摘 要在現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展中 ,鋁合金作為一種輕型金屬材料得到了廣泛應(yīng)用 ,但鋁合金鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量問題和其鑄造缺陷卻仍長期困擾著生產(chǎn)企業(yè)。本文通過對某款鋁合金殼體鑄件結(jié)構(gòu)和工藝性進行分析研究,收集多種試驗數(shù)據(jù),論述了該產(chǎn)品的鑄造工藝難點,介紹了相關(guān)的合理工藝控制方法,為后續(xù)其他類似殼體鑄件的質(zhì)量控制積累了經(jīng)驗,提供了理論指導(dǎo)。
20 世紀 80 年代以來 ,汽車結(jié)構(gòu)的變化主要方向是以提高使用的經(jīng)濟性為目標,降低燃油消耗 ,特別是普通型汽車 ,實現(xiàn)輕量化和小型化是現(xiàn)代汽車最顯著的特征之一。根據(jù)目前國內(nèi)外汽車工業(yè)的發(fā)展動態(tài) ,轎車、輕型車用鑄件中 ,大多數(shù)的鑄鐵件將被鋁鑄件代替,從而達到汽車輕量化的目的。鋁合金殼體類鑄件一般形狀不規(guī)則 ,部分結(jié)構(gòu)不易機加工 ,目前車用鋁鑄件大部分還是鑄造毛坯面的結(jié)構(gòu) ;同時 ,鋁鑄件工作環(huán)境較為惡劣,通常對強度要求較為嚴苛 ,而且因為對于表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量要求也較為嚴格 ,一般需要生產(chǎn)廠家在過程控制中進行 X 光探傷等相關(guān)檢測。
本文研究對象是一款鋁合金殼體蓋 ,其結(jié)構(gòu)相對比較簡單 ,僅兩處涉及到機加工 ,但同樣需要進行工藝性分析 ,目的是在殼體蓋設(shè)計基礎(chǔ)上,運用計算機模擬仿真技術(shù)改進其工藝方法 ,從而提高鋁合金殼體件的合格率。
1 殼體工藝分析
1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及原材料概況
這款傳感器殼體蓋(sensor cover)應(yīng)用于管柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(C-EPS),是 C-EPS 總成的重要部件之一 :殼體外形不規(guī)則 ,有 2 處凸臺設(shè)計 ,但凸臺的高度各不相同 ;最大外徑為 105 mm,高度為 40 mm,主要壁厚截面為 3.5 mm ;殼體僅大筒和小筒的外徑表面需要進行機加工 ,公差需要保證在 +/-0.1mm 范圍內(nèi) ,但內(nèi)腔不需要加工,降低了產(chǎn)品的難度(圖 1)。
考慮到 C-EPS 的潰縮試驗的性能要求 ,SensorCover 需要滿足承受不小于 20KN 的靜態(tài)壓潰力。為了滿足這款薄壁殼體高強度、高耐壓的要求,設(shè)計 Sensor Cover 按照 GB6414-86 CT6級進行控制,不允許裂紋 ,夾雜的存在 ,同時不允許用焊補或浸漬的類似方法進行產(chǎn)品修復(fù)。
Sensor Cover 的原材料為 AC46000(參考歐盟標準 EN1706 :1998),其化學成分見表 1,機械性能見表 2。
1.2 產(chǎn)品工藝分析
1.2.1生產(chǎn)流程
Sensor Cover 的 生 產(chǎn)流程(圖2)包括:來料、熔煉 /壓鑄、切邊 / 清整、機加工、清洗、裝配等。除 了 按 EN1706標準控制來料保證鑄件的產(chǎn)品質(zhì)量 ,在熔煉過程(一般溫度控制在 700℃~740℃)中 ,也要注意除氫的控制(圖 3)。
1.2.2缺陷分析
雖然 Sensor Cover 結(jié)構(gòu)簡單 ,但同樣易產(chǎn)生常見的鑄造缺陷 :
1) 花 斑 :當 發(fā) 現(xiàn) Sensorcover 成品件顏色有時會發(fā)暗、發(fā)黑時(圖 4),需要控制金屬和模具的溫度差異 ,熔煉時的充型速度和噴丸過程中噴涂量的大小。
2)氣孔缺陷:對于壓鑄產(chǎn)品,氣孔缺陷是必然存在的。對于 Sensor Cover 的控制是保證關(guān)鍵區(qū)域(圖 5)中不產(chǎn)生超過 ASTM E505 2 級標準的氣孔。
這一氣孔標準要求是為了保證殼體的強度測試,該區(qū)域的內(nèi)部氣孔需要進行100%X 射線探傷(圖6),保 證以 10 mm×10 mm=100mm2為單位計算時:氣孔面積S≈0.3×0.3×3.14×6+0.45×0.45×3.14×3+0.4×0.4×3.14×2+0.5×0.5×3.14×2≈6.185 mm2可接收氣孔直徑要求是≤φ1.6 mm,經(jīng)換算氣孔率 =6.185/100 ≈ 6.2%;同時保證機加工表面的氣孔最大不超過 2.0 mm(圖 7)。
通過目視檢查可以控制 Sensor Cover 的外觀缺陷 ,但目前還只能依靠 X 光探傷檢測內(nèi)在缺陷。當批量化生產(chǎn) Sensor Cover時,無論是考慮到生產(chǎn)節(jié)拍還是成本費用,很能實現(xiàn) 100% 探傷,因此需要使用 CAE 等輔助技術(shù)作為壓鑄工藝分析的參考 ,盡可能在毛坯階段控制改善鑄件的內(nèi)在質(zhì)量。
2 工藝參數(shù)及設(shè)備選用
根據(jù) Sensor Cover 結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)要求 ,一般采用 350T 壓力鑄造 ,結(jié)合以往鑄件產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗 ,發(fā)現(xiàn)若模具結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)選用不當 ,容易造成壓鑄過程中液態(tài)金屬充填速度過快,型腔內(nèi)氣體無法完全排除 ,從而造成成品中伴有氣孔及氧化夾雜物等缺陷 ,因此降低了鑄件質(zhì)量??梢钥闯龊侠淼墓に噮?shù)的選擇是確保鑄件質(zhì)量的先決條件。
2.1 工藝裝備的設(shè)計
為確保鑄件尺寸精度不受到工裝夾具精度的影響著,為此款殼體重新設(shè)計制作了模具(圖 8)。
2.2 加工余量的選定
按 Sensor Cover 裝配設(shè)計要求 ,外圓保證切削加工成形。由于薄壁件殼體鑄件的表層致密層一般僅為 0.8 mm,為防止過加工,導(dǎo)致中心組織較疏松 ,降低殼體性能或耐壓能力 ,因此在模具設(shè)計中采用定位銷配合定位,進而將機加工量減小到 0.5 mm 范圍了,不僅提高了鑄件內(nèi)在質(zhì)量 ,同時節(jié)約了機加工時間。
2.3 模具方案的選擇
運用 AnyCasting 軟件在 Sensor Cover 模具設(shè)計前期進行模流分析,采用 3 種不同入水口的虛擬設(shè)計 ,模擬鑄件凝固過程的數(shù)值 ,以及預(yù)測缺陷區(qū)域(圖 9)。通過比較 ,方案 c 的流道設(shè)計在液流填充方面更為順暢 ,實際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)殼體件的內(nèi)部缺陷明顯改善,提高殼體的成品率。
2.4 熔煉溫度的設(shè)置
基于 Sensor Cover 殼體結(jié)構(gòu)重量的考慮 ,選用 350T 冷壓室壓鑄機可以滿足鑄件的壓力要求 ,將殼體的澆注溫度設(shè)定為(640+/-20)℃,升壓速率設(shè)定為1.3 kPa/s 基本上可以讓金屬液體在平穩(wěn)壓力下緩慢充填 ,防止了紊流、飛濺所產(chǎn)生的二次氧化夾渣或?qū)π托镜臎_刷。
2.5 合金液的凈化
為進一步防止氣孔、針孔、夾渣的產(chǎn)生,Sensor Cover 的工藝控制中又采用了二次精煉的步驟,在合金出爐前精煉一次,在合爐后澆注前進行第二次精煉。同時在過濾過程中采用了三次過濾,首先在升液管口部采用纖維過濾網(wǎng)過濾,又在橫澆口上安放了陶瓷過濾網(wǎng),同時在橫澆口與縫隙口端部安放了雙層纖維過濾網(wǎng),這樣有效地防止了Sensor cover 鑄件中產(chǎn)生夾渣缺陷。
3 效果
取用實際生產(chǎn)的 6 件殼體 ,經(jīng)過 X 光射線探傷后 ,關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)部控制合格率達到 100% ;然后進行精車 ,機加工面氣孔也達到了 ASTME505 2 級水平;最后進行破壞性壓潰試驗 ,發(fā)現(xiàn) 6 件殼體全部通過 ,可承受壓力達到25KN 以上如圖 10。
4 結(jié)論
壓力鑄造的工藝流程較長 ,較難進行過程控制 ,因此必須從來料開始進行管理 ,從而提高鑄件的合格率。實踐表明 ,Sensor Cover 的工藝方案是合理可行的 ,有效的工藝措施也為其他大型殼體的批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ) ,積累了經(jīng)驗。