摩托車鋁合金缸體壓鑄工藝參數(shù)優(yōu)化

李 洋，張春香，關(guān)紹康，李海鵬，曾 博

(1.鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001;2.鄭州大學(xué)研究生院，鄭州 450001)

缸體是摩托車的關(guān)鍵零件之一，是整車動力產(chǎn)生的發(fā)源地.壓鑄以其鑄件精度高、組織致密、力學(xué)性能好等特點(diǎn)成為摩托車中缸體等鑄件的主要加工方法［1］.然而，由于壓鑄是金屬液在高壓作用下高速充填型腔，即金屬液充型速度快，常常在工藝參數(shù)設(shè)定不合理的情況下產(chǎn)生紊流，使金屬液卷入較多氣體，形成氣孔缺陷［2－4］.同時(shí)，由于卷入氣體，增加鋁液內(nèi)部的氧化夾雜，降低鋁液的流動性，使補(bǔ)縮不易而在鑄件內(nèi)部形成縮孔縮松.因此，氣孔和縮孔縮松是壓鑄鋁合金缸體的主要缺陷［5－6］.

本文基于正交試驗(yàn)方法，利用AnyCasting鑄造數(shù)值模擬分析軟件，系統(tǒng)研究了工藝參數(shù)對摩托車缸體鑄件缺陷的影響規(guī)律，并從中優(yōu)選出一組最佳的工藝參數(shù)，以期減少鑄件缺陷，降低廢品率，提高鑄件質(zhì)量.

1 試驗(yàn)

本試驗(yàn)壓鑄件為GCCJXL－6系列摩托車缸體(見圖1)，該鑄件輪廓尺寸為125 mm×110 mm×85 mm，質(zhì)量為1.2 kg.鑄件結(jié)構(gòu)形狀較復(fù)雜，壁厚不均勻，最大壁厚13 mm，最小壁厚僅1.5 mm.

圖1 缸體壓鑄模型

材料為共晶型AlSiCu合金ADC12(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)).壓鑄設(shè)備為意斯特300T臥式冷壓室壓鑄機(jī)，壓室總長度為398 mm.在壓鑄過程中，影響鑄件質(zhì)量的參數(shù)很多，如模具溫度、澆注溫度、慢壓射速度、快壓射速度、快壓射切換點(diǎn)位置、壓射比壓、增壓比壓、留模時(shí)間等，每個(gè)參數(shù)都有較大的取值范圍，需要選取重要參數(shù)并設(shè)定合理的變化水平值進(jìn)行優(yōu)化.依據(jù)生產(chǎn)實(shí)際及相關(guān)文獻(xiàn)，認(rèn)為對該鑄件質(zhì)量起決定作用的是快壓射速度、快壓射切換點(diǎn)位置(慢速壓射階段結(jié)束，快速壓射階段開始時(shí)的位置點(diǎn))和模具溫度這3個(gè)參數(shù).而其他它參數(shù)，則按其特點(diǎn)和生產(chǎn)實(shí)際情況設(shè)置成某個(gè)定值，而不考慮它們的影響［7－8］.各因素及水平值的擬定如表1所示.

表1 試驗(yàn)因素水平表

2 模擬試驗(yàn)結(jié)果與討論

按照L16(45)標(biāo)準(zhǔn)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)(表2)，采用 AnyCasting軟件模擬鑄件壓鑄過程［9－11］.試驗(yàn)結(jié)果以鑄件的縮孔縮松、氣孔及其孔隙值總和作為評價(jià)指標(biāo)，孔隙值的測定通過ImageJ軟件實(shí)現(xiàn).在鑄件模型上選取3個(gè)剖切面(Y=－53，Y=－26，Y=－1)，以 3個(gè)剖切面上縮孔縮松孔洞面積之和作為評價(jià)縮孔縮松缺陷的指標(biāo)，以X=66(充型85%時(shí))和X=－25(充型55%時(shí))兩個(gè)剖面上氣孔孔洞面積之和作為評價(jià)鑄件中氣孔缺陷的指標(biāo)(圖1).孔洞面積越大，則說明鑄件在相應(yīng)部位出現(xiàn)縮孔縮松或氣孔的概率越大.試驗(yàn)結(jié)果及分析如表2所示.

表2 正交模擬試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

2.1 快壓射速度對鑄件缺陷的影響

圖2是不同快壓射速度時(shí)鑄件中縮孔縮松、氣孔及其孔洞總面積的變化趨勢.從圖2可以看出，隨著快壓射速度的增加，氣孔孔洞面積及孔洞總面積均不斷增大，而縮孔縮松孔洞面積有減小趨勢，但減小幅度不明顯.這說明隨著快壓射速度的增大，鑄件充型過程中卷氣量逐漸增加，成型后鑄件內(nèi)部氣孔增多，而鑄件內(nèi)部的縮孔縮松變化不明顯，因此，鑄件缺陷總體呈現(xiàn)的變化趨勢是隨壓射速度的增加而增加.

圖2 快壓射速度對鑄件缺陷的影響趨勢

通?？蓪⒊涮钏俣确譃楦摺⒅?、低3類，在低充填速度的情況下可獲得層流式充填，在中等充填速度情況下會產(chǎn)生連續(xù)的紊流式充填，在高充填速度的情況下則會產(chǎn)生彌散式充填.層流式充填時(shí)通常不出現(xiàn)卷氣現(xiàn)象，只有在紊流式充填和彌散式充填時(shí)才會卷入空氣［12］.由于充型線速度與快壓射速度成正比，在其他條件不變時(shí)，當(dāng)快壓射速度增大時(shí)，充型線速度增大，金屬液經(jīng)由內(nèi)澆口紊流式或彌散式充填鑄型，卷氣嚴(yán)重，同時(shí)較高的充型線速度還對應(yīng)較短的充型時(shí)間，使型腔內(nèi)的空氣來不及排出鑄型，這也增加了金屬液的卷氣量［8］.低的快壓射速度雖利于充型過程中的排氣，但它對應(yīng)著較長的充型時(shí)間，當(dāng)充型結(jié)束時(shí)，合金液的溫度下降較多，使得凝固過程中合金液的補(bǔ)縮能力減小，縮孔縮松的傾向可能增加.此外，低的快壓射速度對應(yīng)著低的壓射比壓，可能導(dǎo)致鑄型的深腔部位澆不足，鑄件表面光潔度較差［13］.

極差分析結(jié)果表明，快壓射速度對縮孔縮松及氣孔的影響均排第二位(表2)，但它對縮孔縮松的影響不顯著，而對氣孔的影響顯著(圖2).因此，從減少鑄件內(nèi)部氣孔的角度考慮，應(yīng)選擇最低的快壓射速度.但考慮到該鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，最小壁厚(1.5 mm)處位于鑄型的深腔部位，若快壓射速度過小，容易導(dǎo)致鑄件澆不足等缺陷，故最佳的快壓射速度宜取2.0 m/s.

2.2 快壓射切換點(diǎn)位置對鑄件缺陷的影響

圖3是不同快壓射切換點(diǎn)位置對鑄件中縮孔縮松、氣孔及其孔洞總面積的影響，可以看出，隨著快壓射切換點(diǎn)位置的增大，孔洞總面積及氣孔孔洞面積均是先略微增大后減小，縮孔縮松則是略有增加.快壓射切換點(diǎn)位置越小，則快速壓射行程越長，壓射過程中卷氣的時(shí)間也越長，卷氣量越多.隨著快壓射切換點(diǎn)位置的增大，慢速壓射行程延長，而慢壓射階段，金屬液充型平穩(wěn)，卷氣量減少.但并非快壓射切換點(diǎn)位置越大越好，切換點(diǎn)位置越大，則慢速壓射行程越長，慢速壓射所用時(shí)間越多，金屬液降溫也將越多，補(bǔ)縮能力下降，縮孔縮松孔隙值會相應(yīng)增加.

極差分析結(jié)果表明，快壓射切換點(diǎn)位置對鑄件縮孔縮松的影響排第3位，對氣孔的影響排第1位(表2)，對縮孔縮松的影響不顯著，而對氣孔的影響高度顯著(圖3).因此，從影響氣孔孔洞面積的角度考慮，應(yīng)選擇最大的快壓射切換位置.但考慮到過大的快壓射切換位置使得充填時(shí)間延長，充填過程中溫度下降較多，容易導(dǎo)致該鑄件薄壁部位澆不足，故最佳快壓射切換點(diǎn)位置取280 mm為宜.

圖3 快壓射切換點(diǎn)位置對鑄件缺陷的影響趨勢

2.3 模具溫度對鑄件缺陷的影響

圖4是不同模具溫度時(shí)鑄件中縮孔縮松、氣孔及其孔洞總面積的變化趨勢.從圖4可以看出，隨著模具預(yù)熱溫度的升高，鑄件中縮孔縮松孔洞面積、氣孔孔洞面積以及孔洞總面積均逐漸減小，且縮孔縮松孔洞面積的變化趨勢很明顯，而氣孔孔洞面積的減小趨勢相對較小.

模具溫度越高，金屬液降溫就越慢，金屬液補(bǔ)縮能力越強(qiáng)，則形成縮松縮孔的傾向越小.同時(shí)金屬液降溫慢，還有利于卷入金屬液中的氣體自行逸出金屬液，減少氣孔缺陷.另外，較高的模具溫度還能減少壓鑄件及模具中的熱應(yīng)力，有利于減少鑄件變形，延長模具的使用壽命［14］.

極差分析結(jié)果表明，模具溫度對鑄件縮孔縮松孔洞面積的影響排第1位，對氣孔的影響排第3位(表2)，它對縮孔縮松的影響高度顯著，而對氣孔的影響不顯著(圖4).因此，從影響鑄件縮孔縮松孔洞面積的角度考慮，選擇較高的模具溫度比較有利.但太高的模具溫度會引起鑄件粘型;使壓鑄后鑄件在鑄型中停留時(shí)間延長，降低生產(chǎn)效率［15］，因此，選擇240℃為模具最佳溫度.

圖4 模具溫度對鑄件缺陷的影響趨勢

綜上所述，得到的最佳工藝參數(shù)為快壓射速度2.0 m/s、快壓射切換位置 280 mm、模具溫度240℃.由于最佳工藝參數(shù)在正交試驗(yàn)中并沒有出現(xiàn)，為了進(jìn)一步研究這組工藝參數(shù)的可靠性，將它與原始工藝參數(shù)(正交試驗(yàn)中的第1組參數(shù))進(jìn)行模擬對比，如圖5所示，圖5(a)～(c)及(f)～(h)中的色標(biāo)表示鑄件凝固后發(fā)生縮孔縮松缺陷的可能性大小，白色圈內(nèi)處出現(xiàn)孤立的液相區(qū)域，在這些區(qū)域因凝固過程中得不到有效補(bǔ)縮而產(chǎn)生縮孔縮松缺陷.圖5(d)～(e)及(i)～(j)中白色圈內(nèi)的淺色區(qū)域是尚未被合金液填充的區(qū)域，即是氣孔存在的區(qū)域.

圖5 各剖切面縮孔縮松及氣孔缺陷模擬結(jié)果

表3是圖5中剖切面孔洞面積的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.結(jié)果顯示，優(yōu)選方案的孔洞總面積為277.635 mm2，小于原始方案的孔洞總面積390.727 mm2，說明優(yōu)選參數(shù)可靠.

表3 圖5中剖切面孔洞面積的ImageJ軟件統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.4 優(yōu)選工藝方案的驗(yàn)證

2.4.1 鑄件的密度及密度變化率

將汽缸體鑄件切割成6部分，將每一部分用水清洗干凈后吹干，分別測得每部分的質(zhì)量，并用排水法測量每部分的體積，算出鑄件的平均密度ρ0;將所有部分放在熱處理爐中加熱到520℃并保溫2 h后取出，再測算出熱處理后鑄件的平均密度 ρ，則密度變化率 Δρ=(ρ0－ρ)/ρ0.密度變化率越小，則說明成型過程中卷氣越少，工藝參數(shù)越合理［6］.

表4是鑄件熱處理前后密度及密度變化率.從表4可以看出，優(yōu)選工藝方案相對于原始工藝方案，鑄件熱處理前后的密度值增大，而密度變化率的值減小.這說明經(jīng)優(yōu)選工藝參數(shù)生產(chǎn)出的鑄件致密度增大，鑄件內(nèi)部氣孔減少［16］.

表4 鑄件熱處理前后密度及密度變化率

2.4.2 鑄件端面的微觀孔洞分析

將鑄件上、下端面分別切割成6部分和4部分，每一部分利用OM金相顯微鏡隨機(jī)選擇10個(gè)視場拍攝50倍金相照片，然后將上端面60張照片，下端面40張照片分別進(jìn)行無縫拼接(圖6(a)和(b))，以便較全面的反映出端面孔洞的實(shí)際情況［17］.最后利用 ImageJ軟件統(tǒng)計(jì)上、下端面孔洞面積及孔隙率.統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示，優(yōu)選方案生產(chǎn)的鑄件相比于原始工藝方案，上端面孔隙率(孔洞所占面積百分比)減少約21%，下端面孔隙率減少約68%.

圖6 鑄件上、下端面孔洞圖

表5 端面孔洞面積的ImageJ軟件統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.4.3 鑄件廢品率檢測

分別取原始工藝參數(shù)和優(yōu)選工藝參數(shù)生產(chǎn)的相應(yīng)鑄件100件，進(jìn)行試漏檢驗(yàn).待加工成成品后，觀察汽缸體大小端面是否有孔洞，滲漏與端面有孔洞的鑄件均為廢品.根據(jù)統(tǒng)計(jì)，優(yōu)選方案相比于原始方案，鑄件廢品率從14%降低到了5%，降低幅度較大.這說明優(yōu)選的工藝參數(shù)可靠，能夠用于實(shí)際生產(chǎn).

3 結(jié)論

1)模具預(yù)熱溫度對鑄件縮孔縮松傾向的影響最大，且高度顯著.快壓射速度和快壓射切換點(diǎn)位置的影響均較小，且不顯著.鑄件縮孔縮松傾向隨著模具預(yù)熱溫度和快壓射速度的增大而不斷減小，隨快壓射切換點(diǎn)位置的增大而增大.

2)快壓射切換點(diǎn)位置對鑄件充型過程中卷氣量的影響最大，且高度顯著;快壓射速度的影響次之，顯著;模具預(yù)熱溫度的影響最小，不顯著.卷氣量隨快壓射切換點(diǎn)位置的增大基本呈下降趨勢，隨快壓射速度的增大而增大，隨模具溫度的升高略有減小.

3)本實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得到的參數(shù)為:快壓射速度2.0 m/s、快壓射切換位置280 mm、模具預(yù)熱溫度240℃.優(yōu)選工藝參數(shù)相比較于原始工藝參數(shù)，鑄件致密度增大，鑄件上、下端面孔隙率分別減少約21%和68%，鑄件廢品率從14%降低到了5%.

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