燃氣灶鋁閥密封性能改善工藝研究

楊建煌 莫儉強 歐陽臥龍

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

金屬壓鑄工藝是由金屬材料、壓鑄機臺和壓鑄模具三大鑄造條件組合而加以綜合運用的過程。而鑄造時金屬溶液填充模具型芯、型腔的過程，是將鑄造壓力、推進速度、料溫以及鑄造時間等工藝參數(shù)得到統(tǒng)一的過程。同時，輔助脫模劑也極其重要，適當?shù)拿撃┡浔龋梢愿玫氖箟鸿T模具壓射成型及脫模，然而，這些因素又是相互影響，相互制約，相輔相成的。只有調(diào)整至最合理的范圍，使之協(xié)調(diào)一致，才能達到預(yù)想的結(jié)果。因此，在前期開發(fā)過程中不僅要確定產(chǎn)品制程的工藝性，模具設(shè)計的合理性，機臺以及原材料選用的適用性；更應(yīng)重視壓鑄本身的鑄造條件，高溫、高速、高壓是壓鑄生產(chǎn)過程中重點控制的工藝參數(shù)，對鑄件成型質(zhì)量起到?jīng)Q定性的重要作用。所以壓鑄過程中應(yīng)重視對這些參數(shù)進行有效的把控。

在生產(chǎn)鑄鋁件的壓鑄工藝中，任何改動鑄件成型條件，都有可能成為壓鑄成型鋁液流向的影響因素，只有綜合零部件自身的性能、外觀以及模具結(jié)構(gòu)流道走向跟壓鑄機參數(shù)調(diào)試設(shè)定，才能最大程度充實鑄鋁件表皮內(nèi)的致密層，使其在加工后不會產(chǎn)生鋁料疏松及局部氣孔。針對鑄鋁零件閥體的結(jié)構(gòu)特點，本文介紹一種綜合壓鑄工藝方法的應(yīng)用，其技術(shù)特點是通過優(yōu)化產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)來適應(yīng)壓鑄成型控制條件，同時進行模具流道局部優(yōu)化及機臺參數(shù)控制來達到最理想的鑄件成型條件，不僅降低產(chǎn)品后加工的報廢率，同時提高了總成裝配的密封性能。

1 閥體結(jié)構(gòu)

本文選取的研究對象為燃氣灶具上閥體總成中的一個鑄鋁零部件，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，產(chǎn)品外形尺寸為88.4 mm*88.5 mm*30 mm，最大壁厚為5 mm，最小壁厚為2.35 mm，質(zhì)量為0.091 6 kg，拔模斜度為（0.5～1.5）°，相鄰表面圓滑過渡R0.3～R0.5，收縮率為0.005 %。其中深色區(qū)域為研究對象孔位，加工余量為單邊0.2 mm。鑄件要求去毛刺，且表面無縮孔、縮松、裂紋和冷隔等鑄造缺陷，表面進行拋丸處理，粗糙度√3.2。

圖1 鑄件示意圖

1.1 閥體材料

材質(zhì)為環(huán)保鋁ADC12，符合RoHS要求標準，其化學(xué)成分分析見表1、測試方法：GB/T 7999-2015，力學(xué)性能分析見表2、拉伸測試方法：GB/T 228.1-2010，硬度測試方法：GB/T 231.1-2018。

表1 化學(xué)成分分析

表2 力學(xué)性能分析

1.2 模具

壓鑄模具是壓鑄生產(chǎn)中不可或缺的一環(huán)，它對一個壓鑄件的質(zhì)量，起到?jīng)Q定性的作用。其中，澆注系統(tǒng)決定了金屬液的填充狀況。不僅有進料、排渣、排氣等環(huán)節(jié)，而且當金屬液流入型腔時，能最大程度地排出型腔內(nèi)的空氣。由于鑄件結(jié)構(gòu)各有特點，雖然有計算機模擬分析軟件幫助我們看到某種結(jié)果，但對于不好的結(jié)果，還是靠人去改變方案[1]。在圖2的例子中，可以看出此設(shè)計方案的進料與排渣分布。生產(chǎn)現(xiàn)狀是，進料口對準閥芯位置容易沖蝕其根部使其多料，增加加工切削量，且三股進料在成型過程中液流會相互碰撞，造成相撞卷氣、裹氣現(xiàn)象。

圖2 鋁合金閥體

1.3 設(shè)備工藝參數(shù)

壓鑄時，機臺最大空壓射速度可達到9 m/s，系統(tǒng)工作壓力為16 Mpa，填充速度約為（0.5～50）m/s，填充型腔時間約為（0.01～0.2）s。鑄造過程中，工藝參數(shù)的合理設(shè)定對鑄件的質(zhì)量和穩(wěn)定性起到重要的作用，主要的工藝參數(shù)有爐膛溫度、模具溫度、壓射力、射出速度、壓射行程位置、儲能、冷卻時間以及噴霧吹氣時間，在圖2的例子中，所示的為壓鑄機生產(chǎn)過程中壓射切換位置和其要點，各狀態(tài)位置如A-F段在加以設(shè)定。

1.4 氣孔的特征和原因分析

1）氣孔特征

①表層下氣孔：位于金屬鑄件表層以下（0.1～0.3）mm的位置，呈不規(guī)則分布；

②針孔：鑄件表面目測難以識別，需鋸開或加工其表層后方可呈現(xiàn)，對于細小的針孔需通過投影放大倍數(shù)等條件來完成，密度大小呈不規(guī)則分布；

③內(nèi)部氣孔：在鑄件內(nèi)部，一般存在于鑄件壁厚部位；

④外部氣孔：存在于鑄件壁厚部位外壁及流道進料口位置；

對于薄壁件而言，主要氣孔為外部氣孔和針孔；對于壁厚鑄件，主要氣孔為內(nèi)部氣孔和表層下氣孔，并伴隨著深度的增加而放大，嚴重的有疏松孔洞存在。氣孔對鋁合金閥體密封性有較大的影響。

2）實例閥體氣孔分析

①壓鑄特點

壓鑄的特點是高溫、高速、高壓，這也是壓鑄工藝區(qū)別于其它鑄造工藝的基本特征 。在充填過程中包含著力學(xué)、熱學(xué)和流體力學(xué)現(xiàn)象，壓力、壓射速度、金屬溫度的變化，使這一過程變得相當復(fù)雜[2]。

②閥體氣孔產(chǎn)生的三個要點

第一要點，壓鑄成型過程中，金屬液高速流入模具型腔，料餅位置沿著主流道迅速流入分流道,再由分流道流向閥體內(nèi)澆口位置，進而沿著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向迅速填充形成，在填充完整個閥體時，閥芯壁薄位置將優(yōu)先凝固，此時還在填充的金屬液將繼續(xù)沖擊著閥芯位置，從而形成表皮下的疏松，在機加工過程中易產(chǎn)生表層下氣孔，如圖3所示；

圖3 壓鑄機壓射過程示意圖

第二要點，如圖1兩黑色螺絲孔位置，尺寸深度16 mm，壁厚2.44 mm的盲孔。在鑄件成型過程中，由于此兩孔位置靠近內(nèi)澆口位置，在高速、高溫、高壓填充下，優(yōu)先冷卻成型，但后續(xù)流入的金屬液填充其它位置時會持續(xù)流經(jīng)該處，形成柱形環(huán)繞現(xiàn)象，當整模鑄件填充完畢時，此兩點位置及閥芯底部密封位置已填充冷卻，氣體無法排出現(xiàn)象。如圖5所示；

圖4 澆鑄系統(tǒng)充填過程示意圖

圖5 鑄件凝固后的溫度場

第三要點，通常在鋁合金壓鑄過程中為了防止鑄件產(chǎn)生砂氣孔，生產(chǎn)時一般會先進行鋁合金溶液的精煉除氣工序,可通過使用精煉劑和除氣劑，降低鋁液中氧化物及含氫量，而精煉出來的浮渣必須要迅速清除，避免再一次將氣體、雜質(zhì)帶進到壓鑄件內(nèi)。

2 工藝優(yōu)化及生產(chǎn)驗證

2.1 澆注和排溢系統(tǒng)

1）澆鑄系統(tǒng)是引導(dǎo)金屬液填充至型腔的通道，其主要由直澆道、橫澆道、內(nèi)澆口以及余料所組成，在澆注過程中，氣孔的產(chǎn)生影響較大的是內(nèi)澆口。在內(nèi)澆口位置的選擇上應(yīng)注意以下幾點：金屬液填充流程最短，鑄件壁厚部位；金屬液流進型腔不起旋渦，排氣順暢部位；避開金屬液金屬液正面沖擊型芯、易變形的部位；盡可能減少內(nèi)澆口分流，以免金屬液相互沖擊，造成回流渦流現(xiàn)象。

2）根據(jù)模流分析中金屬液的流態(tài)，結(jié)合溢流槽排布設(shè)置，在卷氣部位開排氣槽及排氣板，可有效的將型腔中的氣體排出。

3）與排氣槽配合，開設(shè)溢流槽，不但可將氣體和冷污金屬排出型腔，還能控制金屬液的充填流態(tài)，減少或防止渦流形成[3]。

在實際閥體改善案例中，采用以上三點結(jié)論，縮小內(nèi)澆口截面積，封堵一股進料口，提升壓射比壓，改變金屬液流態(tài)方向，并在對流位置下端增設(shè)溢流槽，不但可以有效將氣體、雜質(zhì)排出，同時也起到一個保溫作用，促使內(nèi)澆口在快速填充完整個鑄件后冷卻凝固成型，有效的轉(zhuǎn)換了金屬液流向，讓兩個螺絲孔位及閥芯密封底部致密度更密實，如圖6所示。

圖6 改善后鑄件凝固視圖

而縮小內(nèi)澆口截面積該縮小到多少，我們可以根據(jù)我國壓鑄模設(shè)計手冊上推薦的式（1）來計算[4]：

式中：

A—內(nèi)澆口截面積，mm2；

G—鑄件重量，g；

ρ—液態(tài)金屬密度，g/cm3；

ν—內(nèi)澆口處金屬液流速，m/s；

T—充填型腔的時間，s。

在上述公式中，鑄件重量為92 g，鋁液密度為2.64 g/cm3，內(nèi)澆口速度和充填時間都與壓鑄機臺參數(shù)相關(guān)，經(jīng)過長期生產(chǎn)的工藝參數(shù)驗證，當內(nèi)澆口金屬流速設(shè)定為40 m/s，充填型腔的時間設(shè)定為0.08 s，生產(chǎn)時壓射速度曲線波動幅度較小，產(chǎn)品質(zhì)量更為穩(wěn)定。因此采用上訴參數(shù)代入公式得出內(nèi)澆口面積：

2.2 鑄件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在滿足整機灶具功能性及外觀性的條件下，針對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行鑄件局部優(yōu)化，盡量在不影響機加工及總裝工藝的前提下進行改善，可以更有效快速地推進項目改善進程且實施經(jīng)濟成本較低，從實例閥體氣孔分析中第二要點可以看出，當前閥體氣孔主要集中于兩點螺絲孔位置，由于抽芯孔較深，金屬液快速填充成型且模具結(jié)構(gòu)限制無法增設(shè)溢流槽，導(dǎo)致加工表皮后，抽芯孔內(nèi)產(chǎn)生細小氣孔、裂縫現(xiàn)象。對此，在模具結(jié)構(gòu)上下兩滑塊增設(shè)螺絲孔側(cè)面抽芯、鑄件減料，兩點螺絲孔抽芯深度由16 mm降低至8 mm，不僅有效解決掉柱形環(huán)繞氣孔問題，同時也降低總成裝配因鋁屑產(chǎn)生的密封性泄露風險，如剖面圖7紅色位置所示。

圖7 鑄件減料剖視圖

2.3 壓鑄工藝

設(shè)備主要的工藝參數(shù)有壓力、速度、溫度以及時間，在生產(chǎn)過程中對產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性起到很關(guān)鍵的作用。只有調(diào)至最合理的設(shè)定值才能達到最理想的效果。

2.4 金屬液熔煉

在保證化學(xué)成分符合要求的情況下，盡量避免爐溫過高和保溫時間過長，嚴格執(zhí)行精煉工藝，對回爐料的配比嚴格控制，并進行表面去污處理和預(yù)熱。

3 結(jié)論

1）通過閥體結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計了兩種壓鑄工藝并進行數(shù)值模擬。結(jié)果顯示，合理的流道設(shè)計及溢流槽設(shè)置將決定整個鑄件成型的關(guān)鍵，金屬液先填充成型冷卻的區(qū)域產(chǎn)生的氣孔缺陷較多，產(chǎn)生氣孔缺陷的原因是局部冷卻成型，以至于后續(xù)流入的金屬液填充其它方向時一直流入產(chǎn)生撞擊環(huán)繞，導(dǎo)致當整模鑄件填充完畢時，靠近內(nèi)澆口位置兩點抽芯螺絲孔還處于高溫，氣體無法排出現(xiàn)象。

2）通過鑄件結(jié)構(gòu)減料，使兩點螺絲孔抽芯深度由16 mm降低至8 mm，不僅降低材料成本、總成鋁屑殘留產(chǎn)生的泄露風險，同時也針對性的解決局部氣孔問題。

3）壓鑄參數(shù)工藝在調(diào)試過程中達到最理想的參數(shù)實際值時給予記錄，并嚴格按照實際調(diào)試值進行范圍設(shè)定。

4）回爐料的配比及輔助提煉劑需嚴格執(zhí)行精煉工藝進行控制，確保條件設(shè)定不變。