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雙腔節流閥體壓鑄不良分析及對策

李珊 發表于2019/12/31 22:46:58 雙腔節流閥體壓鑄

摘要:介紹了北美地區雙腔節流閥體的產品結構、模具結構以及壓鑄生產過程中出現的主要缺陷。運用壓鑄填充的P-Q2關系對澆注系統設計進行了驗證,利用模流分析軟件對溢流排氣系統進行了分析,并針對性地采取了措施,有效地降低了產品廢品率。

一、雙腔節流閥體產品結構

節流閥體是汽車電噴系統的關鍵部件,北美雙腔節流閥體主要為北美市場的大排量汽車配套。產品的3D模型見圖1,材質是ADC12壓鑄鋁合金,輪廓尺寸約為214 mm×102 mm×100mm,大部分部位的壁厚約為2.5 mm,平均壁厚約為3 mm,壁厚最厚為24 mm,最薄壁厚僅為2mm,澆注質量為1.480 kg,體積為560 cm3;通過內澆口的填充質量約為0.9 kg,體積為340cm3,產品壁厚不均,進料流程較長。

圖1:產品的3D模型

1.法蘭面  2.節氣門軸孔  3.齒輪箱端面  4.進氣口環帶

此零件除了對鑄件外觀有較高的要求之外,加工表面的氣孔標準也極為嚴格。其進氣孔環帶、節氣門軸孔、法蘭面、齒輪箱端面等加工部位均不能有大于0.5 mm的氣孔。

二、模具結構與相關工藝參數

北美節流閥體的模具結構見圖2,完整鑄件見圖3。采用1模1件生產,模具有4個滑塊,左滑塊和下滑塊成型部分投影面積大,抽芯距離較長,采用液壓抽芯;右滑塊與上滑塊采用斜桿抽芯。從下滑塊靜模側進料,在下滑塊動模側、上滑塊、左右滑塊均設有溢流槽,內澆口截面積為Ag=2.80 cm2,分成3股進料,見圖3。

缅甸永鑫国际 采用伊之密5 000 kN臥式冷室壓鑄機DM500,其最大空壓射速度為8 m/s,配有壓射曲線實時檢測系統。選用Φ70 mm 的壓射沖頭(沖頭面積A為38.5 cm2),壓射缸缸徑為Φ120 mm,沖頭空打行程為432 mm,充滿度為33.4 %。

經過多次試驗,主要工藝參數確定為快壓射沖頭速度為4.5 m/s(空打速度),實際沖頭速度約為3.4 m/s,快壓射行程約為100 mm,澆注溫度為650-670 ℃,增壓壓力(增壓階段的壓射缸壓力)為24 MPa。

三、 鑄件主要缺陷

此產品投產以來,壓鑄質量不穩定,年平均因壓鑄原因的報廢率達到28 %左右。近年來產量驟增,給生產造成了較大的困難。在所有造成報廢的壓鑄缺陷中,氣孔和掉肉占比最高,分別為總廢品數的66。8 %和16。5 %,是亟待解決的主要問題。

經進一步的現狀調查,氣孔主要分布在大孔環帶(占氣孔報廢總數的50%)和下滑塊法蘭面端面處(占氣孔報廢總數的40%),掉肉則主要發生在下滑塊法蘭面澆口部位(占掉肉報廢的70%)。

四、問題的分析與改進

掉肉主要發生在澆口部位,在對此類不良品進行檢查時,未發現澆口縮孔,掉肉是打澆口時的機械性撕裂所致,因此加大內澆口與鑄件連接處根部圓角可有效地減少此類不良。而氣孔的發生原因相對復雜,具體從以下方面進行原因分析和解決。

1、利用模具P-Q2關系驗證模具澆注設計并改進

在壓鑄過程中,合金液從料筒、澆口套向模具型腔的填充可以看作兩個液流系統:一個是從快壓射蓄能器來的液壓油在壓射缸內流動,推動壓射桿和沖頭;另一個是合金液在沖頭的作用下,通過內澆口進入模具型腔的高速流動。兩者都遵循流體力學的伯努利定律。

從機床的液流系統(第1個液流系統)來看,沖頭在合金液中產生的填充壓力P與合金液流量Q存在以下關系:

并將Pb (A0 / A)記作Pj ,則式(1)可改寫為:

P = Pj - K1Q2                                   (2)

式中 , P為沖頭在合金液中產生的填充壓力, MPa;Pb為快壓射蓄能器壓力, MPa;A0為壓射缸面積, mm2;A 為沖頭面積,mm2;Qmax是最大合金液流量,指空壓射情況下的流量, L/s,故有:

Qmax= V0 A缅甸永鑫国际/1 000                       (3)

式中,V0為某一快壓射節流閥開度下的沖頭空壓射速度, m /s。
從模具的液流系統(第2個液流系統)來看,內澆口處的流速與流量有如下關系:

Vg =1 000Q /Ag                                   (4)

填充壓力P與流量 Q有如下關系 :

P =ρQ2/(2Ag2C2)                                  (5)

K=ρ/(2Ag2C2),則式(4)可改寫為:

P = K Q2                                      (6)

式中,C為流量系數,對于鋁合金取0.5 ;ρ為合金液密度, kg /m3Vg 為合金液在內澆口處的速度 , m /s。

求解式(2)和式(6)組成的方程,可以得到某一工作條件下(特定的機床、特定的工藝參數、特定的模具)的工作流量:

根據量產工藝設定,將相關已知條件代入以上公式,可以得到北美雙腔節流閥體的壓鑄工藝計算表見表1。

表1:壓鑄工藝參數計算表

流量系數C為合金填充過程的流動效率,流量系數越小, 流動效率越低, 需要維持一定流速所需的壓力越高。在壓鑄過程中,其受很多因素的影響,比如內澆口、橫澆道和直澆道的形狀、長度、位置、面積和表面光潔度,沖頭與料筒各自的表面光潔度以及配合狀況,模具溫度和合金澆注溫度等。

實際生產中發現,機床實測的沖頭速度和填充壓力與表1中的計算值存在一定的差異。這個因為實際流量系數與設定流量系數的差異所致。因此,可以利用模具的P-Q2關系對實際流量系數進行評價,驗證澆注系統設計是否合理以及生產條件是否異常。
對式(5)進行變形,得到:

根據機床檢測并顯示的速度曲線上的沖頭速度,計算出填充速度Vg,由壓力曲線得到實際的 P值(快壓階段),代入式 (8),即可求得實際的 C值。

由節流閥體在壓鑄生產時的壓力-速度-行程曲線可知在沖頭實際速度Vp=3.4 m/s,填充速度(內澆口速度)Vg=47 m/s時,填充壓力為P=15.6 MPa,得到實際的流量系數約為C=0.43。

流量系數C值偏小,說明填充時的壓力損失偏大,填充效率低,在排除了沖頭磨損等生產異常因素之后,認定為澆注系統設計存在不合理的地方。由于填充時間符合設計要求,所以內澆口面積Ag不變。在對橫澆道設計進行分析時發現,橫澆道截面積約為6.3 cm2,橫澆道與內澆口的面積比僅為2.25。為改善填充效率,將橫澆道的深度由12 mm增加到15 mm,截面積由6.3 cm2增加到7.4 cm2,橫澆道與內澆口的面積比增加到2.65。

采取措施后,按同樣的快壓射閥開度(5.8圈,空壓射速度為4.5 m/s),沖頭實打速度可以達到3.6 m/s,填充壓力為13 MPa,按式 (8),得到實際的流量系數約為0.49,填充效率大為提高。進行小批量驗證,發現生產100件毛坯,氣孔不良僅1件。

但是,在進行為期1個月的大批量效果跟蹤時發現,產品因壓鑄原因報廢的比率仍高達14.5%左右,其中,氣孔報廢率為10.5%,仍需繼續改善。

2、通過改善模具排水排氣減少氣孔

大批量生產時的不良率與小批量試制時相差很大,說明有一些生產的不穩定因素主導氣孔增多。經過調查發現,大孔氣孔主要在下滑塊處大芯子靠靜模方向進料處,氣孔形態與位置較為一致,主要是單個氣孔超標比例較多。

利用模流分析軟件進行填充模擬分析時發現,合金經內澆口進入型腔后,多股料分流、噴射,澆口部位的環帶外壁系返流再填充,氣孔發生的部位出現裹氣現象(見圖4)。

圖4:排氣分析顯示氣孔多發部位裹氣

在生產中也發現,噴涂結束時,模具上頂面殘留的多余脫模劑(噴霧頭滴落或上升吹氣時吹來的),將在重力的作用下順上滑塊的滑道流下,積留在上滑塊定位面處,在合模的過程中將水分帶入型腔,加重裹氣現象。

為改善上滑塊的脫模劑帶入型腔導致的裹氣現象,在上滑塊滑道上增加一處排水孔,防止水分進入型腔;為改善澆注過程本身的裹氣現象,在模具右滑塊處增加一個搓板式排氣塊,見圖6。

缅甸永鑫国际 圖5:右滑塊增加排氣塊示意圖

對策實施后,通過4個月的生產跟蹤發現,產品因壓鑄原因的報廢率穩定在5%左右,見表2。



缅甸永鑫国际 表2:對策實施后的廢品統計

在后續過程中,將增加排水孔的對策擴展到左右滑塊,壓鑄質量進一步改善,因壓鑄原因的報廢率進一步下降到3%以內。

五、結論

(1)應用機床和模具的P-Q2關系公式,可以根據壓鑄的填充理論來計算內澆道填充速度和填充壓力,為合理改進澆注系統設計提供了更科學的依據。

(2)改善填充效率,將橫澆道的深度由12 mm增加到15 mm,截面積由6。3 cm2增加到7。4 cm2,橫澆道與內澆口的面積比增加到2。65,以及改善上滑塊的脫模劑帶入型腔導致的裹氣現象,在上滑塊滑道上增加一處排水孔,防止水分進入型腔;為改善澆注過程本身的裹氣現象,在模具右滑塊處增加一個搓板式排氣塊,通過這些措施,氣孔率降低到5%以內。

作者:李珊  王磊 嶺南師范學院 機電工程學院

黃志華  湛江德利車輛部件有限公司

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