不可不知的壓鑄工藝及縮孔改善全套

不可不知的壓鑄工藝及縮孔改善全套1.壓鑄件縮孔縮松現象存在的原因壓鑄件縮孔縮松現象產生的原因只有一個,那就是由于金屬熔體充型后,由液相轉變成固相時必然存在的相變收縮.由于壓鑄件的凝固特點是從外向內冷卻,當鑄件壁厚較大時,內部必然產生縮孔縮松問題。所以,就壓鑄件來說,特別是就厚大的壓鑄件來說,存在縮孔縮松問題是必然的,是不可以解決的。2.解決壓鑄件縮孔縮松缺陷的唯一途徑壓鑄件縮孔縮松問題,不能從壓鑄工藝本身得到徹底解決,要徹底解決這個問題,只能超越該工藝,或者說是從系統(tǒng)外尋求解決的辦法。這個辦法又是什么呢?從工藝原理上說,解決鑄件縮孔縮松缺陷,只能按照通過補縮的工藝思想進行.鑄件凝固過程的相變收縮,是一種自然的物理的現象,我們不能逆這種自然現象的規(guī)律,而只能遵循它的規(guī)律,解決這個問題。3.補縮的兩種途徑對鑄件的補縮,有兩種途徑,一是自然的補縮,一是強制的補縮.要實現自然的補縮,我們的鑄造工藝系統(tǒng)中,就要有能實現“順序凝固”的工藝措施.很多人直覺地以為,采用低壓鑄造方法就能解決鑄件的縮孔縮松缺陷,但事實并不是這么回事.運用低壓鑄造工藝,并不等于就能解決鑄件的縮孔縮松缺陷,如果低壓鑄造工藝系統(tǒng)沒有設有補縮的工藝措施,那么,這種低壓鑄造手段生產出來的毛坯,也是可能百分之一百存在縮孔縮松缺陷的。由于壓鑄工藝本身的特點,要設立自然的“順序凝固”的工藝措施是比較困難的,也是比較復雜的.最根本的原因還可能是,”順序凝固”的工藝措施,總要求鑄件有比較長的凝固時間,這一點,與壓鑄工藝本身有點矛盾。強制凝固補縮的最大特點是凝固時間短,一般只及”順序凝固”的四分之一或更短,所以,在壓鑄工藝系統(tǒng)的基礎上,增設強制的補縮工藝措施,是與壓鑄工藝特點相適應的,能很好解決壓鑄件的縮孔縮松問題。4.強制補縮的兩種程度擠壓補縮和鍛壓補縮實現鑄件的強制補縮可以達到有兩種程度.一種是基本的可以消除鑄件縮孔縮松缺陷的程度,一種是能使毛坯內部達到破碎晶?；蝈憫B(tài)組織的程度.如果要用不同的詞來表述這兩種不同程度話,那么,前者我們可以用“擠壓補縮”來表達,后者,我們可以用“鍛壓補縮”來表達。要充分注意的一個認識,分清的一個概念是,補縮都是一種直接的手段,它不能間接完成.工藝上,我們可以有一個工藝參數來表達,這就是”補縮壓強”。物理原理上,壓強這個概念有兩種情況可出現,一種是在液體場合,即“阿基米德定律”的場合,為分清楚,我們定義它為“液態(tài)壓強”,而另一種出現在固態(tài)場合,我們定義它為”固態(tài)壓強”.要注意的是,這兩種不同狀態(tài)下出現的壓強概念的適用條件.我們如果混淆了,就會出現大問題?！耙簯B(tài)壓強”,它只適用于液體系統(tǒng),它的壓強方向是可以傳遞的,可以轉彎的,但在固相系統(tǒng)完全不適用。壓鑄件的補縮,是在半固態(tài)與固態(tài)之間出現的,它的壓強值,是有方向的,是一種矢量壓強,它的方向與施加的補縮力方向相同。所以,那種以為通過提高壓鑄機壓射缸的壓力,通過提高壓射充型比壓來解決壓鑄件的縮孔縮松,以為這個壓射比壓可以傳遞到鑄件凝固階段的全過程,實現鑄件補縮思想,是完全錯誤的。5.采用“先壓鑄充型,后模鍛補縮”的工藝,是解決鑄件縮孔縮松缺陷的有效途徑,也是一種終極手段。“先壓鑄充型,后模鍛補縮”的工藝,我們可簡稱為“壓鑄模鍛”工藝.它的本質,是一種連鑄連鍛工藝,就是將壓鑄工藝與液態(tài)模鍛工藝相結合,將這兩種設備的最有效功能組合在一起,完成整個工藝過程。這種連鑄連鍛的“壓鑄模鍛”設備,外型與普通立式或臥式的壓鑄機很相似,其實就是在壓鑄機上,增加了液壓的鍛壓頭.可以加上的最大鍛壓補縮力,能等于壓鑄機的最大鎖模力。要注意的是,這種壓鑄模鍛機最重要的公稱參數,并不是鎖模力,而是模鍛補縮力,相當于四柱油壓機的鍛壓力意義,這是我們在設備選擇時必須充分留意的.不然,買了一臺鎖模力很大,但模鍛補縮力很小的壓鑄模鍛設備,其使用價值就大打折扣了。運用這種壓鑄模鍛機生產的毛坯,尺寸精度很高,表面光潔度也極高,可以相當于6級以上機加工手段所能達到的精度與表面粗糙度水平.它已能歸屬于“極限成形”----的工藝手段,比“無切削少余量成形”工藝更進了一步。研究對既定條件下壓鑄模具的壓鑄工藝參數進行快速擇定。新模具調試生產前,預選經計算得出其壓鑄工藝參數,實際調試生產中以此為基礎,在工藝參數設置上少走彎路,快速完成模具調試,生產出合格產品。壓鑄模具費用在壓鑄件成本中占較大比重,而且壓鑄模具費用又是分攤到每個壓鑄件的成本中去的,這就需要我們盡量減少不必要的模具生產次數,以提高壓鑄模具的總體壽命,盡可能降低壓鑄模具費用在每個壓鑄件成本中的分攤,創(chuàng)造更大的效益。對于如何提高模具壽命,我們最常想到的可能有模具采用模具溫度控制系統(tǒng),模具成型部分定期消應力處理和表面強化,合理的澆注排溢系統(tǒng),以及在滿足產品要求的同時采用較低的壓力、速度和溫度等工藝參數等。但卻往往忽略了新模具的調試生產過程,若不對該過程進行控制,甚至有可能模具的生產次數已經達到首次消應力的模次,卻還未調試完成,沒有生產出符合客戶要求的產品,這就無形中增加了單個壓鑄件的成本。為了盡量避免這樣的情況發(fā)生,給以后的生產打好基礎,本文對既定條件下新壓鑄模具壓鑄工藝參數的預先快速擇定進行研究。壓鑄機的選定模具制造之前,模具的設計師應同模具的壓鑄工藝師一起確定好所要使用的壓鑄機并確定好壓室直徑。快速先定壓鑄工藝參數以冷室壓鑄機進行鋁合金壓鑄為例。根據模具的三維模型，可以得到該產品的每模金屬重G0(kg),產品凈重G1(kg)，集渣槽總重量G2(kg)，分型面總投影面積S(m2)，連同已經先好的壓鑄機額定鎖模力T(N)，壓室直徑D1，經下面的各工藝參數確定做基礎數據。1.壓射比壓Po的確定壓射時的極限比壓：P極限=T/S式中T-壓鑄機額定鎖模力;S-分型面總投影面積;Po就小于P極限避免生產中發(fā)生漲模，并根據產品結構、外觀及內部質量要求。同時參照表2確定一個相對較低值，以降低模具的維修保養(yǎng)頻次，提高模具的壽命。2.壓鑄機的壓射缸增壓后壓強P1的確定壓射過程完成后，作用在沖頭和壓射缸活塞上的力相同，即：因此，有實時控制的壓鑄機可以直接在其控制電腦內設置P1;普通的壓鑄機基本上為手動調節(jié)增壓閥開啟程，配合調整增壓蓄能器的氮氣充填壓強來完成設定。3.壓射速度的確定(1)第一階段低速壓射V1。一般由兩部分構成，首先為沖頭由靜止到剛過澆料，這時需要慢速，主要是為避免合金液從澆料口溢出，有利于氣體排出;其次為金屬液繼續(xù)充填到內澆道之前(這時的速度要大于前一部分)，主要是為了避免合金液內卷氣，同時要盡量避免合金液提前進入型腔。參考數據：一般可以設為0.1～0.5m/s;薄壁件、外表裝飾件為0.25-0.35m/s;高耐壓強度件為0.15-0.25m/s。(2)第二階段高速壓射V2。當合金液到達內澆道時，可以進行高速切換，使得合金液在高壓高速下充填。經驗數據：高速壓射速度：達2～4.5m/s以上，高速射出加速時間t1為0.01s，增壓時間t2為0.Ols。(3)第三階段金屬液充型結束前減速。在充型結束前增加減速動作，可以減輕合金液在充型結束時的沖擊，保護壓鑄模具，減少飛邊的產生;但要注意減速點設置不宜過早，否則會影響充型效果。4.重要壓射速度切換位置的選擇(1)通常高速壓射起點的位置在Ⅱ(正常速度切換位置)，即合金液到達內澆道時。(2)若是表面質量要求高的壓鑄件，可以將切換位置提前在I、Ⅱ之間。(3)若是希望減少壓鑄件的局部氣孔，可以將切換位置滯后到壓鑄件的重要部位之上，即Ⅲ處，以減少重要部位的氣孔，增加致密性。但要十分注意防止充型速度過慢導致壓鑄件的冷缺陷。當壓鑄件的重要部位在末端時，則不應使用該方法。(4)對于大型壓鑄件和大型壓鑄機，可以將切換位置設在合金液進入型腔30%左右，以減少氣孔的產生。(5)切換位置在I以下時卷氣量大，不推薦。下面的數據計算是根據正常速度切換位置為研究對象進行的。L0為低速壓射行程，即合金液到達高速壓射切換位置處的沖頭行程L1為高速壓射行程，即產品凈重G1與排溢系統(tǒng)總重G2之和的合金液在壓室內所占的長度，因此L1可以通過計算得到：上式中合金液的密度ρ，鋁合金液可以按2.65XlO3kg/m3計算。L2為料柄厚度(經驗數據為30～50mm)。L=L。+L1+L2：，可以通過澆料燙壓室后經測量得到。根據測量得到的L，計算得出的，以及自行確定的，可以得到的值，即確定了高速壓射的切換位置。5.增壓壓力的相關設定冷室壓鑄中，建壓時間表示增壓壓力的響應速度，普通的壓鑄機通過調節(jié)增壓速度調節(jié)手輪來實現。先進的壓鑄機可以在控制面板上直接設定增壓壓力和時間的曲線。增壓過程的起點可以通過位置、壓力和速度來觸發(fā)。一般來講，通過設置位置來觸發(fā)增壓，易于設置并便于調節(jié)，該位置設置的經驗數據為：沖頭壓鑄行程終點前10～30mm。6.澆注溫度和壓鑄模具溫度的設定(1)澆注溫度可根據合金牌號、壓鑄件的質量要求等進行沒定。(2)壓鑄模具溫度可以控制在澆注溫度的1/3左右，薄壁、結構復雜的壓鑄件可適當提高，但應當注意的是，在開始生產前應對模具進行預熱，預熱溫度控制在150～180℃。7.持壓時間和留模時間的設定鋁合金壓鑄件基于壁厚的持壓時間和留模時間推薦值。若經過上述工藝參數設定并根據壓鑄件進行凋整后，沒有達到產品的質量要求，則需要對模具上的澆注排溢系統(tǒng)進行修改調整。結語生產出合格壓鑄件的條件很多，上述的壓鑄工藝參數選擇僅為其中的一個方面，如鑄造壓鑄模具的澆注排溢系統(tǒng)設計，模具的制造精度，壓鑄機的狀態(tài)，壓鑄操作者的技術水平，以及壓鑄用涂料的選擇等都會對產品質量產生影響，出現問題時還應從多角度、全方面去考慮，不要局限于某一方面，這樣才能快速解決問題?？s孔是鋁合金壓鑄件常見的內部缺陷，而壓鑄件一般允許存在少量縮孔，但是出現在產品的重要部位時（如精加工面、高壓油道附近、密封表面等），會影響其使用性能，嚴重時直接導致鑄件報廢。據統(tǒng)計，某企業(yè)2016年某款125摩托車左曲軸箱體A面LD68孔因鑄造縮孔引起的不良率為0.12％，遠超企業(yè)對鑄件單項缺陷不良率的目標值。而且，該孔位于潤滑油道附近，極易引起壓檢不良、漏油等一系列問題，因此必須嚴格控制。該壓鑄件材質為ADC11鋁合金，主要成分見表1。通過光譜儀檢測鋁液及鑄件成分，發(fā)現合金元素含量均在標準范圍之內。另外，利用K模進行鋁液含渣量檢測，發(fā)現其也在合格范圍內。因此，基本可以排除鋁液成分超標及含渣量異常這兩個影響因素。本課題從鋁合金壓鑄件縮孔、縮松產生機理出發(fā)，結合實際的鑄造生產條件（如工藝參數、模具溫度、壓射機構及附屬設備）及壓鑄件縮孔的表現形態(tài)，尋找引起鑄件縮孔的原因，從而制定相應的對策，成功降低了鑄件的縮孔不良率。１、壓鑄件縮孔特征及形成機理壓鑄件縮孔屬于內部缺陷，一般采用解剖法檢查鑄件是否出現縮孔；對于一些生產成本較高的產品，也可以采取X射線探傷進行檢測。這里采用解剖法探究鑄件產生縮孔的原因。１.１壓鑄件縮孔的外部特征鑄件經機械加工或者直接解剖后，鑄件的表皮缺陷就會暴露出來，氣孔是表皮缺陷的一種。壓鑄件縮孔的產生部位往往比氣孔的位置更靠近產品內部，但是對于形狀復雜的鑄件，在鑄件的表皮也會出現縮孔。一般來講，氣孔表面比較光滑，多呈圓形，且分布不均勻；而縮孔的表面較粗糙，多呈不規(guī)則形狀，但分布比較集中。因此，在解決壓鑄件氣縮孔問題時需要正確判斷是氣孔還是縮孔。在實際的鑄造過程中，鑄造條件有時會因操作失誤或管理失誤出現偏差，導致鑄造缺陷產生。如模具局部位置冷卻水銅管堵塞、湯勺澆注時帶入固體雜質以及脫模劑吹附位置變動等原因都可能會引起一些鑄造缺陷。經現場調查，鑄件LD68孔縮孔特征主要表現為兩種形式，見圖１。圖1a是典型的縮孔特征，而圖1b表明鑄件在形成縮孔缺陷的部位還存在沖頭油燃燒物包裹的情況。因此，在分析鑄件產生縮孔的原因時，不僅從鑄件縮孔的產生機理出發(fā)，還綜合考慮了產品的鑄造條件是否出現異常。１.２壓鑄件縮孔的形成機理１.２.１異?？s孔的形成機理鋁合金壓鑄生產條件復雜而多樣化，生產現場管理稍有不善就有可能出現批量鑄造缺陷，導致鑄件報廢。比如，湯勺在澆注鋁液的過程中可能會將一些粘附在料筒上的固態(tài)鋁質飛皮（表面沾有油污）帶入料筒，隨鋁液一起被壓入模具型腔，鋁液凝固時飛皮經常停留在模具的復雜型腔處，形成異常缺陷?，F場觀察發(fā)現，鑄造用的沖頭油是滴注在料筒里的，而非沖頭的圓柱表面，這種沖頭油供給方式會導致鋁液澆注時包裹一些未完全燃燒的沖頭油，形成一種類似膠狀雜質，在鋁液快速充填型腔時膠狀雜質就有可能會留在鑄件內部而形成內部缺陷，見圖1b。１.２.２縮孔的形成機理壓鑄件形狀比較復雜，壁厚不均；此外，由于鋁液充填順序的影響，模具溫度呈上低下高的梯度分布。鋁液在凝固時呈由表及里、模溫由低到高的順序。因此，鑄件的最后凝固區(qū)域如果得不到鋁液補縮，就會因補縮不足而形成縮孔。因此，排除異常因素，鋁合金壓鑄件縮孔的主要原因是鋁液補縮不足。引起補縮不足的原因主要有以下幾種：①澆注溫度過高，模溫梯度不合理；②鑄造壓力過低，導致增壓補壓不足；③內澆口設計太薄，導致部分區(qū)域過早凝固，在增壓階段鑄件需要從澆道處補縮時鋁液無法流動，并且影響壓力傳遞；④鑄件結構設計中容易產生熱節(jié)或者鑄件壁厚變化劇烈；⑤金屬鋁液澆注量偏少，料餅太薄，導致壓力傳遞不良。２、缺陷分析及對策２.１壓鑄件縮孔原因分析針對A類縮孔主要分析鋁液凝固時的補縮特性，從工藝參數和模具設計兩方面著手。工藝參數：壓力為67MPa；料餅厚度為25ｍｍ；澆注量為3.65kg，均在工藝要求范圍內，并且保持穩(wěn)定，基本排除由工藝參數不適當而引起鑄件縮孔的可能性。然后，對出現A類縮孔的模具對澆口尺寸進行測量，平均厚度為2.85ｍｍ，與設計值基本相符。采用熱成像儀測量模具LD68孔銷子及附近開模溫度，發(fā)現該區(qū)域平均溫度為300℃左右，銷子頭部（對應縮孔底部）最高溫度達到320℃，噴涂脫模劑后平均模溫為230℃。分析發(fā)現，LD68孔銷子較長，頭部直徑較小，無法布置冷卻水管，并且該處鑄件形狀復雜，極易形成熱節(jié)，導致該處模溫較高，是鋁液最后凝固區(qū)域。因此，A類縮孔確定為局部模溫過高所致，后期的對策主要考慮如何降低模具銷子溫度。相對于Ａ類縮孔，Ｂ類縮孔情況相對復雜一些。Ｂ類縮孔在孔周圍均出現類似沖頭油燒結物等雜質，且形態(tài)基本一致。初步認為是由于沖頭油滴被包裹在鋁液中形成不完全燃燒產物所致。這種燒結物往往表面積較大，引起較大的區(qū)域缺陷，而且有較大的硬度，加工時易損壞刀具。經調查發(fā)現，鑄造時用于潤滑的沖頭油采用滴注的方式加在料筒里，由于沖頭油粘度較大，流動性差，只能在小范圍內形成潤滑油膜，多數沖頭油被澆注的鋁液點燃形成不完全燃燒產物，隨鋁液一起填充到模具型腔中。由于沖頭油燃燒物在鋁液中位置的隨機性，導致了出現B類縮孔的位置不確定。因此，對于B類縮孔，主要從控制沖頭油不被鋁液包裹這方面考慮。２.２解決措施２.２.１Ａ類縮孔對策及效果Ａ類縮孔是由于模溫較高所引起，對策制定主要從降低模具溫度，使模溫梯度合理方向考慮。首先，固定一根脫模劑噴涂銅管，每次開模后直接噴涂LD68孔銷子區(qū)域，以降低該處模具溫度。由于原有脫模劑噴涂裝置的銅管布置比較隨意，模具的脫模劑噴涂點難以固定，導致模溫不穩(wěn)定。為了提高脫模劑噴涂效果，現將脫模劑噴涂裝置進行改進，從而根據具體模具溫度梯度確定脫模劑噴涂點，并加以固定，確保其效果，維持模具溫度穩(wěn)定。具體的改進效果見圖２。然后，在模具的定模LD68孔附近追加冷卻水（見圖3和圖4矩形框處，圖4中圓圈表示原有冷卻水位置），利用循環(huán)冷卻水強制冷卻，降低模具的該處溫度，避免縮孔產生。另外，為了實現合適的模溫梯度，對現有的模具冷卻水加強管理：①每次模具保全時檢查清洗冷卻水銅管，防止銅管因結垢而堵