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科普资讯

铝合金曲轴箱前油封压力铸造工艺优化研究

发布时间:2022-07-08 11:19:06 阅读次数:1367

编辑导语




通过检测分析曲轴箱前油封铸件在压铸生产中出现的铸造缺陷,同时借助FLOW-3D CAST软件,模拟分析原工艺方案的压铸过程,结合实验检测和理论数据推测铸造缺陷产生的原因。优化压铸工艺方案,通过模拟分析三个工艺方案的数值模拟计算结果,获得满足生产要求的最优压铸工艺方案。在最优压铸工艺方案指导下试模生产,并完成缺陷检测,确定铸件内部质量得到改善,产品合格率得到有效的提高。


轻量化是新能源汽车实现节能减排、提高续航里程的有效方法。轻量化技术主要通过结构、材料和工艺的创新实现,以优质的铝合金压铸替代铸钢,是实现材料轻量化的重要途径。压铸生产具有高效及高互换性的优点,贴合汽车产业生产需求。但压铸生产中可能产生的气孔、缩孔等缺陷,严重影响铝合金及其产品质量和使用范围。为保障铸件质量,借助数值模拟软件辅助铸造工艺设计及优化已成为常态,笔者以曲轴箱前油封为研究对象(以下简称“前油封”),利用FLOW-3D CAST软件进行数值模拟分析,通过优化设计工艺,实现减少铸造内部缺陷,提高铸件质量的目的。


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产品工艺性分析


曲轴箱前油封铸件材质为AlSi9Cu3,是最常见的压铸合金之一,具有良好的铸造性能、力学性能、流动性、气密性、抗热裂性、较好的切削加工性能和抛光性。该合金牌号源自德国,广泛应用于欧美国家的汽车工业,制造轿车车身和重载汽车零部件,综合性能良好。

图1为铸件的三维模型图,其轮廓尺寸为255 mm×168 mm×50 mm,成品质量0.9 kg。最小壁厚1.45 mm,最大壁厚12.4 mm,平均壁厚3.7 mm。此铸件有多个结构孔,油封孔直径40 mm,其余孔直径在5~10 mm范围内,需要铸出。此零件采用高压铸造的生产方式,开模后去除浇注系统和集渣包,打磨残留内浇口,通过喷丸紧实表面,对紫色部位表面进行机械加工,最后完成目视检测及气密性检测。

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(a)铸件模型-正面


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 (b)铸件模型-反面

图1 前油封铸件模型图


要求铸件内部的任意截面中,最大单个孔隙的直径小于3 mm,截面处孔隙总面积的占比低于5%;加工表面不允许有大于1 mm的气孔,表面不能存在裂纹、欠铸等缺陷。

图2显示了油封端盖的厚度分布信息,铸件的不同部位在厚度上存在较大差异。为分析铸件结构与内部质量的关系,将铸件以厚度情况和位置划分为4个区域。由于壁厚存在差异,将会对不同部位的充型和凝固过程产生显著影响,进而影响最终的产品质量,为此需要为不同区域设置合理的充型条件。

(1)边缘区域:涵盖铸件右侧及上部的边缘,该区域狭长且包含数个型芯。与中心平板区域所在平面存在14.5 mm落差,两者通过平均厚度为4.5 mm的垂直通道连接。

(2)中心平板区域:位于铸件的中心,由大面积平面、筋板和U型结构组成,平板区域厚度3 mm,是表面积最大的区域。同时还与其余三个区域相连接,由于壁厚较薄,充型时金属液快速通过,需要防范液流发生飞溅情况。

(3)厚壁区域:位于铸件左侧,是铸件中壁厚与体积最大的区域,充型时需要的流量较大。此区存在大量型芯,使得排气较为便捷,但易形成热节,凝固较慢。

(4)底部区域:位于铸件底部位置,与中心大平板区域垂直,图2(b)显示在底部区域也存在厚壁部分。 

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(a)铸件厚度分布-后视图

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(b)铸件厚度分布-底视图

图2 前油封铸件厚度分布



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铸件实际缺陷分析


压铸前油封铸件缺陷的位置及缺陷表征如图3所示,通过检测确定铸件内部存在质量问题。

X射线探伤发现:在A、B、C三处出现内部孔隙。将试样缺陷位置剖切,截面存在明显宏观缺陷,由于缺陷凹坑较深,采用大景深扫描电镜对缺陷处形貌进行表征分析,结果显示:缺陷的外形轮廓不规则,表面凸凹不平且整体形状不规则。而铸造中的气孔缺陷通常呈圆形或近似圆形,孔壁光滑表面反光,因此可以推测这些缺陷是由收缩形成。同时,由于铸件具有较多的机加工表面,在加工过程中铸件表面偶尔会出现细小且集中的皮下气孔,此问题同样会影响产品的合格率。

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图3 铸件、缺陷的X射线图像、宏观照片及扫描电镜图(500×)



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原压铸工艺方案模拟分析


通过实际检测确定缺陷的位置和形貌,进而分析推测产生缺陷的原因。利用FLOW-3D CAST软件,对压力铸造过程进行数值模拟,分析浇注系统对充型速度场、凝固温度场和压力场的影响。为了解缺陷形成的过程及原因,通过分析模拟结果,推测原工艺过程可能导致缺陷产生的因素,并优化设计工艺以消除缺陷。

原压铸工艺设计方案三维模型如图4所示,内浇口分布于铸件外轮廓,1~6号内浇口厚度2.5 mm,长度依次为14、12、24、22、26、27 mm。浇注温度665 ℃±15 ℃,模温180 ℃±30 ℃,压射速度4 m/s±1 m/s,最终静压力102 MPa±10 MPa,冷却时间15 s±3 s。