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压室表面品质对压铸充型补缩过程的影响

作者:admin 来源:原创 发表时间:2019-10-12
 
 
中信戴卡股份有限公司 戴川、万雅春、陈志
    摘要 以某铝合金气缸盖压铸件为例,通过对其品质异常时间段内的补缩相关过程参数进行排查分析,阐述了压射室质量状态对其品质的影响。结果表明,压射室内腔粘铝将显著降低保压过程冲头对压力的传递,导致浇道对热节位置的补缩效果减弱后出现缩松缺陷。全自动生产设备实时监控系统有助于反馈设备的运行情况,但还不能准确反馈冲头运行时所受的阻力变化对压射及保压过程的影响,因此压射室表面品质的精细化管理非常重要。
    关键词 实时监控;压铸;铝合金;压射室;缩松
 
    随着汽车工业的迅猛发展,汽车逐渐向高性能、低能耗、低污染方向发展,也由此提出了越来越高的车身减重及材料轻量化需求。铝合金拥有优良的比强度及耐腐蚀性,在汽车车身、底盘及动力总成结构上应用越来越多。常见的汽车铝合金发动机铸件有缸体、缸盖、罩盖、油底壳等,采用高压铸造,可满足大批量生产的尺寸精度、力学性能及密封性要求。
 
    缩松是铝合金压铸件的常见缺陷。压铸件一般允许存在少量缩孔,但是出现在产品的功能区域时(如精加工面、高压油道附件、密封表面等)会影响其使用 性能,严重时直接导致铸件报废。关于铝合金压铸件常见的缩松缺陷改进方法已有报道,但关于全自动化压铸生产过程中压铸件品质与铸造过程参数之间的关系报道很少。本课题以某铝合金气缸盖压铸件为例,以全自动化生产过程中出现的缩松问题为切入点,结合压铸机的实时控制系统基本原理,讨论了压铸机实时监控的压力与铸造压力之间的关系以及压射室状态对铸造压力及铸件品质的影响。
 
1、压铸件及其铸造工艺
    图1为 AlSi9Cu3合金压铸气缸罩盖,其轮廓尺寸为156mm×260mm×428mm,平均壁厚为3.6mm左右,质量为2.9kg。铸件整体结构复杂,壁厚不均匀,最厚处为8mm,最薄处为2.5mm。采用16000KN 冷室压铸机,配有真空系统ABB 取件机器人、自动喷涂
机器人及切边机等,整个铸造循环过程以全自动化状态运行,压铸机能对压铸过程工艺参数进行实时监控及反馈,如速度、油压、填充时间及料饼厚度等。采用模温机和冷却循环水对模具温度场进行控制,根据铸件品质潜在失效点设计了不同冷却循环通道,并通过铸造工艺的优化,试图解决关键热节区域的缩松问题。
 

 
2、缩松失效机理分析
    为达到汽车轻量化目的,发动机进行了大量的零部件结构优化,优化后发动机比旧款发动机的质量减轻了14.7kg。如将高压油泵座、凸轮轴轴瓦及气缸盖进行了一体化整合,整合后各零件之间相交的区域形成了壁厚区,如气缸盖高压油道附近的壁厚达8mm 左右,远高于铸件的平均壁厚,成为了热节,工艺控制难度增加,油道附近的缩松会导致气密检测时不合格。图2为汽缸盖壁厚分析及高压油道位置。为保证高压油道位置在铸造过程中得到有效补缩,对模具开发进行了两方向的优化。一是设计了一股大截面积的分支浇口,保证了模具高压油泵侧复杂结构的铝液充填流量及对热节的补缩效果,见图3;二是在高压油道位置成形的凸轮轴型芯内部设计了冷却水路,并采用模温机控制型芯温度,见图4。高压油道位置的冷却及补缩失效,会导致高压油道位置出现缩松,因此需要找到所有的影响因素并保证过程受控。
 



 
3、量产过程缩松产生原因分析
    在正常量产过程中,汽缸罩盖出现了高压油道孔缩松缺陷,见图5。根据高压油道缩松产生机理,推演出全自动压铸生产状态下所有可能对填充、补缩及冷却有关的过程参数,查找失效原因及过程控制遗漏项,见表1。




 
通过表1提供的潜在失效排查结果可知,与铝液填充、补缩及模具冷却相关的参数里除压室表面品质不好(内部粘铝,见图 6),其他均正常。为进一步确认压室质量对压射过程的影响,保证其他铸造参数不变,将压室更换后生产,汽缸罩盖品质合格、稳定,见图7。
 

 
4、压室对铸件品质影响的机理
    根据分析,压室内表面品质不良引起了压射及补缩过程的不稳定,通过压铸机的实时监控功能并未有效反馈出这种异常(最大速度Vm和最大压力Pm3未发现明显波动),压射曲线也无明显变化。结合压铸机的液压原理及铝液充填过程,分析了设备监控的压力与铸造压力之间的关系及压射室状态对真实压力产生的影响。结合压铸机的液压原理可知,通过放置的压力传感器可检测到压铸机压射油缸内的油压变化,同时数据会实时反馈至压铸机控制系统,进行过程控制。其中,增压结束后压射油缸无杆腔内的最大油压Pm3为工艺控制的重点监控项,即压力表测量最大值 见图 8“01M01”,它能有效监控“压射油缸密封、蓄能器蓄能油压、增压动作”是否正常运行,但不能反映出保压过程真实作用在铝液上的铸造压力。铝液在型腔内填充及补缩过程中,冲头在粘铝的压室内腔运行时受到更大的前进阻力,而冲头对料饼的挤压又是浇道补缩的能量来源,压力传递效果的下滑将显著影响压铸过程,导致压铸件内部缩松。
以上过程可用公式表示为F3=F1-F2


 
式中,F3为铝液实际获得的铸造压力;F1为设备输出的压力,可实时反馈;F2为阻力,主要来源于两方面:①冲头在压室内运动受到的摩擦力,该力无法检测;②A 腔的油压,凝固保压过程中 A 腔与压铸机油箱贯通,内部压力可忽略不计。因此,在压铸机蓄能压力稳定的情况下,铸造压力与冲头所受阻力呈现负相关,即阻力增加,压力减小。
 
5、压室品质的精细化管理
    通过以上分析,可以发现压室品质下降将显著减弱冲头对铝液的补缩能力,影响压铸件内部组织 的致密性。为进一步保证压铸生产过程品质的稳定性,对压室的精细化管理做了深入分析和优化,保证了压室在有效寿命内运行,压铸件品质得到持续稳定控制,见表2。

 

 
6、结 语
    综上所述,压射室的品质对铸造补缩过程有显著影响,压射室内腔粘铝对冲头运行形成阻力,将减弱压力传递从而导致铸造压力下降,影响压铸件内部品质。此外,实时监控的压铸机还不能准确反馈冲头运行时所受的阻力变化对补缩过程的影响,过程控制中必须添加压射室质量的人工检查确认,同时压射室必须纳入重点备件管理体系,保证压室在有效寿命内运行,如此才能保证压铸件品质的持续稳定。
 
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