電解箱殼體壓鑄成型的缺陷分析及對策

劉華英，管維健，廖建強(qiáng)，吳曉春，左鵬鵬，何剛毅，顧建華，黃志垣

（1.廣東鴻圖武漢壓鑄有限公司，湖北 武漢 430200；2.上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444；3.上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444；4.廣東鴻圖（南通)模具有限公司，江蘇 南通 226300；5.廣東鴻圖南通壓鑄有限公司，江蘇 南通 226300；6.廣東鴻圖科技股份有限公司，廣東肇慶 526108)

隨著國家對發(fā)動(dòng)機(jī)碳排放要求日益嚴(yán)格，新能源發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的研發(fā)正在受到越來越多的重視，其中電解箱體就是用于新能源機(jī)型的一個(gè)大型關(guān)鍵零部件。該零件幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，殼體壁內(nèi)帶循環(huán)水室，要求有良好的力學(xué)性能和氣密性。鋁合金因?yàn)槠渚哂匈|(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕特性，同時(shí)鋁合金通過強(qiáng)化合金元素能進(jìn)一步提高其性能的特點(diǎn)很好地滿足了變速箱離殼、變殼、電機(jī)殼體、電解箱體等零部件在惡劣環(huán)境下工作的要求。鋁合金電解箱體壓鑄成型技術(shù)可以通過凈化、精煉、細(xì)化、變質(zhì)等控制材質(zhì)質(zhì)量，使得鑄件力學(xué)性能及質(zhì)量達(dá)到一致性和穩(wěn)定性；同時(shí)壓鑄模設(shè)計(jì)、壓鑄工藝方案確定過程利用壓鑄模擬技術(shù)進(jìn)行分析對提高鑄件內(nèi)部品質(zhì)、縮短鑄件開發(fā)周期、降低成本等具有重要意義。

1 鑄件的結(jié)構(gòu)及技術(shù)要點(diǎn)

電解箱結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該零件輪廓尺寸497.7mm×426.3 mm×78.8 mm，壓鑄件重量3.37 kg，平均壁厚3 mm，投影面積為11 424 mm2，鑄件材質(zhì)ADC12；鑄件厚壁不是很均勻，有多處壁厚轉(zhuǎn)壁薄位置，易造成收縮裂紋；產(chǎn)品面要求無毛刺飛邊及壓鑄缺陷；所有外形尺寸符合圖紙以及裝配要求，其中密封槽位置要安裝車載電池，平面度要求在0.05 mm 以內(nèi)，壓鑄生產(chǎn)需保證0.3 mm 平面度才能保證加工，其他配合面需保證變形量在0.6 mm 以內(nèi)；內(nèi)部質(zhì)量如加強(qiáng)筋、裝配螺紋孔等部位，不能出現(xiàn)氣孔、疏松等問題，以免降低機(jī)械強(qiáng)度；由于水管蓋板和水道蓋板需分別用摩擦焊接方式和箱體焊接在一起，使箱體能通過氣壓為205 kPa，保壓120 s漏氣值小于0.5 kPa 的防水測試標(biāo)準(zhǔn)。針對問題，通過增加真空技術(shù)以保證產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量。

圖1 電解箱殼體壓鑄零件

2 壓鑄工藝分析

通過計(jì)算得出，1 250 t 以上機(jī)臺才能滿足此零件生產(chǎn)條件。綜合以上要求，該零件選用進(jìn)口1 600 t（IDRA）的壓鑄機(jī)生產(chǎn)，IDRA1600T 壓鑄機(jī)配有目前最先進(jìn)的實(shí)時(shí)壓射控制系統(tǒng)。

圖2 所示為兩種澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，區(qū)別為進(jìn)澆方式不一樣。在開發(fā)本產(chǎn)品的過程中，考慮到該產(chǎn)品最主要位置為圖2 中的標(biāo)簽面位置、水道密封槽及焊接面；澆道設(shè)計(jì)時(shí)將主澆道布置在上下兩側(cè)靠近水道密封槽位置，這樣能更好地填充密封槽；同時(shí)考慮到要保證標(biāo)簽面的質(zhì)量，故要選用對標(biāo)簽面填充行程短、填充效率高的內(nèi)澆口。對比圖2 中兩種進(jìn)澆方式，進(jìn)澆方式1 將內(nèi)澆口布置在標(biāo)簽面表面且填充行程較進(jìn)澆方式2 長，壓鑄設(shè)計(jì)一般考慮短時(shí)間填充，綜合考慮以上條件，本電機(jī)箱體選用澆方式2.

圖2 兩種澆注系統(tǒng)

根據(jù)預(yù)設(shè)計(jì)好的澆注系統(tǒng)將填充末端分別布上渣包，最后得到產(chǎn)品的預(yù)設(shè)澆注排溢系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 預(yù)設(shè)澆注排溢系統(tǒng)

通過軟件MAGMA 對設(shè)計(jì)的澆溢系統(tǒng)進(jìn)行壓鑄模擬鑄造分析，分析結(jié)果如下：

1）產(chǎn)品填充過程如圖4 所示，鋁液通過內(nèi)澆口進(jìn)入產(chǎn)品部位后，基本呈現(xiàn)平行填充，鋁液交匯混料部位較少，是一種理想的填充過程。

圖4 產(chǎn)品填充過程圖

2）氣壓分析如圖5 所示，氣壓主要分布在渣包位置，少部分氣壓分布在產(chǎn)品內(nèi)部，不在加工位置的氣壓是可以接受的，針對不可接受氣壓，調(diào)整渣包位置和增加排氣針，來保證產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量。

圖5 型腔氣壓分布

3）產(chǎn)品凝固過程如圖6 所示，可以看出薄壁位置冷卻較快，厚壁位置冷卻慢，針對冷卻慢位置，可增加冷卻水道加快冷卻，保證產(chǎn)品凝固效率一致。

圖6 產(chǎn)品凝固過程圖

從模擬效果看，本澆注系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)鋁料的平穩(wěn)充填，卷氣主要集中在渣包和局部死角位，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中間壁薄、側(cè)壁較厚，冷卻時(shí)中間薄壁位置較側(cè)面冷卻更快，據(jù)此可設(shè)計(jì)出合理的冷卻系統(tǒng)。

3 高速位置的選擇

3.1 高速切換點(diǎn)選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)好的全鑄件，通過理論計(jì)算得出沖頭移動(dòng)到550 mm 時(shí)鋁液達(dá)到內(nèi)澆口位置，為驗(yàn)證理論高速起點(diǎn)，獲得更加優(yōu)良的工藝條件，現(xiàn)選取530 mm、550 mm、570 mm 三種高速切換位置驗(yàn)證。

3.2 各參數(shù)驗(yàn)證結(jié)果

圖7 所示為不同高速起點(diǎn)位置時(shí)，鑄件產(chǎn)生的缺陷。高速起點(diǎn)位置530 mm 時(shí)入料口扣模嚴(yán)重；550 mm 時(shí)入料口有輕微扣模；570 mm 時(shí)入料口有輕微扣模，并且增加了水尾氣孔。

圖7 不同高速起點(diǎn)位置時(shí)鑄件缺陷

三組不同的高速切換位置使鑄件存在共同的問題，即如圖8 所示的密封槽和窗口處氣孔。

圖8 氣孔缺陷

綜合對比可得出高速切換位置在550 mm 位置時(shí)，產(chǎn)品的外觀及內(nèi)部質(zhì)量相對好一些，共同的氣孔缺陷需要通過其他方式解決。

4 產(chǎn)品存在的問題

按照550 mm 為高速切換位置生產(chǎn)，小批驗(yàn)證產(chǎn)品的加工情況及其他問題點(diǎn)如表1 和圖9 所示。

表1 廢品統(tǒng)計(jì)

圖9 缺陷圖片

通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的主要問題為氣孔、漏氣、裂紋。其中氣孔主要包括：窗口處氣孔（見圖9a））、標(biāo)簽面密集性氣孔（見圖9b））；漏氣是密封槽氣孔不良與銷釘孔串漏（見圖9c））；裂紋是壁厚不均位置收縮開裂（如圖9d））.

5 缺陷的原因分析及對策

5.1 窗口處氣孔缺陷

窗口位置存在氣孔如圖10 所示，分析原因?yàn)閮筛? 針孔周邊壁厚是正常壁厚2 倍以上，特別是孔底，極易造成縮松、縮孔缺陷。

圖10 針孔局部剖視圖

采取了三種改善措施，結(jié)果表示：1）加長模芯針尺寸，使此針孔加工不到底部，這樣可以保證針孔底部收縮加工不會(huì)外漏。正常生產(chǎn)50 件后加工驗(yàn)證，氣孔外漏依舊嚴(yán)重，且外漏位置并不局限于針孔底部，驗(yàn)證此方案無效。2）直接取消此處的針，減少因針孔的熱收縮導(dǎo)致加工外漏。X 光驗(yàn)證氣孔狀態(tài)縮松呈散狀不規(guī)則分布。小批機(jī)加工驗(yàn)證，加工后外漏較少，改善效果明顯，但還是有縮孔外漏導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，需進(jìn)一步優(yōu)化。3）在產(chǎn)品端面上增加φ6 的擠壓銷進(jìn)行局部擠壓。局部擠壓是鋁合金壓鑄生產(chǎn)常用的技術(shù)之一，其工作原理是箱體在壓鑄生產(chǎn)過程中，當(dāng)壓射已完成，而在壁厚處鋁液尚處于半固態(tài)狀態(tài)時(shí)，通過油缸的壓力作用，推動(dòng)φ6擠壓銷對鑄件壁厚處擠壓11 mm，使11 mm 長的鋁液補(bǔ)充到收縮部位，增加此部位密度，以改善該部位的內(nèi)部質(zhì)量，如圖11a）所示。并且增加φ11 的針套，起到保護(hù)模具作用。X 光驗(yàn)證氣孔狀態(tài)如圖11b）所示，氣孔狀態(tài)良好。

圖11 窗口處改善效果圖

綜合結(jié)果表示，采用第三種改善措施，增加擠壓銷后，氣孔狀態(tài)良好，批量生產(chǎn)驗(yàn)證無加工外漏現(xiàn)象出現(xiàn)，改善效果良好。

5.2 密封槽處氣孔缺陷

對密封槽位置進(jìn)行分析，前段壁厚為3 mm，壁厚過薄使得鋁液在此處流動(dòng)困難，密封槽內(nèi)鋁液填充效率慢，導(dǎo)致其他位置鋁液和密封槽內(nèi)鋁液呈包卷之勢從而產(chǎn)生氣孔（見圖12a））；密封槽位置壁厚為18 mm，鋁液從壁薄流向壁厚時(shí)也極易產(chǎn)生卷氣現(xiàn)象（見圖12b））；并且密封槽處進(jìn)澆口不能直沖密封槽位置也是導(dǎo)致產(chǎn)品氣孔不良的原因之一（見圖12b））.

圖12 密封槽位置分析

針對該處位置氣孔缺陷，提出三種改善方案。

方案1：增加排氣針套，如圖13 所示。因密封槽要求嚴(yán)格，不允許有崩入、扣痕，故在產(chǎn)品中間開設(shè)的渣包口厚度較薄，在渣包中間增加一排氣針套，通過頂針和針套、針套和模具之間的間隙使氣體排出，起到加強(qiáng)排氣的效果。通過X 光機(jī)驗(yàn)證后，效果甚微，并不能有效改善此處氣孔。

圖13 增加排氣針套

方案2：修改澆道，將澆口向密封槽位置拉寬，如圖14b）所示，使此澆道直接填充密封槽，增加密封槽位置的填充效率。通過X 光機(jī)驗(yàn)證后，有一定的改善效果，但不能完全解決此處氣孔，效果并不理想，還需進(jìn)一步優(yōu)化改。

圖14 修改澆道

方案3：在壁薄處增加7 mm×20 mm×31 mm的過料筋條，如圖15a）所示。鋁液在通過澆口到達(dá)產(chǎn)品部位時(shí)，過料筋條起到導(dǎo)向的作用，使得鋁液從過料筋條流向密封槽，從而加快密封槽的填充速度減少氣體在密封槽位置的包卷，以此來改善密封槽位置的內(nèi)部質(zhì)量。多出來的筋條在產(chǎn)品面上，通過機(jī)加工去除可以滿足客戶要求。通過X 光機(jī)驗(yàn)證，氣孔狀態(tài)良好，如圖15b）所示。

圖15 密封槽改善

小批量生產(chǎn)跟蹤驗(yàn)證。跟蹤結(jié)果顯示：實(shí)施方案3 增加過料筋條后，氣孔狀態(tài)良好，批量生產(chǎn)500件試漏驗(yàn)證無漏氣現(xiàn)象產(chǎn)生，改善效果明顯。

5.3 標(biāo)簽面密集性氣孔

標(biāo)簽面密集性氣孔是麻點(diǎn)狀的細(xì)小氣孔。圖16為標(biāo)簽面模流圖，可以看出此處氣孔是澆道1 與澆道2 兩股料在此處包卷無法排出導(dǎo)致的。

圖16 標(biāo)簽面模流圖

針對該位置密集氣孔提出三種改善方案。

方案1：澆道1 前移，如圖17b）所示，豎澆道前移4 mm 加快澆道1 的填充速度，將混料位置后移至渣包位置排出。小批量加工驗(yàn)證無效，密集氣孔依舊存在，方案1 驗(yàn)證不可行。

圖17 修改澆道1

方案2：在中間渣包位置增加排氣針套，如圖18b）所示，通過頂針和針套、針套和模具之間的間隙將氣體排出，起到加強(qiáng)排氣的效果。小批量加工驗(yàn)證無效，密集氣孔依舊存在，方案2 驗(yàn)證不可行。

圖18 增加排氣針套

方案3：表面做蝕紋，如圖19a）所示。蝕紋是壓鑄中常用的一種表面處理方法，通過蝕紋的不規(guī)則表面吸附細(xì)小的氣體使氣體集中在蝕紋范圍內(nèi)，然后通過機(jī)加工去除表面蝕紋，從而達(dá)到改善密集氣孔的效果。小批量加工驗(yàn)證有效，加工200 件產(chǎn)品，沒有看到有密集性氣孔的產(chǎn)品，如圖19b）所示。

圖19 密集氣孔改善

跟蹤結(jié)果顯示：通過方案3）表面增加蝕紋后，表面密集性氣孔得到有效的改善，此方案驗(yàn)證對密集性氣孔改善效果明顯；以后針對同樣問題可參照改善。

5.4 角位裂紋

圖20 所示為裂紋位置3D 剖視圖，可以看出裂紋位置兩側(cè)壁厚在18 mm 以上，角位只有5 mm 厚度，壁厚不均極易導(dǎo)致冷卻凝固時(shí)間不同從而引起收縮裂紋。

圖20 裂紋剖視圖

針對該位置裂紋提出兩種改善方案。

方案1：優(yōu)化模具運(yùn)水，加強(qiáng)壁厚位置的冷卻，以達(dá)到同時(shí)凝固的效果。生產(chǎn)驗(yàn)證無效，外觀可以看到還是有裂紋產(chǎn)生。

方案2：通過璧與壁連接處圓角的計(jì)算公式R=kh（R 為圓角半徑mm，h 為產(chǎn)品壁厚mm，k 為系數(shù)，鋁合金取0.5）計(jì)算得結(jié)果：R 應(yīng)大于4 mm；將角位填料由R2加大到R4，如圖21 所示，通過加大角位壁厚以此來增加角位的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度），減小應(yīng)力集中。加大R 角后生產(chǎn)驗(yàn)證無裂紋現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖21 裂紋改善

跟蹤結(jié)果顯示：通過方案2）改進(jìn)后，批量生產(chǎn)表面無裂紋缺陷產(chǎn)生。

6 結(jié)論

數(shù)值模擬能為鋁合金壓鑄件的質(zhì)量控制及缺陷改善提供良好的參考依據(jù)，縮短了開發(fā)時(shí)間；合理的高速切換點(diǎn)選擇是保證鑄件良好內(nèi)部質(zhì)量和表面成形的重要依據(jù)；調(diào)整工藝參數(shù)不能改善產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，要從鑄件結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)，排氣系統(tǒng)多方面考慮缺陷原因；當(dāng)產(chǎn)品的進(jìn)料、過料、排料都沒有問題，鑄件品質(zhì)就能得到保證。