淺析壓鑄離合器殼體氣孔缺陷防止

王飛，樊小龍，何哲

陜西法士特集團鑄造分公司 陜西寶雞 722409

1 序言

隨著輕量化要求的日益提高，汽車中的部分關(guān)鍵零部件，已經(jīng)大批量采用壓鑄生產(chǎn)，因此控制壓鑄件質(zhì)量、提高成品率，以及確保壓鑄件使用壽命等是各壓鑄廠的工作重點。本文以我公司生產(chǎn)的15410-75-YDC壓鑄離合器殼體氣孔缺陷為例，借助MAGMA鑄造模擬軟件，研究排溢系統(tǒng)設(shè)計，分析高速區(qū)間和增壓時間等工藝參數(shù)對氣孔缺陷的影響，得出改善氣孔缺陷的經(jīng)驗，為類似產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)提供借鑒。

2 離合器殼體結(jié)構(gòu)及開發(fā)要點

我公司的15410-75-YDC壓鑄離合器殼體壓鑄件，年產(chǎn)量超過12萬件，其外形尺寸為φ560mm×177mm，鑄件凈重為15.5kg，澆注重量22.5kg，平均壁厚為6.5mm，局部厚度為16mm。該鑄件法蘭外徑560mm、內(nèi)徑510mm，加工后與發(fā)動機匹配，要求氣孔直徑＜φ1.5mm；底面為加工面，加工后與變速箱殼體連接，稱之為變速箱結(jié)合面；與結(jié)合面垂直的兩側(cè)是懸掛裝置，加工后用于變速箱在整車安裝固定，強度要求高。法蘭面、變速箱結(jié)合面以及懸掛裝置的氣孔缺陷為重要控制點。

圖1所示為離合器殼體的澆注系統(tǒng)，一模一腔，總投影面積為336011mm2，采用IP2700T壓鑄機，匹配定量爐輸送鋁液。

圖1 離合器殼體澆注系統(tǒng)

3 離合器殼體孔洞性質(zhì)檢測及判定

3.1 缺陷的定義

在壓鑄生產(chǎn)過程中，常將鑄件內(nèi)部產(chǎn)生的孔洞稱之為氣孔、縮孔及縮松。氣孔的定義為孔內(nèi)部表面近似球形，并且內(nèi)壁光滑的孔洞；縮孔的定義為內(nèi)壁粗糙的孔洞；縮松的定義為大量微小孔洞組成的疏松組織。依據(jù)孔洞尺寸和分布位置不同進一步區(qū)分，氣孔的大小不等，分散或成群分布在整個鑄件的內(nèi)部?？s孔通常出現(xiàn)在壁厚急劇變化的熱節(jié)處，孔洞內(nèi)壁呈現(xiàn)樹枝狀結(jié)晶鑄造凸起，而縮松是呈現(xiàn)類似海綿狀組織[1]。

3.2 氣孔缺陷的危害及檢測

一般的氣孔對壓鑄件的整體強度和完整性沒有太大影響，但較大氣孔對壓鑄件的密閉性和整體性影響較大。內(nèi)部氣孔缺陷有時可以通過浸滲處理方法進行彌補，對提高密閉性效果較好。壓鑄件中一般允許存在氣孔，但尺寸及數(shù)量要根據(jù)相關(guān)標準或驗收條件確認[1-3]。根據(jù)要求，本文講述鑄件整體氣縮孔需達到ASTM E505—2015《壓鑄件質(zhì)量標準》規(guī)定的某級要求，即鑄件任一區(qū)域剖切表面氣縮孔直徑不能＞φ2.3mm，加工后表面氣縮孔直徑不允許＞φ1.5mm。

當前，氣孔缺陷一般通過解剖檢查或無損檢測，根據(jù)氣孔尺寸和數(shù)量確定缺陷程度。重要壓鑄件經(jīng)常要求對內(nèi)部缺陷進行全部進行X射線無損檢測。

3.3 離合器殼體氣孔缺陷描述

在批量生產(chǎn)過程中，該產(chǎn)品法蘭表面大量產(chǎn)生了＞φ1.5mm的孔洞（見圖2），因此需要采取措施解決。工藝優(yōu)化前，因為產(chǎn)品在該位置產(chǎn)生的缺陷占總?cè)毕莸?5%以上，從而導致該產(chǎn)品總合格率＜95%。

圖2 法蘭面氣孔

為制定解決措施，需要判定孔洞的缺陷位置和形態(tài)，法蘭氣孔缺陷位于澆道入料方向?qū)?cè)11點鐘方向，通過X射線檢測，缺陷產(chǎn)品內(nèi)部存在數(shù)個規(guī)則的孔洞。該表面加工后有多個＞φ1.5mm的孔，分布位置不確定，缺陷在X射線下顯示為橢圓狀。

4 分析氣孔缺陷原因

鋁壓鑄是將鋁液快速高壓充填到模具型腔的鑄造。鋁液充填壓鑄模型腔的時間極短，一般為百分之幾秒或千分之幾秒。壓鑄過程中形成的氣孔有光滑的表面，形狀多為圓形或橢圓形，其多存在于鑄件的表面或形成皮下針孔，也可能在鑄件內(nèi)部。氣孔主要是壓射過程中卷入的氣體、脫模劑等產(chǎn)生的氣體，以及合金液本身包含的氣體滯留在型腔中無法排出所致[2]。

借助于MAGMA充填模擬分析驗證，在鋁液充填過程中，兩股鋁液環(huán)繞窗口，左右兩側(cè)包覆窗口的模具型芯，并最終在窗口上側(cè)法蘭面交匯，在填充結(jié)束前，兩股鋁液交匯產(chǎn)生卷氣，同時鋁液將溢流槽封住，并將一部分氣體卷積在法蘭面。

另外，氣孔位置位于充型遠端，由于鋁液溫度降低較快，冷料未排出包裹的氣孔，在增壓壓實階段無法完全壓縮，因此產(chǎn)生氣孔缺陷。工藝改進前的充填模擬如圖3所示。

圖3 工藝改進前的充填模擬

5 離合器殼體法蘭面氣孔解決措施

（1）改善排溢系統(tǒng)

1）增大窗口外側(cè)渣包體積，約增大1/3，以收集法蘭內(nèi)側(cè)卷氣。將6處渣包溢流槽厚度從0.9mm增加至2.5mm，以增強排氣效果。

2）將左側(cè)第三個渣包通往排氣槽通道封堵，避免該渣包鋁液因提前進入溢流槽而影響易產(chǎn)生氣孔位置渣包流向。增加排氣槽，將窗口交匯處2個渣包單獨引出排氣。改進后排溢系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 改進后排溢系統(tǒng)

（2）改善鑄件局部表面凝固順序 在鑄件法蘭面最遠端和大窗口處加網(wǎng)筋，以改善局部表層凝固順序。

（3）優(yōu)化壓鑄工藝參數(shù)

1）根據(jù)增壓起始位置計算方法，t=0.01d2，其中，d為平均壁厚（mm）。該產(chǎn)品理論增壓時間為t=0.01d2=0.01×5.5×5.5s=0.303s，預估壓鑄機反應(yīng)時間0.1s，合理建壓時間0.2s。

2）在常規(guī)壓鑄中，壓鑄的高速充填起始點設(shè)置在產(chǎn)品的近澆口附近（見圖5紅色虛線），使產(chǎn)品的充填時間更短，產(chǎn)品的外觀品質(zhì)更好?，F(xiàn)對產(chǎn)品氣孔的判斷，合金進入型腔后，由于速度過快造成卷氣，氣體不能按已定充填方向排出溢流，故將高速充填的位置向后推遲（見圖5紅色實線），改變鋁液流向，使產(chǎn)品型腔內(nèi)的氣體能夠按既定方式排出鑄件本體。

圖5 帶澆排系統(tǒng)離合器示意

圖6所示為常規(guī)壓鑄曲線。在壓鑄過程中，合金在進澆口時（450mm位置）開始高速充填，其優(yōu)點是澆口附近位置充填比較好，缺點是由于內(nèi)澆口充型速度過快，造成鋁液進入型腔后 氣較多，不易排出冷料，使產(chǎn)品離澆口較遠位置易出現(xiàn)缺陷。

圖6 常規(guī)壓鑄曲線

圖7所示為根據(jù)以上分析進行優(yōu)化后的壓射曲線。從圖7可看出，將高速充填位置向后推移，使進澆口附近有部分鋁料停留，對后續(xù)充入的鋁液進行緩沖，使高速的速度得到保證并且不會造成巻氣、亂流等現(xiàn)象的發(fā)生，極大地改善了產(chǎn)品冷料排不出的現(xiàn)象。

圖7 優(yōu)化后的壓射曲線

通過以上工藝優(yōu)化，采用MAGMA充填模擬分析，卷氣及凝固都得到極大改善。改進后的模擬分析如圖8所示。

圖8 改進后的模擬分析

6 生產(chǎn)實踐驗證

依據(jù)上述的分析結(jié)果對該壓鑄模具完成優(yōu)化，采用IP2700T壓鑄機生產(chǎn)，壓鑄工藝參數(shù)見表1。

表1 壓鑄工藝參數(shù)

經(jīng)生產(chǎn)驗證，優(yōu)化后的離合器殼體法蘭面經(jīng)X射線檢測質(zhì)量良好，金相顯微鏡下顯示組織無異常，切削加工后表面滿足要求，批量產(chǎn)品合格率從＜95%提升到97%。

7 結(jié)束語

離合器殼體壓鑄件的主要缺陷形式為法蘭面氣孔，缺陷產(chǎn)生的原因為渣包布局不合理、高速區(qū)間設(shè)置過長，以及建壓時間設(shè)置不合理。利用充填模擬分析可以有效驗證氣孔缺陷產(chǎn)生原因及改進的有效性，同時為其他產(chǎn)品氣孔問題的解決提供了參考思路。