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汽車配件壓鑄件氣孔分析及解決方案
隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展和汽車輕量化的要求,鋁、鎂等合金壓鑄零件明顯增加,為壓鑄業(yè)進一步發(fā)展提供了廣闊前景。由于零件的輕量化需求,對合金材料性能、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和過程設(shè)計和控制的要求更加嚴(yán)格。2222
各汽車廠對壓鑄件的要求越來越嚴(yán)格,對壓鑄件孔隙率的要求,一般為5%~10%,對某些零件的要求甚至到了3%。針對壓鑄件缺陷的檢測方法和檢測位置,可以在壓鑄機選擇、模具設(shè)計和過程設(shè)計時,借助計算機模擬分析,進行試驗研究,采用P-Q2軟件等進行優(yōu)化。
壓鑄件氣孔、縮孔和渣孔缺陷發(fā)生在鑄件內(nèi)部,產(chǎn)生缺陷的原因不盡相同。為了消除缺陷,識別缺陷種類并分析其原因尤為關(guān)鍵,而檢查零件的工具和方法將影響最終的判斷。以下,筆者只討論如何解決鋁、鎂合金壓鑄氣孔問題。
壓鑄機配件產(chǎn)生氣孔的原因:
1、內(nèi)澆口速度過高,湍流運動過劇,金屬流卷入氣體嚴(yán)重
2、內(nèi)澆口截面積過小,噴射嚴(yán)重
3、內(nèi)澆口位置不合理,通過內(nèi)澆口后的金屬立即撞擊型壁、產(chǎn)生渦流,氣體被卷入金屬流中
4、排氣道位置不對,截面積不夠,造成排氣條件不良
5、大機器壓鑄小零件,壓室的充滿度過小,尤其是臥式冷壓鑄機上更為明顯
6、鑄件設(shè)計不合理:a形成鑄件有難以排氣的部位;b局部部位的壁厚太厚
7、待加工面的加工量過大,使壁厚增加過多。
8、熔融金屬中含有過多的氣體
····
壓鑄機配件的氣孔分為兩種:
一種是填充時,金屬卷入氣體形成的內(nèi)表面光亮和光滑、形狀較為規(guī)則的孔洞。另一種是合金熔煉不正確或不夠,氣體熔解于合金中。壓鑄時,激冷甚劇,凝固很快,熔于金屬內(nèi)部的氣體來不及析出,使金屬內(nèi)的氣體留在鑄件內(nèi)而形成孔洞。
壓鑄機配件內(nèi)的氣孔以金屬卷入型腔中的氣體所形成的氣孔是主要的,而氣體的大部分為空氣。
1.氣孔檢查
對于壓鑄件氣孔檢查,須著重考慮幾個位置:①有限元分析最大應(yīng)力位置;②零件模擬分析卷氣位置;③零件工作關(guān)鍵部位(如密封面等)。
一般壓鑄件可采用X光檢查;發(fā)現(xiàn)缺陷后,切開零件進一步檢查。在過程控制時,按ASTM E505等級2控制,關(guān)鍵部位應(yīng)按ASTM E505等級1控制。
氣孔一般表面比較光滑,呈圓形或橢圓形,有時孤立存在,有時簇集在一起。圖1為壓鑄件氣孔表面。
而縮孔和縮松形狀不規(guī)則,表面色暗而不光滑,在顯微鏡和電鏡下,可以發(fā)現(xiàn)缺陷位置存在枝晶結(jié)構(gòu),見圖2。有時氣孔和縮孔同時存在于同一個缺陷位置,要仔細觀察。
2.氣孔形成
2.1.氫氣氣孔
圖3為氫氣氣孔。氫氣氣孔微小,形如針狀,且均勻分布,零件表面加工后才能觀察到。由于壓鑄件壁薄,金屬液凝固速度快,有時氫氣氣孔肉眼難以觀察到。水蒸氣是氫氣最主要的來源,可能來自爐氣、熔煉工具、鋁錠/回收件、油污染機加工屑和濕精煉劑等。
通常鋁合金壓鑄采用旋轉(zhuǎn)除氣裝置(見圖4)。氣體源一般使用氬氣、氮氣或氯氣。在金屬液中通入氣體,通過轉(zhuǎn)子切成大量微小氣泡,由于氣泡內(nèi)外的濃度差,將氫氣吸入氣泡內(nèi),一起排出金屬液外(見圖5)。
除氣效果受設(shè)備、氣體選擇、除氣轉(zhuǎn)子速度和除氣時間等因素的影響,通過檢測除氣后金屬液密度來衡量。采集一定量的鋁液倒入小坩堝內(nèi),放入減壓室,在減壓條件下凝固,分別在空氣和水中稱量,再按下式求得試樣相對密度。
式中,ρs為凝固試樣的相對密度;ma為試樣在空氣中的質(zhì)量,g;mw為試樣在水中的質(zhì)量,g。
2.2.卷氣氣孔
卷氣氣孔呈圓形,內(nèi)部干凈,表面比較光滑且具有光澤,卷氣有時單獨存在,有時簇集在一起。圖6和圖7分別為宏觀和掃描電鏡下卷氣氣孔特征。卷氣一般發(fā)生在沖頭系統(tǒng)、澆道系統(tǒng)和型腔內(nèi)。
2.2.1 沖頭系統(tǒng)卷氣
在金屬液從壓室或鵝頸流到內(nèi)澆口的過程中,很多空氣會卷入。一般壓鑄工藝不可能改變紊流液體流動模式,但是可以通過改進給料系統(tǒng),減少金屬液到達內(nèi)澆口的卷氣量。
對于冷室壓鑄,應(yīng)該考慮充滿度,即澆入冷室壓鑄機的液態(tài)金屬量占壓室容量的比率。在設(shè)計過程參數(shù)時,充滿度要大于50%,以70%~80%為宜。圖8為某壓鑄件充滿度與卷氣量的關(guān)系圖。
在壓鑄機選擇和模具設(shè)計過程中,一般通過P-Q2軟件計算(P為壓力,Q為流量),選擇合適的壓室尺寸和充滿度。在射筒尺寸確定后,要考慮從澆包到射筒的澆注速度。如果充滿度小于50%,壓室的上部空間大,金屬液將會產(chǎn)生波浪,在沖頭和模具之間往復(fù)運動。當(dāng)沖頭開始向前運動,形成沖頭前面和射筒中部的反射波浪匯合,就會發(fā)生紊流和卷氣。這樣,使鑄件氣孔增加,同時還會引起壓室內(nèi)的液態(tài)金屬激冷,對填充不利。
最佳解決辦法是在金屬波反射之前,沖頭已開始運動,也就是說,沖頭和初始波的方向相同,這可以大大減少卷氣。另外,使用P-Q2軟件選擇較合理的設(shè)計參數(shù),滿足至少50%的充滿度。
在產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計過程中,還應(yīng)該考慮下面過程因素:①對于冷室壓鑄來講,包括澆注速度、壓射延遲時間、低壓射加速、澆口速度、澆口至低速壓射的切換點、低壓射速度和快速壓射起始點;②對于熱室壓鑄來講,包括低壓射加速、低壓射速度至快速壓射的切換點。對上述參數(shù)適當(dāng)調(diào)整和監(jiān)控,盡量減少卷氣程度。
2.2.2.澆道系統(tǒng)卷氣與排氣
金屬液在64~160km/h速度下,一旦遇到澆道形狀發(fā)生變化,沖力會使金屬液產(chǎn)生漩渦,導(dǎo)致產(chǎn)生卷氣氣孔缺陷。
通過合理設(shè)計澆道形狀來解決這種卷氣,應(yīng)保證金屬液在整個充型過程中平穩(wěn),需要對澆道的曲線和尺寸合理選擇。
2.2.3 型腔卷氣
減少型腔卷氣氣孔缺陷,要確保排溢系統(tǒng)設(shè)計合理和排氣通暢。圖9為某壓鑄件排溢系統(tǒng)。排溢系統(tǒng)由溢流槽、排氣槽和溢流道等部分組成。
排溢系統(tǒng)應(yīng)保證排出金屬液前端氣體。通常使用Z型或扇形排氣,深度淺而位于模具邊緣,可以避免產(chǎn)生噴射。
溢流槽和排氣槽一般設(shè)置在液態(tài)金屬的最后填充位置,可通過模流分析確定該位置,同時保證足夠的排氣尺寸;分型面上的排氣槽通常設(shè)置在溢流槽后端,以加強溢流和排氣的效果。齒形排氣道具有良好的排氣效果,模具設(shè)計時,最好保證至少要有一個齒形排氣道。
真空壓鑄將有助于解決此類問題。在金屬液到達之前,真空系統(tǒng)已經(jīng)開始運行。在作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中,應(yīng)監(jiān)控沖頭從澆口到達真空閥的時間,一般應(yīng)至少1s,有時需要調(diào)整低速壓射起始位置。
在傳統(tǒng)壓鑄中,使用溢流槽和排氣系統(tǒng),在內(nèi)澆口處開始壓力達到180kPa,最后填充處能達到400kPa;真空壓鑄時,采用真空通道和真空閥,在內(nèi)澆口處開始壓力達到20kPa,最后填充處能達到18kPa。通常,在真空條件下,型腔內(nèi)的氣體壓力達到2~7kPa;而在無真空條件下,型腔內(nèi)氣體壓力達到300kPa以上。因此,真空技術(shù)可以有效降低型腔內(nèi)壓力。
在工藝設(shè)計時,注意下面幾點:①澆道系統(tǒng)避免出現(xiàn)方形轉(zhuǎn)角,并保證澆道的表面光滑;②排溢系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計在最佳位置,保證通到模具邊緣,排氣面積足夠和保證排氣充分;③真空系統(tǒng)設(shè)置在關(guān)鍵表面和連接部分,避免泄漏和周圍環(huán)境干擾;真空通道尺寸正確,特別是在型腔進口處;測量和監(jiān)控型腔內(nèi)的壓力,如果超出監(jiān)控范圍,報警并自動報廢零件;真空閥正常工作;定期清理真空系統(tǒng)。
2.2.4.模擬分析
壓鑄過程的模擬仿真技術(shù),對鑄件充型過程(流場)模擬,可以預(yù)測在射筒、澆道和型腔內(nèi)卷氣情況。鑄造充型過程的數(shù)值模擬,可以幫助技術(shù)人員在鑄造工藝階段對鑄件可能出現(xiàn)的各種卷氣壓力大小、部位和發(fā)生的時間予以有效的預(yù)測,從而優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計,確保鑄件的質(zhì)量,縮短試制周期,降低生產(chǎn)成本。圖10為某壓鑄件卷氣模擬分析,實際氣孔位置與模擬流場分析卷氣位置符合。
當(dāng)模具參數(shù)和過程參數(shù)設(shè)計改變時,應(yīng)重新進行模擬分析并仔細評估,確保排溢系統(tǒng)有效工作。
2.3.水蒸氣氣孔
外觀上水蒸氣氣孔一般呈現(xiàn)為圓形、灰色、暗淡、不平整和干燥鱗狀特征,見圖11。出現(xiàn)此特征應(yīng)檢查脫模劑噴涂和模具冷卻水管泄漏狀況。
當(dāng)金屬液在填充過程中遇到水時,會形成水蒸氣。在水轉(zhuǎn)化為水蒸氣的過程中,會產(chǎn)生膨脹。在水滴的位置,會形成水蒸氣氣泡。氣泡所占的空間大約是原水滴的1500倍。氣體很難通過排溢系統(tǒng)排出,存在于金屬某處,位置很難預(yù)測。
一般的水蒸氣氣孔大約98%來自壓鑄涂料。主要出現(xiàn)在以下壓鑄過程:①模具上噴涂過多的水基涂料,當(dāng)模具開始閉合時,型腔內(nèi)沒有完全干燥;②水管泄漏;③水管連接螺紋處泄漏;④模具開裂,有水滲入;⑤在模具閉合時,模具上端的水滴流入型腔內(nèi);⑥水基液壓液體殘留在模具上。
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