縮松的定義為大量微小孔洞組成的疏松組織。依據(jù)孔洞尺寸和分布位置不同進(jìn)一步區(qū)分，氣孔的大小不等，分散或者成群分布在整個(gè)鑄件的內(nèi)部；縮孔通常出現(xiàn)在壁厚急劇變化的熱節(jié)處，孔洞內(nèi)壁呈現(xiàn)樹(shù)枝狀結(jié)晶鑄造凸起,而縮松是呈現(xiàn)類(lèi)似海綿狀組織。

批量生產(chǎn)過(guò)程中，該產(chǎn)品曲軸油封孔內(nèi)表面大量發(fā)生大于1 mm的孔洞（見(jiàn)圖3），同時(shí)，油底殼結(jié)合面也因?yàn)闅饪椎闹睆酱笥? mm而需要解決（見(jiàn)圖4），整改前該產(chǎn)品因?yàn)檫@兩個(gè)位置產(chǎn)生的缺陷占總?cè)毕莸?0%以上，從而導(dǎo)致該產(chǎn)品總合格率低于90%。

圖3：曲軸油封孔氣孔缺陷 圖4：油底殼結(jié)合面氣孔

為制定解決措施，需要判定孔洞的缺陷位置和形態(tài)，曲軸油封孔缺陷位于油封孔澆道入料方向?qū)?cè)12點(diǎn)鐘方向（見(jiàn)圖5），通過(guò)XG-160S T/C型X光機(jī)檢驗(yàn)，缺陷產(chǎn)品內(nèi)部存在數(shù)個(gè)規(guī)則的孔洞；而油底殼結(jié)合面的孔洞較為規(guī)則，該表面加工后有多個(gè)大于1 mm的孔，分布位置不確定，缺陷在X光下顯示為長(zhǎng)條狀，最大長(zhǎng)度為3 mm（見(jiàn)圖6）。

圖5：曲軸油封孔氣孔  圖6：油底殼結(jié)合面氣孔

同樣，為制定解決措施，需要進(jìn)一步從微觀領(lǐng)域判定孔洞的性質(zhì)，切片拋光后借助 AX10蔡司金相顯微鏡放大100倍檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)曲軸油封孔區(qū)域孔隙度為14%，內(nèi)表面近似球形，內(nèi)壁光滑（見(jiàn)圖7），該區(qū)域沒(méi)有大的熱節(jié)或者壁厚的急劇變化，判定該缺陷的孔洞為氣孔；同樣，縱向剖切油底殼結(jié)合面及后端M6螺紋孔，測(cè)量得孔隙度為16%，螺紋孔附近有多個(gè)規(guī)則氣孔，同時(shí)存在較為明顯的疏松狀組織（見(jiàn)圖8），因?yàn)樵撎帪闈沧⒛┒耍瑫r(shí)局部有大于10 mm的熱節(jié)，故判定該缺陷的孔洞為氣孔和縮孔的混合形式。

圖7：曲軸油封孔孔隙度  圖8：油底殼結(jié)合面孔隙度

3、利用魚(yú)骨圖分析氣孔缺陷原因

魚(yú)骨圖是壓鑄缺陷問(wèn)題分析中常常采用的質(zhì)量工具之一。從模具及鑄造工藝的角度利用魚(yú)骨圖分析氣孔原因見(jiàn)圖9。

圖9：氣孔缺陷魚(yú)骨圖

通過(guò)模擬分析和生產(chǎn)實(shí)際驗(yàn)證，高速填充過(guò)程中澆口速度在40 m/s左右，填充時(shí)間為70 ms, 料餅厚度為25 mm，澆道的布局、填充速度和料餅厚度基本符合該鑄件工藝要求。

根據(jù)氣孔集中產(chǎn)生的位置可知，曲軸油封孔區(qū)域氣孔位于直徑40 mm模具型芯的后端，為該模具型芯左右兩側(cè)兩股鋁液匯集部位，由于鋁液交匯撞擊包裹氣體將形成氣孔，即對(duì)應(yīng)于魚(yú)骨圖中渣包布局不合理產(chǎn)生的氣孔缺陷。

而油底殼連接面的氣孔位于遠(yuǎn)離澆道部位，靠近排氣槽區(qū)域，可能是該部位排氣不良而導(dǎo)致氣體聚集、卷氣形成氣孔，對(duì)應(yīng)魚(yú)骨圖中排氣不良產(chǎn)生氣孔缺陷。

4、曲軸油封孔氣孔解決

由魚(yú)骨圖可知，曲軸油封孔氣孔缺陷的原因可能是由于兩股鋁液在流動(dòng)過(guò)程中交匯卷氣。在壓鑄生產(chǎn)過(guò)程中，鋁液速度過(guò)快，使型腔中氣體不能完全及時(shí)平穩(wěn)的排出型腔，而被卷入鋁液中，無(wú)法排出形成較大的氣孔。

由于氣孔缺陷位置大多存在于油封孔的12點(diǎn)方向，借助于數(shù)值模擬分析可知，在鑄件成型過(guò)程中，兩股鋁液環(huán)繞油封孔，自下而上順序包覆產(chǎn)生油封孔的模具型芯，并最終在油封孔上端交匯，在填充第0.705s（見(jiàn)圖10），鋁液在遠(yuǎn)離油封孔部位先結(jié)合，向內(nèi)包抄卷氣，并將一部分氣體卷積在油封孔內(nèi)環(huán)面12點(diǎn)鐘方向，該模擬分析合理解釋了通過(guò)魚(yú)骨圖分析的假設(shè)，并在實(shí)踐中驗(yàn)證模擬分析的正確。

圖10：改進(jìn)前的模擬分析

解決油封孔氣孔的缺陷的改進(jìn)方案為在40mm的型芯上增加一個(gè)渣包（見(jiàn)圖11和圖12），渣包結(jié)構(gòu)為圓臺(tái)形狀，大端直徑為 30 mm，深15 mm，起模斜度為25°，根部圓角R5。且根據(jù)模擬分析結(jié)果，渣包的入料口確定在12點(diǎn)方向，入料口厚度為2mm，該渣包的作用除了匯集氣體，同時(shí)收納高速鋁水前端的夾渣。

 圖11：改進(jìn)后的模擬分析 圖12：渣包

5、油底殼結(jié)合面氣孔解決

由魚(yú)骨圖可知，油底殼結(jié)合面氣孔可能為澆注末端排氣不良導(dǎo)致。該模具初始排氣結(jié)構(gòu)為渣包末端開(kāi)排氣槽的。該料缸直徑為90 mm，料缸充滿(mǎn)度為40%，采用低速填充+高速填充，高速壓射的起點(diǎn)設(shè)置在澆口附近區(qū)域，高速壓射時(shí)間為70 ms。

因?yàn)槟＞咝颓粌?nèi)部的空氣是高速壓射時(shí)通過(guò)排氣槽排出，而本課題油封法蘭盤(pán)鑄件與渣包的體積約700 cm3，每個(gè)排氣道的厚度最小值為0.1 mm, 排氣道總長(zhǎng)度為300 mm,排氣道截面積為30 mm2。

氣體的流動(dòng)變化取決于管道的幾何形狀變化，在流動(dòng)管道的收縮階段，氣體以亞音速流逐漸加速為音速流而處于臨界參考狀態(tài)，且臨界參考狀態(tài)必然出現(xiàn)在最小截面處，隨后氣流保持在音速而不再增大。在生產(chǎn)過(guò)程中，往往采用小于音速的200 m/s作為氣體排出速度粗略校核排氣槽自然排氣截面積，由

顯然 當(dāng)前已有的30mm2排氣道面積不能滿(mǎn)足排氣需求，自然排氣能力不足。

由上述計(jì)算可知，因?yàn)榕艢獠鄢叽绮蛔悖＞咝颓粌?nèi)的氣體難以及時(shí)的排出，導(dǎo)致鑄件末端卷氣，且氣孔在末端油底殼連接面處分布不均勻。

解決油底殼連接面氣孔缺陷的改進(jìn)方案為增大排氣道截面積，將渣包末端排氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化為搓衣板排氣結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)排氣通道最小截面積為搓衣板間隙，數(shù)值為110 mm2。當(dāng)然，如果條件允許，通過(guò)搓衣板后端增加抽真空進(jìn)行排氣效果將會(huì)更好。

6、生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證

依據(jù)上述的分析結(jié)果對(duì)該壓鑄模具完成設(shè)計(jì)更改，在原ZDC900噸壓鑄機(jī)生產(chǎn)，采用沃爾林編程噴涂，壓鑄工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2：壓鑄工藝參數(shù)

含有澆注系統(tǒng)的鑄件見(jiàn)圖13。

圖13：改進(jìn)后的鑄件

經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，優(yōu)化后的曲軸油封孔和油底殼結(jié)合面經(jīng)過(guò)X光檢驗(yàn)質(zhì)量良好，見(jiàn)圖14和圖15；同時(shí)在金相顯微鏡下顯示孔隙度為4 %和4.5 %，滿(mǎn)足規(guī)定要求，見(jiàn)圖16和圖17。批量產(chǎn)品合格率從小于90%提升到96%。

圖14:優(yōu)化后的曲軸油封孔X光圖  圖15:優(yōu)化后的油底殼結(jié)合面X光圖

圖16:優(yōu)化后的油封孔隙度檢驗(yàn)  圖17:優(yōu)化后的油底殼結(jié)合面隙度檢驗(yàn)

7、結(jié)論

前油封法蘭盤(pán)壓鑄件的主要缺陷形式為曲軸油封孔氣孔以及油底殼結(jié)合面氣孔；兩處氣孔產(chǎn)生的原因分別為渣包布局不合理以及末端排氣道截面積不足；合理利用數(shù)值模擬分析和魚(yú)骨圖的質(zhì)量工具可以有效的解決該類(lèi)別氣孔問(wèn)題。

作者：
朱洪軍 呂海霆
大連科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

周健
大連亞明汽車(chē)部件股份有限公司

本文來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第01期