铝合金离合器壳体铸件缩松缺陷分析.pdf

工艺研究2023年8 月August,2023RECHULI JISHU YU ZHUANGBEIVol.44,No.4第44卷第4期热处理技术与装备铝合金离合器壳体铸件缩松缺陷分析淡瑶（陕西法士特汽车传动工程研究院，陕西宝鸡722409)摘要：简要分析了铝合金离合器壳体消失模铸件缩松缺陷的形态、位置、成因及其预防。通过试验发现，采用仿真模拟和现场实验相结合，改进浇注系统，增加浇口窝，提高浇注系统的补缩能力，可以有效解决铝合金离合器壳体缩松缺陷的问题。关键词：离合器壳体；消失模铸造；浇口窝；补缩能力；缩松；缩孔中图分类号：.TG245文献标识码：A文章编号：16 7 3-497 1（2 0 2 3)0 4-0 0 2 8-0 4Analysis of Shrinkage Defects in Aluminum Alloy Cluch Housing CastingsDAN Yao(Shaanxi Fast Auto Drive Group Co.,Ltd.,Baoji Shaanxi 722409,China)Abstract:The form,position,cause and prevention of shrinkage defects in aluminum alloy clutch housingEPC casting were briefly analyzed.Through the experiment,it was found that the shrinkage defects of alu-minum alloy cluch housing could be effectively solved by combining the simulation with the field experi-ment,improving the gating system,increasing the gate nest,and improving the feeding capacity of the ga-ting system.Key words:clutch housing;EPC;gate nest;feeding capacity;shrinkage porosity;shrinkage cavity铝合金消失模铸造中铸件的浇注系统设计是非常关键的。本文根据集成式离合器壳体产品结构特点，解决铸件缩松和缩孔缺陷的问题。分析产品结构，合理设置浇口，提高浇铸系统的补缩能力，借助MAGMA仿真模拟软件对凝固过程进行模拟，结合现场的试验，解决铸件关键位置的缩松和缩孔缺陷问题。浇注系统的补缩能力与内浇口的位置、内浇口的尺寸有非常密切的关系。通过浇注系统的优化设计，提高浇注系统的补缩能力，延迟内浇口的凝固时机，可有效解决缩孔和缩松缺陷。1工艺设计1.1结构分析离合器铸件如图1所示，外形尺寸540mm464.3mm，重量约33.45kg，未注壁厚7 mm，材质为AISi7Mg合金。为了保证铸件的外观和减少变形，根据经验，浇注过程铸件离合器端朝上。图1（a）为图1（b)虚线区域剖视图，此区域集成了气缸和拨叉轴三排盲孔（以下简称三排孔），为图1离合器铸件结构Fig.1Clutch casting structure收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 9作者简介：淡瑶（198 7 一），女，中级工程师，本科，主要从事消失模铸造工艺设计及铸件热处理等相关工作。联系电话：18 7 9197 8 12 9;E-mail：d a n y a o 2 0 2 2 16 3.c o m29.淡瑶：铝合金体铸件缩松缺陷分析第4期保证气缸的前度配置有加强筋，此处气缸及加强筋在隔板以上，铝液的流向向上；三排孔深度56 mm、直径17mm、壁厚15mm，与隔板结合区域形成热节。此处即为铸件缩松缺陷位置。三排孔在隔板以下部分铝液的流向向下，且分散为多个区域，对热节区域的补缩和冷却造成影响。图1（c）为图1(b)实线区域剖视图，铸件隔板上下均有较深凹槽，最大凹槽深度为98.5mm，宽度为27mm。润滑油过滤凹槽的尺寸为：直径41.1mm，深度16 4mm。铸件还有多处深槽结构，深度和长度各不相同。此处铝液通过隔板流动至铸件底部过程需要有两次分流，降低了铝液的温度，影响了铝液的流动性，不利于厚大部位的补缩。该铸件特点为：铸件集成了气缸、过滤等功能性结构；减重槽较多；铸件高度46 4.3mm，隔板距底面196.5mm，铝液的最大流程为6 6 4mm。基于以上特点，结合消失模铸造干砂造型、模型涂层涂覆等必要条件，此铸件不利于消失模铸造过程的填砂造型和铝液充型，增大了铸件缩松缺陷的解决难度。1.2主要缺陷此铸件的主要缺陷为缩松、缩孔，位置集中在隔板的三排孔区域和气缸区域，见图2。图2铸件缺陷Fig.2Casting defects1.3原因分析1.3.1工艺设计和浇注条件该工艺设计存在浇注系统补缩能力不足和内浇口凝固早于缩松区域的问题。浇注条件包括浇注温度和浇注速度。随着浇注温度升高，液态金属的液态收缩率增大。浇注温度为7 50 7 6 0，铝液从浇注温度冷却至室温产生的收缩为液态收缩、凝固收缩和固态收缩之和。其中，液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因，而固相收缩对应力、变形与裂纹的影响较大。随着浇注温度降低，浇注系统的补缩能力会降低。浇注速度越快，充型过程不稳定，易于卷气，局部壁厚较大区域不能稳定充型，也无法持续得到铝液补充，因此,形成缩孔和缩松缺陷的风险会增加。铸件的浇注系统设计和浇注条件需要同时考虑，浇注系统对应合适的浇注温度和浇注速度，铸件的质量也会得到相应的改善。1.3.2铸件结构铸件隔板三排孔区域和气缸结构区域存在壁厚突变的情况，缺陷表现为缩松和缩孔。内浇口通过均匀壁厚区域将铝液推送至三排孔和气缸区域，而这些区域的壁厚均在2 5mm以上，且热节范围较集中，铝液积蓄热量，型砂接触散热较慢，故而凝固稍晚于均匀壁厚区域。周围均匀壁厚区域凝固后，导致三排孔和气缸区域的液态金属在凝固过程中无法得到持续的液态金属补充，同时存在液态收缩、凝固收缩和固态收缩，形成集中的缩孔和缩松缺陷。1.3.3型砂的冷却能力型砂的温度和蓄热能力对铸件的缩松和缩孔也有较大的影响。当型砂温度一定时，型砂的蓄热系数越小，铸件冷却速度越慢；当蓄热系数一定时，型砂温度适当降低，铸件冷却速度会加快。2试验方法考虑消失模铸造工艺特点、铸件结构及浇注系统清理的效率，在铸件隔板的中心孔位置设置内浇口，浇铸系统直浇道、横浇道和内浇道的阻流面积依次减小。采用MAGMA仿真模拟软件，对于内浇口位置、尺寸和浇口窝尺寸、大小进行不同方案的设计和仿真模拟。由于消失模铸造工艺的冲型和凝固过程较普通的砂型铸造过程复杂，铝液的充型方向、模型的气化和液化情况存在很多不确定性，因此，根据产品情况和缺陷位置，加设浇口窝，设计了四种浇铸方案，并进行仿真模拟。方案一：在中心孔设置圆形内浇道，由厚度2 5mm倒斜角至厚度15mm，即内浇口的阻流形状为环状，其与铸件接触宽度为15mm。模拟结果见图3（a）。方案二：在中心孔设置十字型浇口，每个浇口宽度40 mm，由厚度2 5mm倒斜角至厚度15mm，其中一个内浇口正对三排孔中间圆形凸台。仿真模拟结果见图3(b)。方案三：在中心孔设置十字型浇口，每个浇口宽度40 mm，由厚度2 5mm倒斜角至厚度15mm，其中30第44卷热处理技术与装备一个内浇口的方向与中心孔和三排孔中间圆形凸台圆心的连线呈45。仿真模拟结果见图3（c）。方案四：在中心孔设置内浇口，呈T字型分布，每个浇口宽度40 mm，由厚度2 5mm倒斜角至厚度15mm，取消正对三排孔中间圆形凸台的内浇口，其余三个内浇口方向与方案二相同。仿真模拟结果见图3(d)。(a)(b)(c)(d)（a)方案一；(b）方案二；（c）方案三；（d）方案四图3不同方案的仿真模拟结果(a)scheme I;(b)scheme II;(c)scheme III;（d)s c h e m e IVFig.3Simulation results of different schemes根据模拟结果，结合现场生产经验，方案一采用圆形内浇口，三排孔区域缩松风险较小，但是需要机加工去除内浇口。方案二采用十字型内浇口，方向正对三排孔中间圆形凸台，缩松风险仍然存在。方案三采用十字型内浇口，方向与中间凸台方向成45，缩松风险较方案二高。方案四中三排孔处缩松风险最高。综合考虑，采用方案二进行铝合金离合器壳体浇铸。并对方案二中对不同内浇口厚度进行对比和实验，内浇口厚度分别为12、15和2 0 mm时，仿真模拟结果见图4。3试验结果在中心孔设置十字型浇口，每个浇口宽度40 mm，由厚度2 5mm倒斜角至厚度12 mm,其中一个内浇口正对三排孔中间圆形凸台，加设直径为8 0 mm、高度为40 mm的浇口窝。浇铸6 件，其中3件出现缩松缺陷，位置在三排孔区域，探伤照片见图5（a）。在中心孔设置十字型浇口，每个浇口宽度40 mm，由厚度2 5mm倒斜角至厚度15mm，其中一个内浇口正对三排孔中间圆形凸台，加设直径为8 0 mm、高度为40 mm的浇口窝。无缩松缺陷，探伤照片见图5(b)。经过单次浇铸12 2 4件，多个批次验证，浇铸数量大于30 0 件，未发现缩松。(a)(b)(c)(a)12 mm;(b)15 mm;(c)20 mm图4不同内浇口厚度的仿真模拟结果Fig.4Simulation results of different inner gate thicknesses(a)(b)缩松缩松（a）内浇口厚度10 mm；（b）内浇口厚度15mm；（c）内浇口厚度2 0 mm图5铸件探伤照片(a)inner gate thickness of 10 mm;(b)inner gate thickness of 15 mm;(c)inner gate thickness of 20 mmFig.5Flaw detection of castings上接第2 7 页）31瑶：铝合铸件缩松缺陷分析淡第4期在中心孔设置十字型浇口，每个浇口宽度40 mm，由厚度2 5mm倒斜角至厚度2 0 mm,其中一个内浇口正对三排孔中间圆形凸台，加设直径为8 0 mm、高度为40 mm的浇口窝。浇铸6 件，其中2 件出现缩松缺陷，探伤照片见图5（c）。4结论内浇口的尺寸、位置及浇口窝的设置对铸件的内部质量有很大的影响。对于复杂结构的铝合金离合器壳体铸件，采用中心孔进浇，在中心孔设置十字型浇口，每个浇口宽度40 mm，由厚度2 5mm倒斜角至厚度15mm，其中一个内浇口正对三排孔中间圆形凸台，加设直径为8 0 mm、高度为40 mm的浇口窝，可以消除三排孔区域的缩松缺陷。3本化学除铜液的常温除铜速度为9.6 m/h；若采用工作温度40 6 0 和空气搅拌方式，可有效提高除铜速度达18.6 m/h。并提供3种除铜方式下的除铜速度，供操作者根据实际情况选择。4)本工艺可退除电镀镍，采用工作温度40 6 0 和空气搅拌，比现用退除电镀镍速度快近1倍，可推广应用于化学退除镉层。5）该化学退除液的废液处理方法属常规污水处理方法，方便实施。参考文献1张允诚.胡如南.向荣.电镀手册M.4版.北京：国防工业出版社，2 0 11.2陈宇宁，解瑞，刘海，等高密度陶瓷封装外壳电镀涨参考文献1何义成，王仲珏，刘冠岳.消失模铸造浇注系统的设计方法J.机械工程师,2 0 0 8（11）：12 2 12 3.2热处理工艺对高压石油管性能的影响J.热处理技术与装备,2 0 19,40(2):35-40.3杨丽，韩超，张冰，等.6 0 0 5AT6铝合金室温拉伸实验方法分析J.热处理技术与装备，2 0 19,40（1）：39-42.4龙必查.盘圆料球化退火质量和成本控制J.热处理技术与装备，2 0 19,40(2）：47-51.5陈立超，谭琳，周龙，等.热处理制度对7 0 2 0 铝合金电导率及硬度的影响J热处理技术与装备，2 0 18,39(6):48 50.6段贺，宋宁宁，谭晖，等.铝合金杆退火对铝合金导线性能的影响J.热处理技术与装备，2 0 15,36(5）：53-55.金问题分析与解决J.电镀与涂饰,2 0 2 0,39（14）：90 5-909.3周波，唐正生，许海仙，等多层陶瓷基板电镀层结合力不良的原因和解决措施J.电镀与涂饰,2 0 18,37(23):1094 1098.4杨改航，唐茹英消除安装管激光刻字处锌镍合金镀层发暗生锈缺陷A.第五届中国航空学会青年科技论坛论文集C.2012：6 10-6 15.5夏凌如何去除模型零件上的电镀层J.模型世界，2009(11):48.6朱东晖.铜及不锈钢基材上锡/锡-铅合金电镀层的退除J.电镀与精饰，2 0 0 4，2 6（3）：30-32.7王文忠常见不良镀层的退除J.电镀与环保，2 0 14，34(4):57-60.