文：重庆工商职业学院智能制造与汽车学院魏显坤、杨兴国

摘要  针对某铝合金曲轴箱壁厚较大部位的缩孔问题进行了分析。从铝合金压铸件缩孔形成机理和实际的缩孔状态出发，采取一系列措施来消除缩孔缺陷。首先，铸造压力从65ＭＰａ提高至90ＭＰａ以及料饼厚度由25ｍｍ 增加到30ｍｍ，但效果很差；然后，改善模具冷却状况，延长脱模剂喷涂时间，效果一般。最后，结合铝液凝固补缩原理，在铸件缩孔区域增加两根挤压销，并合理调节其挤压参数，将铸件缩孔率由最初的５％降低到0.2％，取得了良好的效果。

关键词　曲轴箱；缩孔；冷却系统；补缩；挤压销

缩孔常出现在铸件壁厚较大或者易形成热节的位置。一般来讲，只要缩孔不影响产品的使用性能，都判定其合格。然而，对于一些重要部位，如汽车发动机缸体的冷却水道孔或润滑油道孔，不允许出现缩孔。某铝合金发动机曲轴箱采用布勒28000ｋＮ 冷室压铸机铸造，材质为 ＡＤＣ12合金，成分见表１。铸件毛坯质量为6.3ｋｇ，进行 Ｘ 射线探伤时发现第二个曲轴轴承孔油道出现缩孔，离油道约8 ｍｍ，存在较大的漏油风险。据统计，2017年因该处缩孔而导致的报废率为５％。

本课题从铝合金压铸件缩孔的形成机理和铸造条件出发，分析铸件产生缩孔的原因，寻求改善措施。

１、铝合金压铸件缩孔形成机理及形态

导致铝合金压铸件缩孔的原因较多，常见的原因有：①模温梯度不合理，导致铝液局部收缩不一致；②铝液浇注量偏少导致料饼薄，增压阶段补压不足；③模具存在热节或尖锐区域；④模具的内浇口宽度不够、面积较小，导致铸件过早凝固，增压阶段压力传递受阻、铝液无法补缩；⑤铸造压力设置过低，补缩效果较差。图 １为铝合金压铸件缩孔形成的示意图。

缩孔常出现在铸件壁厚较大、模具尖角和模温温差较大等区域。图２为某款发动机曲轴箱缩孔形态，缩孔呈近椭圆状，距离轴承油道孔约10 ｍｍ，内壁粗糙，无光泽。缩孔区域铸件壁厚较大，约为22ｍｍ；油道孔销子前端无冷却水，模温较高。汽车发动机曲轴的两大轴颈（主轴颈和连杆轴颈）工作载荷较大，磨损严重，工作时必须进行压力润滑。在此情况下，轴颈的油道孔附近若存在缩孔，将会严重影响润滑效果。

２、缩孔影响因素及防止措施

铝合金压铸件产生缺陷的原因有铸件本身的结构特征、浇注系统及冷却系统设计不合理、工艺参数设计不合理等原因。根据常见的铸造缺陷原因以及铝合金铸件缺陷处理流程，寻求解决铝合金压铸件厚大部位缩孔的相应措施。

２．１　压力的影响及改进措施

通过现场测量，模具内浇口厚度为4ｍｍ，计算的内浇口速度为40ｍ／s，铸件壁厚最薄处为4.6 ｍｍ，料饼厚度为25 ｍｍ，铸造压力为60 ＭＰａ。由经验可知，模具设计符合铸件的结构特征，模具浇注系统应该不存在增压阶段补缩不足的问题。但是，增压阶段的铝液补缩与料饼厚度和增压压力有直接关系，合适的料饼厚度与铸造压力才能形成内部组织致密的铸件，因此，可以认为缩孔是由铸造压力偏低和料饼偏薄而导致的。前期消除铸件缩孔的措施为：①铸造压力由65ＭＰａ提高至90 ＭＰａ；②料饼厚度由原来的25 ｍｍ 调整为30ｍｍ。采用上述措施后，经过小批量验证，缩孔率由５％减低为4.8％，效果不明显。

２．２　模具温度的影响及措施

由于引起铸件缩孔的本质是铝液凝固时补缩不足而导致，而模具温度分布不均容易导致铝液凝固顺序不合理，从而导致补缩不足，因此，考虑调整模具温度。

由铸件3Ｄ 模型可知，缩孔处壁厚为22.6ｍｍ，壁厚较大，容易导致较高的模具温度。铝液凝固时，由于壁厚较大处铝液温度较高，尚处于液相或者固液混合相，而此时内浇口补缩通道可能已经凝固，因此，在增压阶段铸件无法进行铝液补缩，从而有形成缩孔的可能。

为确保合适的模具温度，采用热成像仪测得脱模剂喷涂后模具最高温度为272 ℃，高于正常的模具喷涂后温度，其他区域模具温度及其分布整体正常，因此，需要降低缩孔处模温。另外，测得此处冷却水孔底部距离模具型腔表面距离为20 ｍｍ，因为较大的热传递距离会降低模具的冷却效果，所以需要对冷却水孔进行修改。

为降低缩孔处模具温度，主要采取３个方法：①改进模具冷却系统。将缩孔附件的冷却水孔深度加深，由距模具表面20ｍｍ 变成12ｍｍ，以此快速带走附近模具热量，降低模温；将所有模具冷却水管统一编号，一一对应，防止模具装配时装错，影响冷却效果；②降低浇注温度，由675 ℃降到645 ℃；③延长缩孔处模具喷涂时间，由2ｓ调整为3ｓ。实施上述措施后，缩孔区域模具喷涂后温度大幅度降低，约为200 ℃，属于正常范围。缩孔率由4.8％降低到４％，说明这种措施对缩孔具有一定效果，但不能彻底解决。

２．３　增设挤压销

通过前面两次改善，基本保证压铸模具处于理论上的合理状态，即浇注系统设计合理、冷却系统布置合适，工艺参数设计最优。铸件缩孔处壁厚为22.6ｍｍ，远大于其他部位的壁厚，较大的壁厚可能引起铸件中心凝固时补缩不足，增压结束后此区域还没有完全凝固，继续收缩产生缩孔，模拟分析见图3。一般来讲，铸件补缩通过料饼→浇道→内浇口→铸件进行。由于铸件厚大部位后于内浇口凝固，切断了增压后期的补缩通道，因此无法实现补缩。

采取的措施是在铸件缩孔附近增加一个类似渣包结构来充当料饼，利用一副油缸抽芯机构充当冲头，在铸件凝固后期对易产生缩孔的区域进行二次增压补缩，以达到消除缩孔的目的。加压凝固能够改变金属及其合金物理参数和结晶过程，改变缩孔的分布和尺寸，提高铸件的致密度，改善铸件的抗拉强度和硬度等。

根据铸件补缩、增压规律，挤压销动作信号采用铸造过程的增压信号，并在此基础上延迟作为启动信号，因此，主要控制挤压销的挤压深度和挤压延迟时间。

挤压深度依铸件结构和缩孔分布、大小而定，一般为10～20ｍｍ；挤压延时主要参考增压时间设定，一般为2～5ｓ。实际生产中，挤压参数的确定是在经验值的基础上根据铸造情况再作优化。为了方便调整挤压参数，通常采用单独油缸控制挤压销动作。

针对曲轴箱铸件，后期的改善措施为在模具轴承孔附近对称布置两根挤压销（位置见图４），通过调整挤压深度和挤压延时来优化挤压销的二次加压的补缩效果，降低铸件缩孔率。在前述措施的基础上，模具增加两根挤压销后缩孔率明显下降，不良率由4％降低到0.2％。同时，在0.2％的缩孔不良品中，其缩孔大小明显减小。但是，在改进过程中，铸件缩孔不良率也曾出现过波动现象，通过优化，使挤压深度为15 ｍｍ、挤压延迟时间为2.5ｓ和规定挤压销使用寿命（8000模／次）等相关规范，使铸件缩孔率稳定在0.2％左右。

图５为铸件缩孔区域改善前后的 Ｘ射线探伤对比。可以看出，改进前铸件缩孔出现在轴承孔附近，分布较广且分散，组织较为疏松。通过优化后，从 Ｘ射线探伤照片上已看不出缩松和缩孔分布，铸件内部组织更加致密。

３、结论

（１）缩孔易出现在铸件壁厚较大、模温较高等区域。通常从模具设计（浇注系统、冷却系统）、工艺参数设置和铸造条件保证等方面改进，但效果一般。

（２）仿照冲头在增压阶段的补缩作用设计了两根挤压销，对缩孔区域起到了二次加压的补缩作用，效果较为明显，使铸件缩孔率由5.0％降到0.2％。