原標(biāo)題：鋁壓鑄件泄漏預(yù)防的實(shí)用性研究

摘要：從壓鑄件模具結(jié)構(gòu)、模流分析、生產(chǎn)過(guò)程控制等各方面,詳細(xì)介紹了壓鑄件常見(jiàn)的缺陷（縮孔和表面拉傷）導(dǎo)致泄漏的預(yù)防方法。實(shí)踐表明，通過(guò)該方法有效降低了壓鑄鋁件的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，提高了壓鑄鋁件的內(nèi)部質(zhì)量。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中壓鑄鋁件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如：缸體、罩蓋、油底殼等，但也存在很多問(wèn)題，其中之一便是泄漏。通常情況下鑄造廠會(huì)對(duì)毛坯進(jìn)行粗加工，然后使用壓縮空氣對(duì)零件進(jìn)行100 %的泄漏測(cè)試（常用方法為壓差法或體積流量法），將合格零件發(fā)給主機(jī)廠。主機(jī)廠進(jìn)行精密加工，壓鑄件的鑄造缺陷將暴露在加工表面，很多外觀缺陷通過(guò)目視進(jìn)行篩選，但仍會(huì)進(jìn)行100%的泄漏測(cè)試對(duì)零件進(jìn)行篩選。發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中也會(huì)對(duì)不同的通道（機(jī)油通道、冷卻水通道等）進(jìn)行100%泄漏測(cè)試。最后在發(fā)動(dòng)機(jī)功能測(cè)試以及整車功能測(cè)試乃至用戶使用過(guò)程仍會(huì)出現(xiàn)各種泄漏，原因是很多輕微的泄漏在零件及發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)試漏時(shí)均不能被檢測(cè)，但在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于機(jī)油溫度可達(dá)120 ℃，問(wèn)題將被暴露出來(lái)。給壓鑄件生產(chǎn)廠和主機(jī)廠帶來(lái)較大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。因此怎樣降低或避免該質(zhì)量問(wèn)題成為研究者研究的課題。

1.滲漏原因確認(rèn)

針對(duì)滲漏，技術(shù)人員使用各種工具進(jìn)行原因確認(rèn)，從簡(jiǎn)單的外觀檢查，以及使用專業(yè)的水試設(shè)備進(jìn)行漏點(diǎn)確認(rèn)，對(duì)零件進(jìn)行CT檢測(cè)或者著色顯影探傷確認(rèn)泄漏通道，最后切片進(jìn)行金相分析。目前產(chǎn)生滲漏的最主要原因是，鑄件內(nèi)部存在縮松，縮松的大小在幾十μm至幾mm不等，同時(shí)鑄件表面出現(xiàn)拉傷和粘模。兩者相結(jié)合形成通道，當(dāng)機(jī)油或冷卻液溫度較高時(shí)通道進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致機(jī)油或冷卻液泄漏，見(jiàn)圖1。

圖1:某鋁壓鑄件在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)機(jī)油滲漏（目視發(fā)現(xiàn)表面拉傷，CT掃描發(fā)現(xiàn)內(nèi)部縮松）

2.縮孔（縮松）與拉傷（粘模）預(yù)防

對(duì)多年從事壓鑄件泄漏分析和解決方案進(jìn)行了總結(jié)，從模具/產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、模流分析、工藝參數(shù)制定、過(guò)程控制及產(chǎn)品檢查等各方面進(jìn)行介紹如何對(duì)壓鑄件內(nèi)部縮孔和表面拉傷導(dǎo)致的泄漏問(wèn)題進(jìn)行有效預(yù)防。

2.1 模溫、模流分析

某缸蓋罩蓋在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試時(shí)出現(xiàn)多次輕微漏油，漏油位置不固定，但均靠近進(jìn)澆口一側(cè)，同時(shí)表面出現(xiàn)粘模、拉傷。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)新模具不到1萬(wàn)模進(jìn)澆口附近就開(kāi)始出現(xiàn)龜裂以及表面粘模、拉傷。檢測(cè)模具材料、表面處理以及模具溫度等未發(fā)現(xiàn)異常。在重新進(jìn)行模流分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的模具設(shè)計(jì)下進(jìn)澆口截面積較小，模具受鋁液沖刷嚴(yán)重。對(duì)此重新對(duì)模具進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化了澆口，從單側(cè)澆道更改為了雙側(cè)澆道（見(jiàn)圖2），從而增加了進(jìn)澆口截面，減少了鋁液對(duì)模具的沖刷，從根本上解決了該問(wèn)題。

圖2:缸蓋罩蓋模具優(yōu)化(從單側(cè)澆道更改為雙側(cè)澆道)

模具設(shè)計(jì)時(shí)通常需要運(yùn)用專業(yè)軟件對(duì)模具進(jìn)行模流和模溫分析，以識(shí)別出鋁液在填充過(guò)程中是否存在卷氣，澆口截面積是否合理，以及零件成形過(guò)程最后的冷卻位置，以便合理設(shè)計(jì)工藝過(guò)程和適當(dāng)優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)。因此在進(jìn)行模擬分析時(shí)要注意：第一，模具和實(shí)體的一致性，同時(shí)需要充分考慮模具內(nèi)部的冷卻通道、澆冒口等。第二，網(wǎng)格的劃分影響著模擬分析的準(zhǔn)確性，在網(wǎng)格劃分時(shí)需要考慮網(wǎng)格的類型和數(shù)量，以及網(wǎng)格隨著零件壁厚的分布而變化。第三，鋁液材料數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在設(shè)置材料屬性時(shí)需要考慮材料的熱膨脹系數(shù)、收縮率、粘度等。第四，過(guò)程參數(shù)設(shè)置也需要和實(shí)際情況保持一致，如模具溫度、鋁液填充溫度、保壓曲線、填充控制方式、壓鑄參數(shù)等。

2.2 模具/產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化

某缸體在加工之后發(fā)現(xiàn)靠近水道的螺栓孔內(nèi)存在較大縮孔（見(jiàn)圖3），同時(shí)在產(chǎn)品100%的泄漏測(cè)試時(shí)，水道泄漏不良率較高。對(duì)缺陷產(chǎn)品進(jìn)行外觀檢測(cè)和CT掃描發(fā)現(xiàn)，水道內(nèi)壁存在輕微拉傷和內(nèi)部縮孔貫穿導(dǎo)致泄漏。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)該位置壁厚較大，內(nèi)部易形成縮孔。由于該位置需要進(jìn)行機(jī)加工，因此可在模具上增加型芯形成預(yù)鑄孔，從而減小壁厚，利于鑄件冷卻同時(shí)對(duì)型芯表面進(jìn)行了被覆處理，便于脫模劑附著，從根本上避免了縮孔產(chǎn)生和預(yù)鑄孔表面拉傷。

圖3:加工后發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)有較大縮孔，增加預(yù)鑄孔后縮孔得到有效解決。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及后續(xù)的模具設(shè)計(jì)不可能達(dá)到完美，同時(shí)由于邊界條件設(shè)置的局限性也無(wú)法模擬出實(shí)際的鑄造過(guò)程，因此很多缺陷很難在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)做到完全預(yù)防，問(wèn)題往往在批量生產(chǎn)過(guò)程中暴露。但在不影響最終產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能的前提下可對(duì)產(chǎn)品或者模具進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

增加預(yù)鑄孔是解決縮孔的一個(gè)比較常用的方案，但在增加預(yù)鑄孔時(shí)需要重點(diǎn)考慮孔的直徑、深度以及位置度、起模斜度控制，一旦出現(xiàn)型芯變形必須進(jìn)行更換，同時(shí)對(duì)型芯進(jìn)行表面處理以增加型芯強(qiáng)度。

針對(duì)粘模、拉傷，主要集中在模具溫度較高的一些凸起（對(duì)應(yīng)零件為凹槽）和起模斜度較小的位置以及鋁液直接沖刷區(qū)域，在開(kāi)模時(shí)模具將零件表面拉傷，因此在結(jié)構(gòu)上可在不影響壁厚的前提下適當(dāng)增大模具凸起位置圓角，以及適當(dāng)增大起模斜度，或者對(duì)模具表面采取被覆處理使脫模劑更多的附著在模具表面以減小拉傷、粘模風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 工藝方案制定

某缸體在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試時(shí)出現(xiàn)機(jī)油泄漏，漏點(diǎn)為靠近油道的螺紋孔，對(duì)缺陷件進(jìn)行CT掃描，發(fā)現(xiàn)螺紋孔底部存在縮松，見(jiàn)圖4。該位置已增加預(yù)鑄孔，但對(duì)模溫進(jìn)行測(cè)量，溫度仍較高。最后新增了高壓點(diǎn)冷，模具溫度得到控制，縮孔問(wèn)題得到明顯改善，見(jiàn)圖5。

圖4:螺紋孔底部存在縮孔導(dǎo)致泄漏

圖5:增加高壓點(diǎn)冷，縮孔得到明顯改善

某缸體加工后進(jìn)行100%的產(chǎn)品泄漏測(cè)試，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品試漏不良率較高，經(jīng)過(guò)對(duì)不良品統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)95%為高壓油道測(cè)試不合格。CT掃描發(fā)現(xiàn)，靠近高壓油道的主軸承座螺紋孔底部存在較多縮松，增加預(yù)鑄孔后試漏不良率并未得到明顯改善。隨后在主軸孔增加局部擠壓工藝（見(jiàn)圖6），使該位置更加致密，從而減少縮孔、縮松，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，試漏不良率從4%下降至0.2%，效果明顯。

圖6 使用局部擠壓，該位置試漏不良率得到明顯改善

好的工藝方案同樣對(duì)降低縮孔比例以及降低鑄件表面粘模、拉傷有著很大的作用。有時(shí)通過(guò)單純的增加預(yù)鑄孔不一定能解決內(nèi)部縮孔的問(wèn)題，這時(shí)候需要運(yùn)用點(diǎn)冷，即在模具或者型芯內(nèi)部增加冷卻循環(huán)通道。點(diǎn)冷分為普通點(diǎn)冷和高壓點(diǎn)冷，兩者的選用仍需通過(guò)模具溫度來(lái)確定，如果模具溫度較高，選擇高壓點(diǎn)冷可迅速將熱量帶走，這種工藝方案非常實(shí)用，也在很多壓鑄廠成功應(yīng)用。同時(shí)需要定期檢查和更換型芯，避免型芯變形、漏水等帶來(lái)其他質(zhì)量問(wèn)題。

目前在壓鑄件的重點(diǎn)位置采用局部擠壓工藝的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，局部擠壓使內(nèi)部鑄造質(zhì)量更加致密，因此產(chǎn)生縮孔、縮松的比例更低。在局部擠壓過(guò)程中重點(diǎn)需要控制擠壓的起始時(shí)間、擠壓銷的噴涂（避免擠壓銷卡滯），同時(shí)對(duì)擠壓深度也應(yīng)進(jìn)行監(jiān)控。

除了上述方案外，模具表面處理、冷卻水類型、噴涂方式、噴涂時(shí)間、噴涂角度、噴涂距離和噴涂路徑等都需要進(jìn)行重點(diǎn)考慮。如冷卻水，對(duì)于一些要求較高的鑄件，很多壓鑄廠采用純凈水進(jìn)行冷卻，避免冷卻通道結(jié)垢，從而減小冷卻流量，導(dǎo)致模具溫度達(dá)不到要求。針對(duì)噴涂的工藝設(shè)置，現(xiàn)在仿形噴涂得到越來(lái)越多的運(yùn)用，同時(shí)對(duì)噴嘴位置的定期校準(zhǔn)也很必要。總的來(lái)說(shuō)，工藝參數(shù)的制定對(duì)壓鑄件質(zhì)量影響很大，需要通過(guò)大量的試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也是一個(gè)持續(xù)優(yōu)化的過(guò)程。

2.4 過(guò)程控制

過(guò)程控制的主要目的是確保相關(guān)參數(shù)在已制定工藝方案的規(guī)定下得到穩(wěn)定的實(shí)施。模具溫度的監(jiān)控尤為重要，目前使用熱電偶可對(duì)模具溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控，但由于不能覆蓋所有的位置，因此使用熱成像儀或者測(cè)溫槍對(duì)模具溫度進(jìn)行定期的測(cè)量十分必要。熱成像儀除了用于具體問(wèn)題分析外，在模具溫度參數(shù)制定時(shí)進(jìn)行連續(xù)的溫度測(cè)量非常重要（見(jiàn)圖7）。

圖7:熱成像儀對(duì)模具溫度進(jìn)行分析控制

影響模具溫度的參數(shù)很多，除了直接監(jiān)控模具溫度外，定期監(jiān)控冷卻水流量，脫模劑噴嘴是否堵塞，以及鑲塊是否按要求定期清理和更換等均非常重要。

2.5 產(chǎn)品檢驗(yàn)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中由于各種各樣的原因也可能導(dǎo)致零件泄漏，因此對(duì)零件進(jìn)行定期檢測(cè)十分必要。針對(duì)壓鑄內(nèi)部縮孔可進(jìn)行定期的X光和CT進(jìn)行掃描；針對(duì)零件表面拉傷，鑄造工人可通過(guò)目視進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)表面拉傷、粘模，需要停機(jī)確認(rèn)產(chǎn)生原因，避免批量質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生，同時(shí)有必要對(duì)零件進(jìn)行追溯，圖8是針對(duì)發(fā)現(xiàn)零件表面拉傷后的控制方案；另外針對(duì)有局部擠壓工藝的，需要定期測(cè)量零件的擠壓深度，以監(jiān)控局部擠壓的有效性。常見(jiàn)的缺陷是局部擠壓深度不足，這種情況下很多時(shí)候是由于擠壓銷卡滯導(dǎo)致。當(dāng)出現(xiàn)產(chǎn)品泄漏后，以及試漏不良率較高時(shí)可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行浸滲，試漏不合格且泄漏值在一定范圍內(nèi)的零件進(jìn)行100%浸滲，二次試漏合格率在95%以上。但浸滲成本相對(duì)較高。圖9是總結(jié)的關(guān)鍵控制點(diǎn)。運(yùn)用該方案我們連同壓鑄件生產(chǎn)廠家對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)涉及機(jī)油通道和冷卻液通道（見(jiàn)圖10）的所有壓鑄鋁件進(jìn)行了梳理，取得了非常好的成果。

圖8:拉傷、粘模處理方案

圖9:鋁壓鑄件-縮孔和表面拉傷導(dǎo)致泄漏預(yù)防關(guān)鍵控制點(diǎn)

圖10:靠近油道、水道泄漏風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)匯總

3.結(jié)語(yǔ)

從壓鑄生產(chǎn)的全過(guò)程總結(jié)了如何避免壓鑄件內(nèi)部縮孔和表面拉傷。以某鋁壓鑄缸體為例，使用該方案進(jìn)行梳理后，鑄造廠內(nèi)部粗加工后試漏不合率降低至0.3%，在主機(jī)廠精加工后試漏不合格率下降至0.2%，在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試以及售后抱怨中已連續(xù)2年泄漏為0。

作者：祝昌洪 一汽-大眾汽車有限公司質(zhì)保部

本文來(lái)自:《特種鑄造及有色合金》雜志2022年第42卷第1期