中國壓鑄雜志
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不改料一肖中特:點冷卻技術及CT掃描技術在復雜汽車壓鑄件上的應

作者:admin 來源:原創 發表時間:2014-11-25
文:EBERHARD•AMBOS
MAGDEBURG HARRYMARBACH


 
摘要:在對不可避免的各種壁厚鋁壓鑄件,采用長而細的型芯進行壓鑄時,往往有許多困難。1、鋁與型芯表面的粘結。2、由于冷凝收縮在鑄件內引起的孔隙。3由于高溫,當超過熱作鋼的熱強度時,造成型芯的提前破損。這些都是不愿看到的結果。
采用點冷卻對鑄件部分局部冷卻,實踐證明對于防止這些缺陷,具有許多優點。采用點冷卻設備,對10個不同尺寸的型芯冷卻,使所研究的缺陷,如:型芯破損,型芯表面高的粗糙度以及在鑄件結構內較大孔隙度得以防止。
借助于快速計算機X線體層照相術,可以證實在鑄件內極低的孔隙體積值(其值范圍大大低于千分之一)。因此,點冷卻可以作為在壓鑄模具內對局部溫度域進行敏感調節的重要方法。
壓鑄模具溫度調節的意義在不斷增加,因為合理的溫度控制對于壓鑄模具有一系列的決定性經濟優點。
 
前言
目前以液體噴涂對壓鑄模具表面冷卻及潤滑的主要方法,會造成壓鑄模具磨損及失效,是一種不得已的措施,壓鑄模具在使用時間通常平均不超過100000個循環。壓鑄模具循環次數,當采用常用的冷卻脫模方案,模具壽命為60000模次。這樣的模具壽命,通過新的涂層工藝技術應提至150000——200000個鑄件循環壽命。
除了提高壓鑄模具的工作壽命,正確的溫度設計對于加工質量水平也起一定的作用。人們知道,在壓鑄時由于有錯誤的液態金屬補給,在冷凝的結構內幾乎總是有孔隙,尤其是在不同壁厚的交匯處附近。一個已被證明可靠的防止這樣的缺陷,尤其是在進行金屬切削加工中這樣的缺陷會暴露,以及對加工面質量有損害的缺陷的技術方法,就是有針對性地來影響該部分鑄件的溫度。點冷卻技術被證明為用于減少或排除這些不利影響的合理方法。
奧地利的研究者對各種局部高溫措施的作用進行了對比。他們所關切的是:壓鑄件壁厚在變化的區域;在冷凝及冷卻時,構成局部的熱節(“過熱點”),其冷凝收縮往往不能足夠抵消,這樣導致缺陷及微結構缺陷,如:孔隙度、海綿體及粗糙的組織結構。對于事先的幾何體,只有通過對組織進一步防止不均勻性,才有可能提高構件的特性。按照經驗,事先認定的組件缺陷,如:轉向器殼體,曲軸箱或凸輪軸支架,主要是由于油和氣壓密封不夠,導致十分高廢品生產率。
由前述原因,為確保高度要求的壓鑄模件的質量,不只是壓鑄模具的熱力問題,更不是靜力學問題。在壓鑄過程,工藝參數經常發生許多變化,就溫度來說,幾乎每次生產過程中斷(停頓、壓鑄模具及壓鑄設備或其他設備部件,新壓鑄模具的更換等。),也會導致壓鑄過程改變以及形成缺陷的危險等,因此,要求特高的鑄件,即缺陷公差范圍很窄,對孔隙度的不斷監控具有重要意義(例如:與安全有關的構件。)
在市場上采用快速計算機X線體層照相術(CT)可以了解掌握模具調溫的精確性對鑄件加工循環時間內有一定程度的影響。
通過將噴射冷卻與快速計算機X線體層照相術相結合,在壓鑄作業中獲得決定性的經濟效益。
所研究的構件及工藝特點
研究的對象是一個用于轎車變速箱,稱之為“閥體”要求很高的壓鑄件(圖1a和b)。這樣的鑄件,對尺寸精度及表面質量以及孔隙度,有很高的要求。

 
這樣的構件模具需要有10個細長比極高的型芯才能成型(最小直徑為6.68—12.21mm,總長為58.3—108.6mm),圖2中型芯的位置圖給人清晰的印象,下面重點研究圈示的型芯114、112。
在此壓鑄件上開始工藝工作時,可將型芯作為未冷卻,型芯材料為熱作鋼。圖3反映當時的經驗與認識,以平均直徑范圍4—7mm的點冷卻——型芯為經驗規定。在圖3以綠色標記的范例情況,所要求的型芯幾何值遠遠超過已知的作為參數的值,型芯有高的細長比。由于實例10個型芯彼此緊密相鄰的尺寸,在圖3只表明4種典型情況。
由于缺乏短期可用的其他工藝辦法,因此,盡管預知有困難,仍寄希望于未冷卻全芯上。

 
這樣的確定所得結果為下:
1、由于高的收縮力所造成的高機械載荷,在型芯表面的粘結,增高了脫模力,加之較高的溫度造成型芯破損。

 
2、型芯破裂的結果,對模具有嚴重損害。
3、表面粘結影響鑄件內表面質量。

 
通過查找原因,得出下列認識:
型芯破裂原因首先是:由于從型芯不充分的散熱,型芯高的溫度,導致液態鋁和型芯材料之間趨于形成連接(高的粘結傾向),增高型芯脫模力(點冷卻與此相反,在型芯上有粘結附層,而減少了粘結傾向),圖4表示在約17000個壓鑄件之后所粘結的不同的尺寸鋁顆粒。
圖5表示圖4的型芯未過濾的表面粗糙度輪廓,此測定值為純視力所觀察到的結果。

 
型芯破損的其他原因是型芯材料的抗拉強度隨溫度升高而急劇下降,圖6表示這樣的關系。

 
以前對噴射冷卻所作研究,是借助于在型芯中放入的熱電,在較小直徑型芯的表面溫度超過約400度,圖7表示裝有一個熱電鍋的型芯,由此可知,高的溫度與極大的拉力所組合載荷,可以導致未冷卻型芯的破壞。這種情況在系列澆鑄作業時必須認識。

 
點冷卻技術的優勢
用于提高型芯使用壽命及達到其他一些優點,應用點冷卻工藝可作如下表述:
問題的出發點是由于好的型芯表面可以防止型芯破損。具有硬化層的點型芯的涂層,(釩和鈦一氮化物,碳化鈣)會使摩擦力減小,防止或明顯減小冷卻型芯與澆鑄材料的粘結,使其載荷變小。新的噴射冷卻型芯的表面質量,以粗糙特性參數來表示:Ra=0.10—0.19μm,R2=0.68—1.31μm以及Rt=1.17—1.93μm.
由于冷卻,型芯材料熱工鋼保持較高的強度,這是要考慮的。
除此之外,由于孔隙減少,鑄件質量的提高的優點(較小的冷凝收縮的過熱點)以及型芯破損,模具自動上升可以對壓鑄模具起?;ぷ饔茫ㄗ遠托酒屏芽刂疲?。
點冷卻的原理
點冷卻設備在壓鑄機上的布置,如圖8所示。

 
點冷卻設備是通過高壓水和壓力空與分配器相連接,分配器安放在壓鑄模具上,3用于冷卻介質回流。從分配器引至1個或多個點冷卻(圖9)。點冷卻是十分細的管,安裝在模具或其他模具部分的芯

內,將冷卻液體和壓力空氣直接導入壓鑄模具的冷卻范圍。
冷卻過程簡單介紹如下:第1步是在原先壓鑄過程之前,直接準備好點冷卻芯。與澆注過程開動的同時,將點冷卻設備內的閥打開,高壓水在一定可調的時間內流過型芯進行冷卻??梢勻銜?,流入的水由于型芯高的溫度而蒸發并將熱量排出,使型芯溫度以及直接的澆注金屬的溫度下降,在調節的冷卻時間之后,水從型芯或其他模具部分,借助于壓力空氣驅出,直至放空的型芯再用于下一個澆注過程。
噴射冷卻應用的效果
由于在使用高的長徑比型芯時,對所研究的模具效果不令人滿意,決定以點冷卻的型芯來替代所有未冷卻熱工鋼。

 
從試驗模具出來的噴射冷卻芯示于圖10。其使用壽命與前述的未冷卻芯基本一樣,壓鑄件為17000個,一眼即可看出,在型芯表面上澆注金屬粘結遠遠小于未冷卻的芯。圖11所示粗糙度測定值可以證實。

 
圖11中的測定值 與未冷卻的型芯測定值相比較小。以此證實使用噴射冷卻芯的應用效果,即在熔化物與型芯之間的反應受到限制,從而會在型芯上造成防粘結層,這樣使得型芯從壓鑄件上拔出時力變小,減少了型芯的破壞。
從圖12對不同的型芯實施,對型芯幾何形狀的觀察,可以得以下結論:

 
在德國壓鑄協會(VDD)的技術準則中所作的推薦證明是可靠的。如果超過所推薦的型芯長度,應采取相應的措施來?;ば托舅芄咴睪?,這樣的載荷在拉出型芯時會造成破壞,VDD的推薦值如方程(1):
KL=5•KΦ(mm)                                                      (1)
式中KL——型芯長度
KΦ——型芯直徑
在所舉自動作業的“閥體”鑄件中,這樣的推薦值明顯超過,由此引起上述的缺陷。
在對其他型芯決定時,存在的問題是,舉例中所轉換的幾何形狀的型芯,采用點冷卻能否實現。為圖3所列,至今的作業經驗所涉及型芯直徑的范圍不能超過7mm。長時間研究的結果證明具有較大的直徑的點冷卻型芯也是合理的,在以往研究的噴射型芯的尺寸關系
KL=15•KΦ-20 (mm)                         (2)
證明對于不超過13mm型芯直徑的研究范圍是合適的。令人驚奇的是,偶然幾乎所有點冷卻型芯的幾何形狀與以往發現的腐蝕完全一致。
澆注金屬較小的粘結以及由于冷卻型芯材料較高的抗拉強度的結果,在壓鑄模具系列作業中,經較長的時間,未發現型芯破損。從而對滿足點冷卻使用具有決定性,與此同時,型芯與鑄件分離面上鑄件表面質量得以提高,從而證實了已述事實。在澆注孔范圍內(該孔是以點冷卻芯加工的)在距表面1.5mm間距的孔表面高的冷卻作用未發現孔隙。這樣的組織結構100%無孔隙。
還能滿足其他要求,期望使用點冷卻設備,實現自動化型芯破裂控制。
在應用點冷卻設備之前,由于壓鑄模具復雜的結構,型芯破損時,還會造成模具損壞。存在于點冷卻設備內部自動型芯破裂控制,在其安裝之后,對此有阻礙作用。作用原理如下:
在用壓縮空氣將水吹干之后,設備要以6巴的空氣壓力封堵,在10秒內壓力控制不降,壓鑄機才進行下一個澆注過程。在壓力下降時,點冷卻設備的控制機構中斷其它動作,直至對系統確認,放行下一個澆注過程。
噴射冷卻和快速計算機X線體層照相術結合使用的經驗
在圖1所示壓鑄件,鑒于其生產,有著十分苛刻的要求。對于一位有經驗的壓鑄者不難識別這樣的鑄件涉及著大量結構及澆注技術最高的要求,涉及許多方面,如:裂縫的幾何形狀,大量需澆注的孔,對尺寸精度要求高,對于允許的孔隙嚴格確定等,因此,對于加工企業是一個特別的挑戰,恰到好處的要求以及找到經濟的技術解決辦法。
與在目前進行加工及設計壓鑄模具普通方法相一致,以有效的軟件系統,首先對充模和冷凝進行模擬。在 圖13a、b模擬結果對比(相同的事實情況)表示由于“過熱點”所形成危險研究鑄件幾乎相一致的。感興趣的是,對于在系列作業中事實出現的孔隙進行調查,為此采用在生產過程現代技術方法的快速計算機X線體照相術。
在過去的幾個月內,以其他工藝技術復雜的要求高的壓鑄件為例,論述了使用此法的檢查方法所得的結果。因此,對所介紹的鑄件采用此新的檢查方面感到有興趣。
(......)
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