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快速计算机层析X射线摄影术研究压铸件内孔隙度

作者:admin 来源:原创 发表时间:2016-07-12

Prof•Dr•lng.Eberhard
Otto-von-Guericke  大学
(马格德堡)

众所周知,由于浇铸合金在冷凝时体积收缩,气体释放以及压铸模具排气不畅,在压铸件内经常会或多或少有孔隙。铸件内孔隙形成的部位,数量及体积明显不一样,主要与以下因素有关:
1、铸件的形状及模具型腔内液态金属的流动(模具型腔几何形状,例如夹杂气体对型芯环流,流动金属涡流的形成,流动前端等)。
2、浇口及排气系统的结构及尺寸。
3、压铸模具内所用脱模剂的种类及用量。
4、压铸过程工艺技术参数。
5、浇注合金的冷凝情况(收缩率)
6、浇注合金的含气量(超过气体溶解度极限)
压铸件内的孔隙,在实际生产条件下是难以防止的。因此,不断完善压铸工艺的目的就是减少孔隙形成,或者使孔隙不影响压铸构件的功能作用。
一、测量孔隙度的方法

在德国铸造协会(VDG)-<<说明书/操作设备准则>>P202,“铝合金、镁合金及锌合金铸件体积收缩”2010年9月对许多检测方法的测定值,使用条件及结果评价作了详细介绍(表1)。
目前,许多要求高技术含量产品的压铸厂家,不仅在用随机取样检查孔隙度进行评价,更多的是在追踪整个加工过程,了解压铸工艺的全过程。同时将部分有孔隙的不合格铸件,在机加工前剔出去。潜藏的孔隙在切削加工时会暴露,导致废品。在机加工前,严把检查关,避免由于机加工消耗所造成的经济损失。
适合于此要求唯一的检查方法是新开发的快速跨线计算机层析X射线摄影术(图1)。采用这样的技术有可能在极短压铸循环时间内(20-100S),深入评价一个压铸件在孔隙显现方面的综合质量。铸造专家以此能够对一个构件质量评价,及时调整改变压铸造工艺技术参数。

因此,根据产品类型及批量的不同,有两种不同的检测方法:
1、在多种产品类型的压铸车间内,如果不是在线(即不是在加工流水线)检查,而是在加工线之旁检查,可在确定的间距内,对各压铸单元的铸件进行扫描,立刻显示结果。
2、在大批量系列加工时,只有一种铸件或较少的铸件种类,可以将快速CT直接归入流水线,每个被扫描的铸件与质量标准对比(质量标准处于计算机内),自动显示所不希望的偏差,并及时中断信号,将有问题的铸件通过机械手移去。
这样的作法不仅顾及铸造工艺,对下一步的加工工艺也作了预先考虑。
采用这样的方法,可以减少对不允许有明显缺陷的零件加工,或者将此有缺陷的零件在加工工序之前就剔出去。

据文献介绍,目前所有医疗上的计算机层析X射线摄影是以螺旋方法工作,此时,所研究的物体以固定的速度,沿其纵向轴通过射线层面运动,而射线源一探测机构以固有的角速度转动。按照此仪器,多个轴向层面同时读入。因此,该方法比较快速,对人身体伤害大大减少。
通过优秀的X射线检查装备人员的努力,最近医疗上所用的计算机层析X射线摄影术优点在工业领域转换成无损伤材料检查。此开发项目特有魅力在于,相对于普通的计算机层析X射线摄影,将扫描速度提高几百倍,大大节约了时间。
图2表示一个工业计算机层析X射线摄影结构,通过放大镜观察,可清楚看到配有X射线管、射线场及探测器的跨线桥。


二、孔隙度的重要性
压铸件内的孔隙度,是无所不在的。但是压铸的生产效率高,效益好,加工精度高,可压铸复杂的结构及好的表面质量,这是一个可以接受的事实。  
所有压铸作业参与者(例如汽车工业方面,设计人员及加工专家)以及压铸人员,各自都在努力,将孔隙度的负面作用控制在最低程度。因为孔隙度存在明显的缺点,以致于造成废品:
1、构件主应力方向内的孔隙,在静载荷情况下,会减少横断面,增加应力。
2、孔隙应力集中其中会影响压铸件动强度,成为裂纹的起始点。
3、当铸造坯件不符合加工件功能要求,由于切削加工,表面附近孔隙露出,这会影响功能面,例如:面的断裂或漏孔,使液体或气体漏失。
近来许多科学家对高承载压铸件孔隙影响进行了深入研究。
图3a-c所示孔隙的位置:图3a中的孔隙位于加工余量内,在切削加工时完全去掉,在图3b中的孔隙位于成品(部件)与加工余量间的过渡区,在切削加工时被切开,此时有与孔隙群相通的危险,有可能介质不密封;图3c的孔隙只位于成品部件内,切削加工未触动。

三、通过快速计算机层析X射线摄影了解孔隙度的研究。
1、孔隙度的预告
高承载压铸件的设计人员,以及压铸作业者,在很大程度上对孔隙度预告感兴趣,因为这对于铸件质量及使用条件是一个基本参数。
压铸人员采用软件,对压铸及冷凝过程模拟,以获得推测孔隙第1印象。各种软件系统市场上有销售;例如:MAGMA铸造技术公司的Magmasoft,RWP公司Wincast的软件。
图4表示对机组支架构件,用各种软件模拟获得的结果之例。由图可以看出,在图示内的分析结果是不同的,但描述的是相同的状态。


孔隙形成的原因,在冷凝时体积收缩或在充模时空气的夹杂,模拟软件有可能预告形成孔隙度的危险性,在预告孔隙度时,不但考虑热力学问题,还要考虑流动力学的原因,来进行评价和说明,如图5a-b所示。如果将此图与图6所示的构件实际孔隙的层析X射线照片对比,明显看出,在单个对比中,模拟结果与实际构件之间有差别。综合多个评价及相应的解释,会确认定性的预告和真实性明显接近。当然,定量的推断孔隙的体积及大小是不可能的。

此研究所感兴趣的是孔隙显现从一个压铸过程到另一个压铸过程,在其它相同的工艺参数下,在多大程度上是一致的。图7表示在5个彼此重叠放映的层析X射线照片上,孔隙显现的高度重复精确性。这可以想象,这与相当简单的构件造型有关,因为复杂的构件,由于混乱的流动情况,这样的观察不能证明。在此浇铸的是GD-Alsi9cu合金。
对于铸造专家来说,更感兴趣的是在其它相同的浇注条件下,当更换浇铸合金时,是否会有另一些孔隙显现。为此,浇铸用的是相同的模具,合金为GD-Alsi10MnMg。层析X射线摄影研究结果示于图8,由图可看出出现十分多的孔隙。因此,浇铸合金的冷却状态对铸件的孔隙度有很大影响。

 

 

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