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)過程控制等各方面,詳細(xì)介紹了壓鑄件常見的缺陷（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)用越來越廣泛，如：缸體、罩蓋、油底殼等，但也存在很多問題，其中之一便是泄漏。通常情況下鑄造廠會(huì)對毛坯進(jìn)行粗加工，然后使用壓縮空氣對零件進(jìn)行100 %的泄漏測試（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，很多外觀缺陷通過目視進(jìn)行篩選，但仍會(huì)進(jìn)行100%的泄漏測試對零件進(jìn)行篩選。發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中也會(huì)對不同的通道（機(jī)油通道、冷卻水通道等）進(jìn)行100%泄漏測試。最后在發(fā)動(dòng)機(jī)功能測試以及整車功能測試乃至用戶使用過程仍會(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，但在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，由于機(jī)油溫度可達(dá)120 ℃，問題將被暴露出來。給壓鑄件生產(chǎn)廠和主機(jī)廠帶來較大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。因此怎樣降低或避免該質(zhì)量問題成為研究者研究的課題。

1.滲漏原因確認(rèn)

針對滲漏，技術(shù)人員使用各種工具進(jìn)行原因確認(rèn)，從簡單的外觀檢查，以及使用專業(yè)的水試設(shè)備進(jìn)行漏點(diǎn)確認(rèn)，對零件進(jìn)行CT檢測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，見圖1。

圖1:某鋁壓鑄件在發(fā)動(dòng)機(jī)測試過程中出現(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、過程控制及產(chǎn)品檢查等各方面進(jìn)行介紹如何對壓鑄件內(nèi)部縮孔和表面拉傷導(dǎo)致的泄漏問題進(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)過程中，發(fā)現(xiàn)新模具不到1萬模進(jìn)澆口附近就開始出現(xiàn)龜裂以及表面粘模、拉傷。檢測模具材料、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。對此重新對模具進(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（見圖2），從而增加了進(jìn)澆口截面，減少了鋁液對模具的沖刷，從根本上解決了該問題。

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)軟件對模具進(jìn)行模流和模溫分析，以識(shí)別出鋁液在填充過程中是否存在卷氣，澆口截面積是否合理，以及零件成形過程最后的冷卻位置，以便合理設(shè)計(jì)工藝過程和適當(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（見圖3），同時(shí)在產(chǎn)品100%的泄漏測試時(shí)，水道泄漏不良率較高。對缺陷產(chǎn)品進(jìn)行外觀檢測和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)置的局限性也無法模擬出實(shí)際的鑄造過程，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，問題往往在批量生產(chǎn)過程中暴露。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)對型芯進(jìn)行表面處理以增加型芯強(qiáng)度。

針對粘模、拉傷，主要集中在模具溫度較高的一些凸起（對應(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)測試時(shí)出現(xiàn)機(jī)油泄漏，漏點(diǎn)為靠近油道的螺紋孔，對缺陷件進(jìn)行CT掃描，發(fā)現(xiàn)螺紋孔底部存在縮松，見圖4。該位置已增加預(yù)鑄孔，但對模溫進(jìn)行測量，溫度仍較高。最后新增了高壓點(diǎn)冷，模具溫度得到控制，縮孔問題得到明顯改善，見圖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)品泄漏測試，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品試漏不良率較高，經(jīng)過對不良品統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)95%為高壓油道測試不合格。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（見圖6），使該位置更加致密，從而減少縮孔、縮松，經(jīng)過驗(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)通過單純的增加預(yù)鑄孔不一定能解決內(nèi)部縮孔的問題，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模具溫度來確定，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、漏水等帶來其他質(zhì)量問題。

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。針對噴涂的工藝設(shè)置，現(xiàn)在仿形噴涂得到越來越多的運(yùn)用，同時(shí)對噴嘴位置的定期校準(zhǔn)也很必要?？偟膩碚f，工藝參數(shù)的制定對壓鑄件質(zhì)量影響很大，需要通過大量的試驗(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)化的過程。

2.4 過程控制

過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溫槍對模具溫度進(jìn)行定期的測量十分必要。熱成像儀除了用于具體問題分析外，在模具溫度參數(shù)制定時(shí)進(jìn)行連續(xù)的溫度測量非常重要（見圖7）。

圖7:熱成像儀對模具溫度進(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)過程中由于各種各樣的原因也可能導(dǎo)致零件泄漏，因此對零件進(jìn)行定期檢測十分必要。針對壓鑄內(nèi)部縮孔可進(jìn)行定期的X光和CT進(jìn)行掃描；針對零件表面拉傷，鑄造工人可通過目視進(jìn)行檢測，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)量問題產(chǎn)生，同時(shí)有必要對零件進(jìn)行追溯，圖8是針對發(fā)現(xiàn)零件表面拉傷后的控制方案；另外針對有局部擠壓工藝的，需要定期測量零件的擠壓深度，以監(jiān)控局部擠壓的有效性。常見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)廠家對發(fā)動(dòng)機(jī)涉及機(jī)油通道和冷卻液通道（見圖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

從壓鑄生產(chǎn)的全過程總結(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

本文來自:《特種鑄造及有色合金》雜志2022年第42卷第1期