鋁合金壓鑄件脫皮缺陷解決方案研究

張曉光

（上海汽車變速器有限公司，上?！?01807）

Zhang Xiaoguang

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鋁合金壓鑄件脫皮缺陷解決方案研究

張曉光

（上海汽車變速器有限公司，上海201807）

Zhang Xiaoguang

摘要：鋁合金壓鑄件脫皮是一種比較常見的缺陷，該類型的缺陷對(duì)于DCT（雙離合器）系列的變速箱來(lái)說(shuō)是不能容忍的。引起壓鑄件脫皮的原因繁多且復(fù)雜，通過在DCT項(xiàng)目開發(fā)過程中解決殼體脫皮問題，分析脫皮缺陷的基本類型和根本原因，總結(jié)出解決脫皮缺陷的基本思路和方法，供他人參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：脫皮；工藝；模具

1　壓鑄件脫皮現(xiàn)象及特征分類

鋁合金壓鑄件的脫皮現(xiàn)象是指壓鑄件在一定的工藝處理或工況影響下，最后展現(xiàn)出的一種鑄件局部從鑄件基體剝離或待剝離的現(xiàn)象[1]。

在DCT項(xiàng)目開發(fā)過程中，歸納了壓鑄件脫皮現(xiàn)象產(chǎn)生的3種工況：1）鋁合金件壓鑄出來(lái)后未經(jīng)任何處理；2）壓鑄件經(jīng)過拋丸處理后；3）壓鑄件在機(jī)加工、高壓清洗工藝后（清洗壓力：36MPa）。

壓鑄件的脫皮現(xiàn)象按嚴(yán)重程度可分為明顯脫皮（如圖1所示）、半脫皮（如圖2所示）、近似脫皮（如圖3所示）。明顯脫皮是指鑄件局部的金屬皮已經(jīng)從基體脫落，基體表面會(huì)留下殘留凹坑，凹坑邊緣有縫隙；半脫皮是指鑄件局部的金屬皮一部分已經(jīng)從基體上翹起，一部分還未從基體上脫落；近似脫皮是指壓鑄后看不出起皮現(xiàn)象，但鑄件在經(jīng)歷高溫、高壓之后才會(huì)出現(xiàn)脫落或半脫落現(xiàn)象（氣泡缺陷為待脫落缺陷的一種）。

圖2　半脫落現(xiàn)象

圖3　近似脫落現(xiàn)象

2　脫皮缺陷原因分析

脫皮缺陷的產(chǎn)生是由于壓鑄件致密層存在一定的缺陷，在壓力或高溫下該致密層被破壞而產(chǎn)生的金屬皮脫落現(xiàn)象。根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，大致可以將脫皮缺陷的原因歸結(jié)為3大類：1）冷隔的微觀形態(tài)；2）皮下存在微氣孔；3）局部表面致密性不良。

2.1冷隔的微觀形態(tài)

冷隔的微觀形態(tài)是指金屬液體在壓鑄時(shí)由于所受壓力的變化導(dǎo)致充型時(shí)不連續(xù)或不平穩(wěn)。當(dāng)局部模具溫度偏低時(shí)，導(dǎo)致先進(jìn)入型腔的少許液體碰到型壁立刻凝固成表皮層，該表皮層會(huì)很快被水汽和油煙氧化成極薄的金屬層，而后進(jìn)入的金屬液體在其表面覆蓋凝固后形成該層界面。由于該層界面有氧化現(xiàn)象，與基體結(jié)合強(qiáng)度較低，在脫模拉力、內(nèi)部氣體膨脹力以及遇到高溫、噴丸和高壓等外力的作用下，表層容易脫開起皮。

2.2皮下存在微氣孔

部分脫皮是皮下氣縮孔在外力作用下釋放的結(jié)果。如果鑄件直接壓鑄出來(lái)后，表面沒有明顯的脫皮，但在壓鑄件噴丸后才表現(xiàn)出來(lái)，拋丸的強(qiáng)度越大或時(shí)間越長(zhǎng)，脫皮現(xiàn)象就會(huì)越嚴(yán)重，這是由于壓鑄件表面或皮下有微氣孔和氣泡等引發(fā)的脫皮缺陷。

2.3局部表面致密性不良

部分脫皮是由于局部鑄件表面致密性不夠或者嚙合性不佳，在外力作用下致密層破壞引發(fā)的。鑄件在經(jīng)過拋丸處理和高壓清洗后出現(xiàn)半脫落現(xiàn)象是由于表面致密層在2次壓力沖擊下，吸附力最薄弱的表層遭到破壞，從而翻邊或脫落。

3　脫皮缺陷的解決方案

鋁合金壓鑄件脫皮缺陷解決的基本思路是提高脫皮位置金屬液體的融合性、降低鑄件表層的氣孔或微氣孔現(xiàn)象、提高鑄件表層的致密性。

壓鑄件脫皮缺陷解決的基本步驟按照優(yōu)先級(jí)順序可依次歸納為4個(gè)方面：1）壓鑄工藝優(yōu)化；2）模具結(jié)構(gòu)調(diào)整；3）壓鑄原料品質(zhì)改善；4）壓鑄設(shè)備性能保證。

3.1壓鑄工藝優(yōu)化

壓鑄工藝的優(yōu)化主要從模具溫度以及鋁液溫度，涂料的噴涂量以及壓射速度，增壓和局部加壓的時(shí)機(jī)等方面考慮[2]。

模具溫度太低會(huì)導(dǎo)致以噴霧狀流入壓鑄模具腔內(nèi)的金屬液在表面迅速凝固，后續(xù)液體流入后兩者未融合而形成兩重皮。用提高鋁液的溫度來(lái)提高模具溫度，局部關(guān)閉冷卻水從而使脫皮位置溫度升高，加強(qiáng)金屬液體的融合性。但是局部溫度過高會(huì)使形成的表皮出現(xiàn)縮凹或縮裂現(xiàn)象，縮裂后破殼的鋁水會(huì)在表皮形成不牢靠的鋁皮，這時(shí)需要通過冷卻水或提高噴涂量來(lái)降低模溫。

脫模劑噴涂量需要合理控制，噴涂量過多會(huì)使模具表面粘結(jié)的涂料和水分過多，這不僅會(huì)降低模具表面的溫度，還會(huì)加速鋁液填充時(shí)的氧化現(xiàn)象，從而加重脫皮現(xiàn)象。

2級(jí)高速壓射的位置點(diǎn)對(duì)模具的脫皮缺陷有很大的影響。2級(jí)壓射點(diǎn)過遲，會(huì)導(dǎo)致低速壓射進(jìn)入型腔的鋁液在高速壓射的液體未到位就已凝結(jié)，與后進(jìn)入的液體融合不緊密；壓射點(diǎn)過早，澆道中的鋁水會(huì)包裹著大量的氣體產(chǎn)生不規(guī)則的噴射，型腔表面產(chǎn)生的多個(gè)薄層凝結(jié)面會(huì)被水汽或油煙氧化，從而使得薄層之間凝結(jié)不牢靠，在噴丸處理后出現(xiàn)脫皮現(xiàn)象。

表1　工藝優(yōu)化前、后脫皮現(xiàn)象對(duì)比

表1為DCT360變速箱離合器殼體脫皮缺陷工藝優(yōu)化前、后的對(duì)比，優(yōu)化措施概括如下。

1）壓鑄鋁液溫度提高10℃，加強(qiáng)鋁液流動(dòng)性和粘合性。脫皮位置的模具冷卻水關(guān)閉，提高模溫，從160℃～170℃調(diào)整為180℃～230℃。

2）適當(dāng)提高2級(jí)壓射速度，增強(qiáng)鋁液填充流動(dòng)性和粘合性，提高壓力傳遞有效性。

3）提高模具光潔度，增強(qiáng)鋁液流動(dòng)性。

3.2模具結(jié)構(gòu)調(diào)整

模具結(jié)構(gòu)的調(diào)整主要從以下3個(gè)方面考慮，分別是：模具澆鑄系統(tǒng)優(yōu)化、模具排氣系統(tǒng)優(yōu)化和模具區(qū)域網(wǎng)格處理或麻點(diǎn)處理。

模具內(nèi)澆口截面太小，會(huì)導(dǎo)致鋁液在內(nèi)澆口流速快而流量小，較容易產(chǎn)生脫皮缺陷。所以內(nèi)澆口的厚度要盡量厚，較厚的內(nèi)澆口有利于增壓的傳遞，增加填充的流量。

另外，澆道和渣包的合理布置有利于改善型腔的填充效果，避免紊流和重疊流造成的排氣和局部鑄壁嚙合性不佳。同時(shí)也可以改善模具型腔的排氣效果，消除由于排氣不暢造成的氣泡現(xiàn)象，改善脫皮缺陷。

模具網(wǎng)格處理或麻點(diǎn)處理是通過局部區(qū)域加網(wǎng)格筋，使得該區(qū)域的表面積加大，從而改善流態(tài)避免凝固不良，或通過打網(wǎng)格使得模具表面形成凹凸不平的特征，凹處特征可以聚集微量空間從而達(dá)到隔熱效果，提高熔融金屬的流動(dòng)性。

圖4為DCT360變速箱離合器殼體為改進(jìn)脫皮缺陷進(jìn)行模具澆道調(diào)整的方案：1）將圖示區(qū)域已封堵的兩處澆道恢復(fù)；2）完善內(nèi)澆口面積；3）加寬流向輸出軸孔的澆道；4）通過增加渣包來(lái)完善圖示區(qū)域的排氣效果。

圖4　模具澆道調(diào)整方案

圖5和圖6為澆道調(diào)整前、后紊流改善的對(duì)比圖。2圖中箭頭為根據(jù)模流粒子場(chǎng)分析結(jié)果進(jìn)行的流態(tài)人工模擬，從模擬箭頭可以看出，模具的澆道方案進(jìn)行修正后，紊流情況得到明顯改善。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)脫皮率從50％降低到20％。

圖5　澆道調(diào)整前流態(tài)圖

若模具的排氣效果不佳，壓鑄件的氣泡現(xiàn)象會(huì)比較嚴(yán)重，該狀態(tài)的壓鑄件若經(jīng)過高壓清洗等工藝處理，就會(huì)出現(xiàn)半脫皮或脫皮現(xiàn)象。這種情況下可適當(dāng)考慮真空壓鑄，即需修改模具方案，增加真空閥和相應(yīng)的控制單元。為了解決脫皮現(xiàn)象對(duì)DCT360端蓋實(shí)施真空壓鑄。圖7和圖8為真空壓鑄件與未真空壓鑄件烘箱試驗(yàn)后的氣泡情況對(duì)比。通過網(wǎng)格劃分手段來(lái)描述氣泡區(qū)域，可以看出，真空壓鑄后的氣泡數(shù)量和氣泡大小有了明顯減小，產(chǎn)品的近似脫落現(xiàn)象得到改善。

通過以上工藝優(yōu)化處理，產(chǎn)品的脫皮現(xiàn)象有了明顯改善，但還是存在微起皮現(xiàn)象（≤0.6mm），可以在脫皮區(qū)域進(jìn)行麻點(diǎn)或網(wǎng)格處理，從而徹底解決脫皮現(xiàn)象。

圖7　端蓋未真空壓鑄烘箱試驗(yàn)氣泡情況

圖8　端蓋真空壓鑄烘箱試驗(yàn)氣泡情況

圖9　麻點(diǎn)處理殼體

麻點(diǎn)處理以及網(wǎng)格處理可以增加脫皮區(qū)域的鋁液接觸面積或填充區(qū)域，從而改善鋁液的流態(tài)，避免微冷隔現(xiàn)象。同時(shí)模具表面凹凸處理可以在凹處聚集細(xì)小的空氣達(dá)到隔熱效果，這樣會(huì)保持液體金屬的溫度，通過提升液體的融合性來(lái)改善表面致密性。如圖9所示，該產(chǎn)品的微起皮通過麻點(diǎn)處理，有效地杜絕了脫皮現(xiàn)象。此外還有一種相同原理的處理方法，即通過模具被覆工藝（目前模具維護(hù)保養(yǎng)的一種方式，用來(lái)提高模具壽命，預(yù)防、控制粘膜與龜裂）來(lái)實(shí)現(xiàn)接觸面的微觀凹凸處理，從而改善脫皮現(xiàn)象。

3.3壓鑄原料品質(zhì)改善

鋁合金壓鑄件如果鋁液品質(zhì)不好，內(nèi)部組織燒損氧化現(xiàn)象嚴(yán)重，鋁合金液在填充型腔的過程中容易產(chǎn)生隔層。鋁液若提煉不徹底，除渣不干凈，內(nèi)部氧化渣過多或者表皮氧化現(xiàn)象嚴(yán)重，都會(huì)使產(chǎn)品出現(xiàn)脫皮現(xiàn)象。

防止鋁液里有小顆粒狀的冷料，不要讓鋁水出現(xiàn)降溫結(jié)晶，不要在澆勺打料的位置加入爐料。要合理安排熔煉操作工藝，爐料新材料中不允許出現(xiàn)塊狀的結(jié)晶硅。

3.4壓鑄設(shè)備的性能

如果壓鑄設(shè)備的性能受到限制，影響到模具的合模力。合模力不夠或壓鑄設(shè)備的剛性不夠，會(huì)使金屬液體在填充型腔的過程中出現(xiàn)脹型，這時(shí)鋁水會(huì)破殼而出，在產(chǎn)品和模具表面產(chǎn)生薄層，同時(shí)會(huì)影響到鑄件表面的致密性。致密性差或者產(chǎn)生的薄層受到高壓沖擊時(shí)就會(huì)產(chǎn)生脫皮現(xiàn)象。

4　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)脫皮缺陷進(jìn)行現(xiàn)象分類和原因分析，然后針對(duì)脫皮缺陷提出解決方案的優(yōu)先級(jí)順序和解決方法，按重要程度可依次歸納為以下4個(gè)方面：1）壓鑄工藝優(yōu)化；2）模具結(jié)構(gòu)調(diào)整；3）壓鑄原料品質(zhì)改善；4）壓鑄設(shè)備性能保證。并通過實(shí)例進(jìn)行了方法評(píng)價(jià)，按照上述邏輯順序解決了起皮現(xiàn)象，希望能給相關(guān)人員提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]日本鑄造工學(xué)會(huì)，鑄造缺陷及其對(duì)策[M].張俊善，伊大偉（譯）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]黃勇.壓鑄模具簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

收稿日期：2016-02-24

文章編號(hào)：1002-4581（2016）02-0017-04

中圖分類號(hào)：U465

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.02.005