淺談電動機殼體鑄造氣孔缺陷分析及改進

李 長

（廣東鴻興精密科技股份有限公司,廣東肇慶 526020）

電機殼體是電動汽車電機最重要組成部件之一。筆者公司生產一款電機殼體毛坯，其中氣孔不良缺陷占整體生產總數量40%以上，嚴重影響產品可靠性和外觀質量。隨著公司降低生產成本，提高生產效益的需要，針對氣孔不良問題，進行相關改善。

1 電機殼體結構及工藝簡介

（1）電機殼體為圓柱體結構，外形尺寸為?250mm,內腔尺寸為?218mm，高度為186mm。

（2）主要砂芯結構為兩個螺旋型結構，采用覆膜砂材料J4K 組合而成。

（3）毛坯材質為ZL101A 鋁材，澆注鋁液溫度為730℃，毛坯重量約為18kg,采用重力鑄造工藝，反轉澆注。毛坯示意圖如圖1 所示，澆注方式見圖2。

圖1 電機殼體

圖2 澆注方式

2 氣孔缺陷特征和原因分析

2.1 氣孔位置及特征

通過小批量生產驗證，從不良缺陷統計表中，不良類型第一位是氣孔不良。氣孔主要位置集中在模具上型位置毛坯平面，一般需要加工后才能顯現出來，表面光滑，呈橢圓形或不規則孔洞，如圖3 所示。

圖3 氣孔不良部位

2.2 缺陷不良分析

鑄造過程中的氣體主要來自于熔煉過程、澆注過程和鑄型三個方面。

針對電機殼體氣孔不良發生原因從人、條件、料、法、模具方面進行分析，如圖4 所示。

圖4 人、機、模具、條件、料分析

2.2.1 從人的角度進行分析

目前我司重力鑄造生產工藝采取機械手取鋁水澆注，員工每次放置砂芯入模內型腔，鑄造生產前，員工對鑄造機設備參數進行點檢確認，按照作業指導書進行操作，確保操作過程中沒有發生質量問題。人的因素不是主要原因。

2.2.2 從材料的角度進行分析

在熔煉過程中，氣體主要來自于各種爐料、爐氣、爐襯、工具、熔劑及周圍氣氛中的水分、氮、氧、氫等燃燒產生的碳氫化合物。而鋁在400℃以上即可發生金屬與水汽的反應而產生氣體。排查我司熔煉鋁液的含氫和含渣量以及鋁液成分規格均在合格范圍內。熔煉和鋁液的因素不是主要原因，如圖5 所示。

圖5 熔煉鋁液的含氫和含渣量檢查

電機殼體鑄造工藝是需要結合砂芯才能鑄造成型的。由于砂芯材料需要樹脂粘結劑粘合，在鑄造過程中，型砂中的水分和粘結劑在金屬液體的熱作用下產生大量氣體。若增加鑄型中的粘結劑含量，發氣量會增大；澆注溫度高，產生的氣體量多。發氣量最大的粘結劑也常具有最快的發氣速率，發氣量大，發氣速率高，會在金屬鑄型界面造成較大背壓，往往會引起氣體缺陷，如會導致侵入鑄件內形成侵入性氣孔。因此，砂芯發氣量多少是氣孔產生不良主要原因之一，如圖6 所示。

圖6 鑄造通過放置砂芯成型

2.2.3 從鑄造條件參數進行分析

電機殼體鑄造鋁液澆注，采取機械手澆注。排查生產過程，機械手行程、動作連續性和澆注時間等記錄參數，在規格范圍內，不是主要因素。根據鑄件的表面外觀檢查確認，鑄件本體與冒口，不存在外觀質量問題，排除澆注速度太慢或澆注中有斷流，造成外觀質量不良。

2.2.4 從模具和澆注系統進行分析

分析澆注系統：該澆道采用半封閉式澆注系統，內澆道在鑄件齒輪面位置。直澆道是上小下大圓錐形，能夠很快充滿，控制流量的阻流斷面在集渣包出口處。根據模流軟件Anycasting 分析結果，澆道前期的鋁水從內澆道底部進入，分兩側并向上漸漸充盈，造成鋁水易產生紊流，易裹氣、吸氣，導致產生的氣體集中在模具上型，無法順利排出。模具和澆注系統設計不合理是主要原因之一，如圖7 所示。

圖7 通過模流分析氣體集中上部沒法排出

2.2.5 從方法的角度進行分析

根據鑄造現場作業文件和鑄造條件設置參數確認，現場員工記錄參數與作業文件和鑄造機設置的參數，均在規格范圍內，沒有異常。鑄造作業標準不充足不是主要因素。

3 改善對策分析及驗證

3.1 調整砂芯參數

通過對侵入型氣孔形成機理的分析可知，形成氣孔的氣體來源主要是砂型或砂芯產生的氣體和澆注時卷入的氣體，型砂質量和澆注工藝是鑄件產生該類氣孔的關鍵因素。

高溫條件下砂芯的發氣量和發氣速度稱為發氣性，砂芯的發氣性取決于含水量或有機粘結劑含量、澆注溫度和雜質含量等因素。發氣量越大、發氣速度越快，鑄件越容易產生氣孔。

緊實的砂芯能讓氣體通過而逸出的能力稱為透氣性。砂芯的粒徑越大，砂粒間的孔隙也就越大，透氣性就越好；砂型的顆粒越均勻，透氣性越好。

針對砂芯的發氣性和透氣性這兩個直接影響鑄件的氣孔產生的主要因素，技術人員與砂芯廠家共同相討，開發出新型砂芯的型號，其優化砂芯參數主要有兩個指標：發氣量和粒度目數。砂芯型號由R4A1 變更為J4K，具體參數比較，如表1 所示。

表1 砂芯參數改善前后對比數據

跟蹤本批次電機殼體生產缺陷的情況，發現氣孔有所好轉，但仍然與目標值有較大差異。

3.2 鑄件結構更改

通過質檢人員使用X 光射線檢查毛坯的內部品質，確認氣孔集中在毛坯面，也就是模具上型最頂部位置。技術人員進行討論決定，以增加鑄件冒口的方式，促進氣體從鑄件排出。在圖8 所指示部位，增加冒口結構，使侵入型腔中卷氣有充分時間上浮排出鑄件本體。

圖8 模具上型增加冒口結構

驗證結果：通過上述改善措施，跟蹤生產批次氣孔不良缺陷情況，不良率由原40%下降至8%以下，取得了良好的效果。

4 結論

在我們公司日常生產過程中，重力鑄造的鑄件氣孔不良是普遍存在的，根據不同鑄件結構要求，在產品開發前期，通過鑄造軟件分析，優化澆注系統設計，減少過程中不良缺陷的發生。同時，根據鑄件結構和內部品質要求，采用合理的鑄造工藝，從而提升鑄件的質量。