中国压铸杂志
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铝合金压铸件内部缩孔分析及对策

作者:admin 来源:原创 发表时间:2019-01-25
 
 
文:重庆工商职业学院智能制造与汽车学院  杨兴国
 
    摘要   从压铸件缩孔形成机理出发,结合实际的生产情况,发现导致摩托车曲轴箱体 A 面 LD68孔缩孔的主要原因为模具局部温度过高和冲头油燃烧产物包裹。通过改善模具保全项目,使模温梯度趋于合理;减少冲头油用量并变更供给方式以避免其被燃烧产物包裹,最终将 LD68孔铸造缩孔率降低约90%。
   关键词 缩孔;模具温度;冲头油;机理
 
    缩孔是铝合金压铸件常见的内部缺陷,而压铸件一般允许存在少量缩孔,但是出现在产品的重要部位时(如精加工面、高压油道附近、密封表面等),会影响其使用性能,严重时直接导致铸件报废。 据统计,某企业2016年某款125摩托车左曲轴箱体A 面 LD68孔因铸造缩孔引起的不良率为0.12%,远超企业对铸件单项缺陷不良率的目标值。而且,该孔位于润滑油道附近,极易引起压检不良、漏油等一系列问题,因此必须严格控制。
 
    该压铸件材质为 ADC11铝合金,主要成分见表1。
 

 
    通过光谱仪检测铝液及铸件成分,发现合金元素含量均在标准范围之内。另外,利用K模进行铝液含渣量检测,发现其也在合格范围内。因此,基本可以排除铝液成分超标及含渣量异常这两个影响因素。
 
    本课题从铝合金压铸件缩孔、缩松产生机理出发,结合实际的铸造生产条件(如工艺参数、模具温度、压射机构及附属设备)及压铸件缩孔的表现形态,寻找引起铸件缩孔的原因,从而制定相应的对策,成功降低了铸件的缩孔不良率。

1、压铸件缩孔特征及形成机理
    压铸件缩孔属于内部缺陷,一般采用解剖法检查铸件是否出现缩孔;对于一些生产成本较高的产品,也可以采取X射线探伤进行检测。这里采用解剖法探究铸件产生缩孔的原因。
 
1.1压铸件缩孔的外部特征
    铸件经机械加工或者直接解剖后,铸件的表皮缺陷就会暴露出来,气孔是表皮缺陷的一种。压铸件缩孔的产生部位往往比气孔的位置更靠近产品内部,但是对于形状复杂的铸件,在铸件的表皮也会出现缩孔。一般来讲,气孔表面比较光滑,多呈圆形,且分布不均匀;而缩孔的表面较粗糙,多呈不规则形状,但分布比较集中。
     因此,在解决压铸件气缩孔问题时需要正确判断是气孔还是缩孔。在实际的铸造过程中,铸造条件有时会因操作失误或管理失误出现偏差,导致铸造缺陷产生。如模具局部位置冷却水铜管堵塞、汤勺浇注时带入固体杂质以及脱模剂吹附位置变动等原因都可能会引起一些铸造缺陷。
 
     经现场调查,铸件LD68孔缩孔特征主要表现为两种形式,见图1。图1a是典型的缩孔特征,而图1b表明铸件在形成缩孔缺陷的部位还存在冲头油燃烧物包裹的情况。因此,在分析铸件产生缩孔的原因时,不仅从铸件缩孔的产生机理出发,还综合考虑了产品的铸造条件是否出现异常。
 

 
1.2压铸件缩孔的形成机理
1.2.1异常缩孔的形成机理
    铝合金压铸生产条件复杂而多样化,生产现场管理稍有不善就有可能出现批量铸造缺陷,导致铸件报废。比如,汤勺在浇注铝液的过程中可能会将一些粘附在料筒上的固态铝质飞皮(表面沾有油污)带入料筒,随铝液一起被压入模具型腔,铝液凝固时飞皮经常停留在模具的复杂型腔处,形成异常缺陷。现场观察发现,铸造用的冲头油是滴注在料筒里的,而非冲头的圆柱表面,这种冲头油供给方式会导致铝液浇注时包裹一些未完全燃烧的冲头油,形成一种类似胶状杂质,在铝液快速充填型腔时胶状杂质就有可能会留在铸件内部而形成内部缺陷,见图1b。
 
1.2.2缩孔的形成机理
    压铸件形状比较复杂,壁厚不均;此外,由于铝液充填顺序的影响,模具温度呈上低下高的梯度分布。铝液在凝固时呈由表及里、模温由低到高的顺序。因此,铸件的最后凝固区域如果得不到铝液补缩,就会因补缩不足而形成缩孔。因此,排除异常因素,铝合金压铸件缩孔的主要原因是铝液补缩不足。
    引起补缩不足的原因主要有以下几种:①浇注温度过高,模温梯度不合理;②铸造压力过低,导致增压补压不足;③内浇口设计太薄,导致部分区域过早凝固,在增压阶段铸件需要从浇道处补缩时铝液无法流动,并且影响压力传递;④铸件结构设计中容易产生热节或者铸件壁厚变化剧烈;⑤金属铝液浇注量偏少,料饼太薄,导致压力传递不良。
 
2、缺陷分析及对策
2.1压铸件缩孔原因分析
    针对 A 类缩孔主要分析铝液凝固时的补缩特性,从工艺参数和模具设计两方面着手。工艺参数:压力为67 MPa;料饼厚度为25mm;浇注量为3.65kg,均在工艺要求范围内,并且保持稳定,基本排除由工艺参数不适当而引起铸件缩孔的可能性。然后,对出现 A 类缩孔的模具对浇口尺寸进行测量,平均厚度为2.85mm,与设计值基本相符。采用热成像仪测量模具LD68孔销子及附近开模温度,发现该区域平均温度为300℃左右,销子头部(对应缩孔底部)最高温度达到320 ℃,喷涂脱模剂后平均模温为230 ℃。分析发现,LD68孔销子较长,头部直径较小,无法布置冷却水管,并且该处铸件形状复杂,极易形成热节,导致该处模温较高,是铝液最后凝固区域。
 
    因此,A 类缩孔确定为局部模温过高所致,后期的对策主要考虑如何降低模具销子温度。
     相对于 A 类 缩 孔,B类缩孔情况相对复杂一些。B 类缩孔在孔周围均出现类似冲头油烧结物等杂质,且形态基本一致。初步认为是由于冲头油滴被包裹在铝液中形成不完全燃烧产物所致。这种烧结物往往表面积较大,引起较大的区域缺陷,而且有较大的硬度,加工时易损坏刀具。经调查发现,铸造时用于润滑的冲头油采用滴注的方式加在料筒里,由于冲头油粘度较大,流动性差,只能在小范围内形成润滑油膜,多数冲头油被浇注的铝液点燃形成不完全燃烧产物,随铝液一起填充到模具型腔中。
    由于冲头油燃烧物在铝液中位置的随机性,导致了出现B 类缩孔的位置不确定。因此,对于B 类缩孔,主要从控制冲头油不被铝液包裹这方面考虑。
 
2.2解决措施
2.2.1A类缩孔对策及效果
    A类缩孔是由于模温较高所引起,对策制定主要从降低模具温度,使模温梯度合理方向考虑。首先,固定一根脱模剂喷涂铜管,每次开模后直接喷涂 LD68孔销子区域,以降低该处模具温度。由于原有脱模剂喷涂装置的铜管布置比较随意,模具的脱模剂喷涂点难以固定,导致模温不稳定。为了提高脱模剂喷涂效果,现将脱模剂喷涂装置进行改进,从而根据具体模具温度梯度确定脱模剂喷涂点,并加以固定,确保其效果,维持模具温度稳定。具体的改进效果见图2。
 

 
    然后,在模具的定模 LD68孔附近追加冷却水(见图3和图4矩形框处,图4中圆圈表示原有冷却水位置),利用循环冷却水强制冷却,降低模具的该处温度,避免缩孔产生。

 
    另外,为了实现合适的模温梯度,对现有的模具冷却水加强管理:①每次模具保全时检查清洗冷却水铜管,防止铜管因结垢而堵塞;②对冷却水铜管和相应的模具冷却水孔进行编号,防止拆装时弄混,降低冷却效果;③ 每次保全时测量铜管长度,更换损坏的铜管;④ 压铸时领工点检模具冷却水状态。
    实施上述对策后,LD68孔销子附近温度下降到270 ℃左右,销子头部温度也下降到280 ℃,达到了预期的降温效果,后期的机加工跟踪发现 A类缩孔基本解决。
    此外,经过此次整顿,生产现场对于模具冷却水管理更加规范,趋于标准化,不规范操作明显减少,模具的温度梯度也更加合理。
 
2.2.2 B 类缩孔对策及效果
    由于 B 类缩孔主要原因是冲头油燃烧包裹,因此解决措施主要从减少冲头油的用量和变更冲头油供给方式两个方面来考虑。
 
(1)检测冲头冷却水,确保冲头冷却效果良好的基础上,减少冲头油用量,由原来的5 mL 降低到3 mL,使其在浇注铝液时冲头油完全燃烧,减少烧结物的包裹。
 
(2)改变冲头油供给方式。原来冲头油直接滴注在料筒里,与浇注后的铝液直接接触,难以避免冲头油燃烧物被铝液包裹。将冲头油供给位置调整到冲头的圆柱表面,并且由原来的滴注方式改为喷雾方式,在整个冲头表面形成薄而均匀的油膜,既增加了润滑效果,又避免了冲头油燃烧物被铝液包裹的可能性。
 
    采用上述改进措施后,不仅冲头油消耗量降低了,而且B 类缩孔率下降了 90% 以上,达 到了预期效果。
 
    此外,由于减少了冲头油用量,冲头油燃烧火焰及烟雾变小,铸造环境有所改善。规范压铸模具保全手册,确保模具冷却水畅通且流量正常,形成合理的模温梯度,使铝液凝固时能够及时补缩,防止缩孔产生。压铸时保证冲头冷却效果良好,冲头油用量为3mL,并以喷雾的形式在冲头圆柱表面供给,使冲头油不与铝液接触,避免冲头油烧结物被铝液包裹,并且润滑效果更好。
 
    采取此对策后,LD68 孔缩孔率下降明显,只有0.015%。达到了预期效果。
 
3、结语
    从铝合金压铸件缩孔的形成机理出发,发现导致LD68孔缩孔的主要因素是局部模温过高导致铝液补缩不足和冲头油燃烧物包裹。针对两种缩孔类型,分别制定相应的改善措施,即形成合理的模温梯度和减少冲头油用量及变更其供给方式,取得了良好的改善效果。
 
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