淺談電動機殼體鑄造氣孔缺陷分析及改進

李 長

（廣東鴻興精密科技股份有限公司,廣東肇慶 526020）

電機殼體是電動汽車電機最重要組成部件之一。筆者公司生產(chǎn)一款電機殼體毛坯，其中氣孔不良缺陷占整體生產(chǎn)總數(shù)量40%以上，嚴重影響產(chǎn)品可靠性和外觀質(zhì)量。隨著公司降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效益的需要，針對氣孔不良問題，進行相關(guān)改善。

1 電機殼體結(jié)構(gòu)及工藝簡介

（1）電機殼體為圓柱體結(jié)構(gòu)，外形尺寸為?250mm,內(nèi)腔尺寸為?218mm，高度為186mm。

（2）主要砂芯結(jié)構(gòu)為兩個螺旋型結(jié)構(gòu)，采用覆膜砂材料J4K 組合而成。

（3）毛坯材質(zhì)為ZL101A 鋁材，澆注鋁液溫度為730℃，毛坯重量約為18kg,采用重力鑄造工藝，反轉(zhuǎn)澆注。毛坯示意圖如圖1 所示，澆注方式見圖2。

圖1 電機殼體

圖2 澆注方式

2 氣孔缺陷特征和原因分析

2.1 氣孔位置及特征

通過小批量生產(chǎn)驗證，從不良缺陷統(tǒng)計表中，不良類型第一位是氣孔不良。氣孔主要位置集中在模具上型位置毛坯平面，一般需要加工后才能顯現(xiàn)出來，表面光滑，呈橢圓形或不規(guī)則孔洞，如圖3 所示。

圖3 氣孔不良部位

2.2 缺陷不良分析

鑄造過程中的氣體主要來自于熔煉過程、澆注過程和鑄型三個方面。

針對電機殼體氣孔不良發(fā)生原因從人、條件、料、法、模具方面進行分析，如圖4 所示。

圖4 人、機、模具、條件、料分析

2.2.1 從人的角度進行分析

目前我司重力鑄造生產(chǎn)工藝采取機械手取鋁水澆注，員工每次放置砂芯入模內(nèi)型腔，鑄造生產(chǎn)前，員工對鑄造機設(shè)備參數(shù)進行點檢確認，按照作業(yè)指導書進行操作，確保操作過程中沒有發(fā)生質(zhì)量問題。人的因素不是主要原因。

2.2.2 從材料的角度進行分析

在熔煉過程中，氣體主要來自于各種爐料、爐氣、爐襯、工具、熔劑及周圍氣氛中的水分、氮、氧、氫等燃燒產(chǎn)生的碳氫化合物。而鋁在400℃以上即可發(fā)生金屬與水汽的反應(yīng)而產(chǎn)生氣體。排查我司熔煉鋁液的含氫和含渣量以及鋁液成分規(guī)格均在合格范圍內(nèi)。熔煉和鋁液的因素不是主要原因，如圖5 所示。

圖5 熔煉鋁液的含氫和含渣量檢查

電機殼體鑄造工藝是需要結(jié)合砂芯才能鑄造成型的。由于砂芯材料需要樹脂粘結(jié)劑粘合，在鑄造過程中，型砂中的水分和粘結(jié)劑在金屬液體的熱作用下產(chǎn)生大量氣體。若增加鑄型中的粘結(jié)劑含量，發(fā)氣量會增大；澆注溫度高，產(chǎn)生的氣體量多。發(fā)氣量最大的粘結(jié)劑也常具有最快的發(fā)氣速率，發(fā)氣量大，發(fā)氣速率高，會在金屬鑄型界面造成較大背壓，往往會引起氣體缺陷，如會導致侵入鑄件內(nèi)形成侵入性氣孔。因此，砂芯發(fā)氣量多少是氣孔產(chǎn)生不良主要原因之一，如圖6 所示。

圖6 鑄造通過放置砂芯成型

2.2.3 從鑄造條件參數(shù)進行分析

電機殼體鑄造鋁液澆注，采取機械手澆注。排查生產(chǎn)過程，機械手行程、動作連續(xù)性和澆注時間等記錄參數(shù)，在規(guī)格范圍內(nèi)，不是主要因素。根據(jù)鑄件的表面外觀檢查確認，鑄件本體與冒口，不存在外觀質(zhì)量問題，排除澆注速度太慢或澆注中有斷流，造成外觀質(zhì)量不良。

2.2.4 從模具和澆注系統(tǒng)進行分析

分析澆注系統(tǒng)：該澆道采用半封閉式澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆道在鑄件齒輪面位置。直澆道是上小下大圓錐形，能夠很快充滿，控制流量的阻流斷面在集渣包出口處。根據(jù)模流軟件Anycasting 分析結(jié)果，澆道前期的鋁水從內(nèi)澆道底部進入，分兩側(cè)并向上漸漸充盈，造成鋁水易產(chǎn)生紊流，易裹氣、吸氣，導致產(chǎn)生的氣體集中在模具上型，無法順利排出。模具和澆注系統(tǒng)設(shè)計不合理是主要原因之一，如圖7 所示。

圖7 通過模流分析氣體集中上部沒法排出

2.2.5 從方法的角度進行分析

根據(jù)鑄造現(xiàn)場作業(yè)文件和鑄造條件設(shè)置參數(shù)確認，現(xiàn)場員工記錄參數(shù)與作業(yè)文件和鑄造機設(shè)置的參數(shù)，均在規(guī)格范圍內(nèi)，沒有異常。鑄造作業(yè)標準不充足不是主要因素。

3 改善對策分析及驗證

3.1 調(diào)整砂芯參數(shù)

通過對侵入型氣孔形成機理的分析可知，形成氣孔的氣體來源主要是砂型或砂芯產(chǎn)生的氣體和澆注時卷入的氣體，型砂質(zhì)量和澆注工藝是鑄件產(chǎn)生該類氣孔的關(guān)鍵因素。

高溫條件下砂芯的發(fā)氣量和發(fā)氣速度稱為發(fā)氣性，砂芯的發(fā)氣性取決于含水量或有機粘結(jié)劑含量、澆注溫度和雜質(zhì)含量等因素。發(fā)氣量越大、發(fā)氣速度越快，鑄件越容易產(chǎn)生氣孔。

緊實的砂芯能讓氣體通過而逸出的能力稱為透氣性。砂芯的粒徑越大，砂粒間的孔隙也就越大，透氣性就越好；砂型的顆粒越均勻，透氣性越好。

針對砂芯的發(fā)氣性和透氣性這兩個直接影響鑄件的氣孔產(chǎn)生的主要因素，技術(shù)人員與砂芯廠家共同相討，開發(fā)出新型砂芯的型號，其優(yōu)化砂芯參數(shù)主要有兩個指標：發(fā)氣量和粒度目數(shù)。砂芯型號由R4A1 變更為J4K，具體參數(shù)比較，如表1 所示。

表1 砂芯參數(shù)改善前后對比數(shù)據(jù)

跟蹤本批次電機殼體生產(chǎn)缺陷的情況，發(fā)現(xiàn)氣孔有所好轉(zhuǎn)，但仍然與目標值有較大差異。

3.2 鑄件結(jié)構(gòu)更改

通過質(zhì)檢人員使用X 光射線檢查毛坯的內(nèi)部品質(zhì)，確認氣孔集中在毛坯面，也就是模具上型最頂部位置。技術(shù)人員進行討論決定，以增加鑄件冒口的方式，促進氣體從鑄件排出。在圖8 所指示部位，增加冒口結(jié)構(gòu)，使侵入型腔中卷氣有充分時間上浮排出鑄件本體。

圖8 模具上型增加冒口結(jié)構(gòu)

驗證結(jié)果：通過上述改善措施，跟蹤生產(chǎn)批次氣孔不良缺陷情況，不良率由原40%下降至8%以下，取得了良好的效果。

4 結(jié)論

在我們公司日常生產(chǎn)過程中，重力鑄造的鑄件氣孔不良是普遍存在的，根據(jù)不同鑄件結(jié)構(gòu)要求，在產(chǎn)品開發(fā)前期，通過鑄造軟件分析，優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計，減少過程中不良缺陷的發(fā)生。同時，根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)和內(nèi)部品質(zhì)要求，采用合理的鑄造工藝，從而提升鑄件的質(zhì)量。