当前位置: 技术 > 铝合金压铸
铝合金曲轴箱压铸件缩孔分析及对策
发布时间:2020年05月21日 18:00


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%。