鋁壓鑄件泄漏(缺陷導致)的預防方法

祝昌洪發表于2022/5/13 10:43:49 模具結構縮孔表面拉傷泄漏

原標題：鋁壓鑄件泄漏預防的實用性研究

摘要：從壓鑄件模具結構、模流分析、生產過程控制等各方面,詳細介紹了壓鑄件常見的缺陷（縮孔和表面拉傷）導致泄漏的預防方法。實踐表明，通過該方法有效降低了壓鑄鋁件的泄漏風險，提高了壓鑄鋁件的內部質量。

汽車發動機中壓鑄鋁件的應用越來越廣泛，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對毛坯進行粗加工，然后使用壓縮空氣對零件進行100 %的泄漏測試（常用方法為壓差法或體積流量法），將合格零件發給主機廠。主機廠進行精密加工，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行篩選，但仍會進行100%的泄漏測試對零件進行篩選。發動機裝配過程中也會對不同的通道（機油通道、冷卻水通道等）進行100%泄漏測試。最后在發動機功能測試以及整車功能測試乃至用戶使用過程仍會出現各種泄漏，原因是很多輕微的泄漏在零件及發動機冷態試漏時均不能被檢測，但在發動機實際運行過程中，由于機油溫度可達120 ℃，問題將被暴露出來。給壓鑄件生產廠和主機廠帶來較大的質量風險。因此怎樣降低或避免該質量問題成為研究者研究的課題。

1.滲漏原因確認

針對滲漏，技術人員使用各種工具進行原因確認，從簡單的外觀檢查，以及使用專業的水試設備進行漏點確認，對零件進行CT檢測或者著色顯影探傷確認泄漏通道，最后切片進行金相分析。目前產生滲漏的最主要原因是，鑄件內部存在縮松，縮松的大小在幾十μm至幾mm不等，同時鑄件表面出現拉傷和粘模。兩者相結合形成通道，當機油或冷卻液溫度較高時通道進一步擴展，導致機油或冷卻液泄漏，見圖1。

圖1:某鋁壓鑄件在發動機測試過程中出現機油滲漏（目視發現表面拉傷，CT掃描發現內部縮松）

2.縮孔（縮松）與拉傷（粘模）預防

對多年從事壓鑄件泄漏分析和解決方案進行了總結，從模具/產品結構、模流分析、工藝參數制定、過程控制及產品檢查等各方面進行介紹如何對壓鑄件內部縮孔和表面拉傷導致的泄漏問題進行有效預防。

2.1 模溫、模流分析

某缸蓋罩蓋在發動機測試時出現多次輕微漏油，漏油位置不固定，但均靠近進澆口一側，同時表面出現粘模、拉傷。在實際生產過程中，發現新模具不到1萬模進澆口附近就開始出現龜裂以及表面粘模、拉傷。檢測模具材料、表面處理以及模具溫度等未發現異常。在重新進行模流分析時發現，在現有的模具設計下進澆口截面積較小，模具受鋁液沖刷嚴重。對此重新對模具進行設計，優化了澆口，從單側澆道更改為了雙側澆道（見圖2），從而增加了進澆口截面，減少了鋁液對模具的沖刷，從根本上解決了該問題。

圖2:缸蓋罩蓋模具優化(從單側澆道更改為雙側澆道)

模具設計時通常需要運用專業軟件對模具進行模流和模溫分析，以識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，以便合理設計工藝過程和適當優化模具結構。因此在進行模擬分析時要注意：第一，模具和實體的一致性，同時需要充分考慮模具內部的冷卻通道、澆冒口等。第二，網格的劃分影響著模擬分析的準確性，在網格劃分時需要考慮網格的類型和數量，以及網格隨著零件壁厚的分布而變化。第三，鋁液材料數據的準確性，在設置材料屬性時需要考慮材料的熱膨脹系數、收縮率、粘度等。第四，過程參數設置也需要和實際情況保持一致，如模具溫度、鋁液填充溫度、保壓曲線、填充控制方式、壓鑄參數等。

2.2 模具/產品結構優化

某缸體在加工之后發現靠近水道的螺栓孔內存在較大縮孔（見圖3），同時在產品100%的泄漏測試時，水道泄漏不良率較高。對缺陷產品進行外觀檢測和CT掃描發現，水道內壁存在輕微拉傷和內部縮孔貫穿導致泄漏。對產品進行分析發現該位置壁厚較大，內部易形成縮孔。由于該位置需要進行機加工，因此可在模具上增加型芯形成預鑄孔，從而減小壁厚，利于鑄件冷卻同時對型芯表面進行了被覆處理，便于脫模劑附著，從根本上避免了縮孔產生和預鑄孔表面拉傷。

圖3:加工后發現孔內有較大縮孔，增加預鑄孔后縮孔得到有效解決。

產品設計以及后續的模具設計不可能達到完美，同時由于邊界條件設置的局限性也無法模擬出實際的鑄造過程，因此很多缺陷很難在產品設計時做到完全預防，問題往往在批量生產過程中暴露。但在不影響最終產品結構、功能的前提下可對產品或者模具進行適當優化。

增加預鑄孔是解決縮孔的一個比較常用的方案，但在增加預鑄孔時需要重點考慮孔的直徑、深度以及位置度、起模斜度控制，一旦出現型芯變形必須進行更換，同時對型芯進行表面處理以增加型芯強度。

針對粘模、拉傷，主要集中在模具溫度較高的一些凸起（對應零件為凹槽）和起模斜度較小的位置以及鋁液直接沖刷區域，在開模時模具將零件表面拉傷，因此在結構上可在不影響壁厚的前提下適當增大模具凸起位置圓角，以及適當增大起模斜度，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、粘模風險。

2.3 工藝方案制定

某缸體在發動機測試時出現機油泄漏，漏點為靠近油道的螺紋孔，對缺陷件進行CT掃描，發現螺紋孔底部存在縮松，見圖4。該位置已增加預鑄孔，但對模溫進行測量，溫度仍較高。最后新增了高壓點冷，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致泄漏

圖5:增加高壓點冷，縮孔得到明顯改善

某缸體加工后進行100%的產品泄漏測試，發現產品試漏不良率較高，經過對不良品統計分析,發現95%為高壓油道測試不合格。CT掃描發現，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，經過驗證，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。有時通過單純的增加預鑄孔不一定能解決內部縮孔的問題，這時候需要運用點冷，即在模具或者型芯內部增加冷卻循環通道。點冷分為普通點冷和高壓點冷，兩者的選用仍需通過模具溫度來確定，如果模具溫度較高，選擇高壓點冷可迅速將熱量帶走，這種工藝方案非常實用，也在很多壓鑄廠成功應用。同時需要定期檢查和更換型芯，避免型芯變形、漏水等帶來其他質量問題。

目前在壓鑄件的重點位置采用局部擠壓工藝的運用越來越廣泛，局部擠壓使內部鑄造質量更加致密，因此產生縮孔、縮松的比例更低。在局部擠壓過程中重點需要控制擠壓的起始時間、擠壓銷的噴涂（避免擠壓銷卡滯），同時對擠壓深度也應進行監控。

除了上述方案外，模具表面處理、冷卻水類型、噴涂方式、噴涂時間、噴涂角度、噴涂距離和噴涂路徑等都需要進行重點考慮。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行冷卻，避免冷卻通道結垢，從而減小冷卻流量，導致模具溫度達不到要求。針對噴涂的工藝設置，現在仿形噴涂得到越來越多的運用，同時對噴嘴位置的定期校準也很必要。總的來說，工藝參數的制定對壓鑄件質量影響很大，需要通過大量的試驗和經驗進行驗證，同時也是一個持續優化的過程。

2.4 過程控制

過程控制的主要目的是確保相關參數在已制定工藝方案的規定下得到穩定的實施。模具溫度的監控尤為重要，目前使用熱電偶可對模具溫度實時監控，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，在模具溫度參數制定時進行連續的溫度測量非常重要（見圖7）。

圖7:熱成像儀對模具溫度進行分析控制

影響模具溫度的參數很多，除了直接監控模具溫度外，定期監控冷卻水流量，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 產品檢驗

在實際生產過程中由于各種各樣的原因也可能導致零件泄漏，因此對零件進行定期檢測十分必要。針對壓鑄內部縮孔可進行定期的X光和CT進行掃描；針對零件表面拉傷，鑄造工人可通過目視進行檢測，一旦發現表面拉傷、粘模，需要停機確認產生原因，避免批量質量問題產生，同時有必要對零件進行追溯，圖8是針對發現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，這種情況下很多時候是由于擠壓銷卡滯導致。當出現產品泄漏后，以及試漏不良率較高時可對產品進行浸滲，試漏不合格且泄漏值在一定范圍內的零件進行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是總結的關鍵控制點。運用該方案我們連同壓鑄件生產廠家對發動機涉及機油通道和冷卻液通道（見圖10）的所有壓鑄鋁件進行了梳理，取得了非常好的成果。