CN104635615B - 铝合金精密压铸件机加工时表面孔洞控制的doe方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用Design‑Expert软件有效地控制铝合金精密压铸零件在加工时表面孔洞尺寸及数量的新型技术，表面孔洞的尺寸、数量和分布是衡量铸件质量的重要标志，目前铝合金精密压铸零件在机加工时表面经常发生、难于预测和控制的铸造孔洞，从而降低铝合金精密压铸零件质量的现象，本发明是在铝合金精密压铸零件毛坯生产结束后，选取适量样品，按照Design‑Expert软件的选区标准，测量其内部铸造孔洞尺寸及数量，模拟出该批次相同生产参数下铝合金精密压铸零件内部铸造孔洞尺寸及数量的规律，在此基础上通过调整零件的加工余量，使最终铝合金压铸零件的表面孔洞及尺寸满足图纸要求，产品的合格率达到90％，从而有效地降低了废品率。

Description

铝合金精密压铸件机加工时表面孔洞控制的DOE方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金精密压铸件机加工时表面孔洞控制的DOE方法，属于铝合金压铸质量控制技术领域。

背景技术

铝合金精密压铸是所有铸造汽车零件方法中生产效率最高的一种。它是在高压作用下使液态或半液态金属高速填充铸型，并在压力下凝固成铸件的铸造方法。压铸件在充填型腔时气孔难以避免，尤其当压铸工件表面出现孔洞时会严重影响其质量导致报废。因此研究控制减少压铸件加工表面孔洞的方法，对改善其力学性能，提高产品质量具有重要意义。

本发明以铝合金精密压铸零件中的孔洞为研究对象，首次将DOE方法应用到铝合金精密压铸零件机加工生产，从而控制零件表面孔洞的数量及尺寸(通过资料阅读以及专利查询，国内目前对DOE方法的研究刚刚起步，将其应用到机械加工中更是少之又少)。采用DOE中的表面响应法(Response Surface Method,RSM)模块建立了孔洞的分布规律模型，在满足铝合金精密压铸件装配等性能要求的前提下，通过孔洞分布模型，计算出实际机加工中的加工余量，从而降低孔洞在最终产品的加工表面外露的概率，满足采购商日益严格的表面质量要求。本发明在铝合金精密压铸件的孔洞质量问题分析优化上起到了很好的效果。(在铸造行业中孔洞的出现是无法避免的。当孔径较小并出现在工件内部时，通常不会对工件质量造成很大影响。但若出现在机加工表面就会直接影响零件的表面质量以及疲劳性能。)

铸造孔洞的数量和尺寸是衡量铸件加工表面质量的主要指标。影响孔洞的因素很多，包括模具浇道设计、铸造工艺、铸造型腔尺寸等，而且这些因素彼此交互影响。奥地利学者发现压铸零件的疲劳裂纹源90％以上产生于铸件的气孔，美国学者的研究表明铸造气孔是影响铸造零件延伸率的主要因素，且疲劳裂纹源往往首先出现在孔洞密集的区域。所以压铸件内部的气孔是影响铸件机械性能的主要因素。气孔性质、大小和分布的差别，导致了铸件力学性能的差异。零件在机加工时一旦出现超出图纸要求的孔洞，将导致零件报废。由于当前的压铸零件孔洞分布形态评定只是对孔洞所占截面的面积，孔洞的半径尺寸，孔洞之间的平均距离及铸件的密度进行评定，而对孔洞位置和大小数量的分布考虑得不是很充分。因此，如何在此基础上通过控制加工余量减少产品加工面上的气孔外漏，是降低铝合金精密压铸零件废品率的重要手段。目前工业上对铝合金精密压铸件的加工余量的控制往往依据以往的经验，具有很大的随意性和不确定性，没有一个规范的加工余量的控制标准，铸件的机加工废品率很高，产品的成本较高，这已成为了一个急需解决的难题。

Design-Expert(DOE)的特点是以高等数学规律计算和统计学原理为基础，从开发方法学的角度对实验方法计划进行优化。DOE的主要优势体现在实验可以按照统计学的原理安排，实验结果可以得到定量分析。此外与其它实验方法相比，实验费用的性价比高。目前DOE在生物、医药等领域有着广泛应用，但国内对DOE方法的理解运用还有所局限，尤其在材料生产制造领域的DOE优化使用几乎没有，这也是本发明的创新之处。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝合金精密压铸件机加工时表面孔洞控制的DOE方法，克服现有对铝合金精密压铸件的加工余量的控制往往依据以往的经验，具有很大的随意性和不确定性的不足，通过本发明在铝合金精密压铸生产工艺参数一定的前提下，提供控制铝合金压铸件加工表面孔洞尺寸和数量的技术，从而解决在实际生产中因为孔洞外漏而导致压铸件加工时废品率过高的问题，改善其力学性能，提高产品质量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种铝合金精密压铸件机加工时表面孔洞控制的DOE方法，其特征是，所述方法依据前期对铝合金压铸零件切割截面内部孔洞尺寸数量的统计，在DOE软件的RSM模块下，以铝合金铸件的厚度和高度为参数，建立零件典型截面的坐标系，以RSM模块提供的特定坐标点为圆心，在坐标系内选择相应的范围，通过测量该范围内的孔洞数量与个数，填入相应的RSM任务栏，从而建立孔洞的分布规律模型，模拟出特定生产工艺参数下的零件铸造孔洞分布规律，通过调整模型中的孔洞分布曲线，测算出在图纸公差范围内可以满足实际生产质量要求的合理加工余量标准。

所述方法的具体步骤依次是：

1)选取部分铝合金精密压铸件，使用立式锯床将其切割成若干份，试样的切割截面形状可简化为Design-Expert的选区截面；

2)选取典型截面，通过观察的孔洞基本分布特点，选择合理区域，测得其几何尺寸，建立相应的坐标系；

3)选择Design-Expert中响应面法中的中心复合模块，将铸件高度与厚度设置为两因素，根据alpha值选择坐标系中的选区原点，其体现在坐标系中，选区的标准为各区在保证囊括足够的孔洞的前提下相互之间保持一定的适当间隔；

4)使用光学显微镜测出各区内最大孔洞的尺寸，依次将其填入孔洞尺寸栏内，完成该截面的数据采集；

5)运行软件，通过分析模块的方差分析选项判断数据选取区域是否合理，只有当模型判定为“明显”时，才能说明数据采集合理，建立模型有效；同理，当铸件高度和厚度的假定概率小于0.05时，可以说明孔洞的尺寸与铸件的高度和厚度两设计参数之间存在很大的相关性，而当模型判定为“非明显”或铸件高度和厚度的假定概率大于0.05时，则需要重新设定数据选取区域的范围，使数据选取满足相应的模型建立条件；

6)将所有的数据汇总后，在模型中3D显示中可看出铸造孔洞尺寸随铸件厚度与高度的关系，并能建立起铸件内部大多数截面的孔洞尺寸的分布模型，从图像工具的扰动选项中可通过A、B是否交叉确定厚度与高度之间的相互关系是否会影响铸件孔洞的尺寸，而且从交互作用选项中可以判断出厚度与高度之间的相互影响对铸件孔洞的影响程度；

7)基于轮廓等高线中的环状等位线是可以移动的，而等位线的数值表示了在该区域范围内限定的孔洞尺寸，所以机加工的加工余量计算方法如下：

[1]选择需要控制的孔洞尺寸，如0.1mm，沿环线做切线，使之垂直于两边；

[2]测量出该切线距最外边线的距离d，同时测出图中表示厚度的线的长度D；

[3]列出如下方程

[4]计算得出特定孔洞控制尺寸下的加工余量；

8)通过对孔洞尺寸控制要求的调整，计算出不同要求下的加工余量，同理，对铸造孔洞数量的控制也可以按照以上标准，将所有结果汇总起来，可以得到标准规范的铝合金精密压铸零件的加工余量控制标准。

9)验证及调整，例如当某批次零件的铸造质量较好时，在机加工切削时根据实际情况可适当增大加工余量，而对一些受工艺参数影响，较容易产生孔洞的敏感部位，则需严格遵守加工余量的控制要求，有时还需要减小加工余量并采用多次切削以避免切削过量造成报废；必须指出，制定的铝合金精密压铸零件内的孔洞尺寸数量分布模型能反映绝大多数的铸件内部孔洞情况，但生产上由于一些特殊情况，少数铸件的孔洞分布与建立的模型是有所差异的，此时加工时需根据以往的经验做灵活应变，并且特殊零件出现的概率也可以反过来检测所建立的模型，因此在使用Design-Expert进行铸件孔洞尺寸分析时需要定期对模型进行更新与修正。

我们的前期研究表明：铝合金精密压铸汽车用空调压缩机缸体中的孔洞在特定生产参数下是有一定规律的。铸件内部的孔洞较大，而在边缘处的孔洞较小。铸造压力、温度和时间等因素都会影响到毛坯中的孔洞分布。通过选取适量的毛坯件样品，在Design-Expert的样品选区标准下，选择铸件高度、厚度等加工时的参数作为标准，成功地模拟出孔洞的分布规律，从而制定出规范的加工余量标准。

依据此标准，对于未加工的铸件毛坯，可在原有的进刀量的基础上加上控制后的加工余量，以减少孔洞在最终表面外露的概率，对于已加工完成的表面孔洞较多的压铸零件，可通过降低规定的加工余量值的尺寸来减少孔洞外漏的状况，使废品零件能重新合格化，从而提高成品率。机加工余量在生产中是需要严格控制的，当其值过大时，会造成切削金属过多，影响零件的表面质量及装配性能；当过小时会在加工表面形成黑皮。机加工余量的具体数值依工件尺寸而定，对于一般零件，其值为0.2mm-1mm。

因为目前的铝合金精密压铸件在机加工时的加工余量并没有明确的控制标准，往往凭以往经验进行加工，其随意性会造成很高的废品率，提高了生产成本。依照此标准，能为工人的机加工操作提供指导：对于未加工的铸件毛坯，在原有的进刀量的基础上参照此标准提供的加工余量，能减少孔洞在最终表面外露的概率；对于已加工完但加工表面孔洞较多的压铸零件，在满足装配要求的基础上参照此标准，降低规定的进刀量或加工余量值的尺寸，通过二次加工来减少孔洞外漏的状况，使废品零件能重新合格化。可见本发明提供的加工标准可有效提高铝合金精密压铸件机加工时的合格率，既满足了买家对高质量铸件表面的要求，也满足了厂家不购置新检查设备就能有效提高铸件一次合格率的要求，降低了成本。此外，本发明提供的标准还具有自我优化能力。这是因为机加工余量在生产中是需要严格控制的，当其值过大时，会造成切削金属过多，影响零件的表面质量及装配性能；当过小时会在加工表面形成黑皮。当标准对部分铸件不再适用时，说明可以在原有标准的基础上再次进行加工余量的优化，而得到的新标准将更加贴切实际生产的要求。

附图说明

图1精密铝合金压铸件及立式锯床切割的位置；

图2精密铝合金压铸件经过立式锯床切割后的样品截面；

图3简化后的Design-Expert选区截面；

图4以铸件下部为主的选区截面坐标系；

图5 Design-Expert中响应面法中的中心复合模块界面；

图6铸造孔洞选区示意图；

图7光学显微镜测量的铸造孔洞尺寸示意图；

图8分析模块对孔洞尺寸汇总结果的判定；

图9铸件孔洞尺寸分布模型3D示意图；

图10铸造孔洞受铸件厚度与高度之间相互作用影响；

图11铸件厚度与高度之间相互作用对孔洞的影响程度；

图12加工余量计算示意图。

具体实施方式

结合实施例进一步说明本发明，本发明依据前期对铝合金压铸零件切割截面内部孔洞尺寸数量的统计，在DOE软件的RSM模块下，以铝合金铸件的厚度和高度为参数，建立零件典型截面的坐标系，以RSM模块提供的特定坐标点为圆心，在坐标系内选择适当的范围，以下实施例选择5mm上下波动，通过测量该范围内的孔洞数量与个数，填入相应的RSM任务栏，从而建立孔洞的分布规律模型，模拟出特定生产工艺参数下的零件铸造孔洞分布规律，通过调整模型中的孔洞分布曲线，测算出在图纸公差范围内可以满足实际生产质量要求的合理加工余量标准。

其具体实施步骤如下：

第一步：选取部分铝合金精密压铸件，使用立式锯床将其切割成若干份(具体情况视零件的尺寸形状而定)，如图1所示。试样的切割截面形状如图2所示，其可简化为Design-Expert的选区截面，如图3所示。

第二步：选取典型截面，建立如图4所示坐标系。因铸件的下部分孔洞占整个截面比重较大，对其加工余量的控制尤其重要。使用游标卡尺测得下部分高度20.40mm，厚度15.90mm。

第三步：选择Design-Expert中响应面法中的中心复合模块，将铸件高度与厚度设置为两因素，如图5所示。根据alpha值选择坐标系中的选区原点，如表1所示，其体现在坐标系中如图6所示。选区的标准为各区在保证囊括足够的孔洞的前提下相互之间保持一定的适当间隔，其中(0,0)的选区范围可适当增大。

第四步：使用光学显微镜测出各区内最大孔洞的尺寸，如图7所示，依次将其填入孔洞尺寸栏内，完成该截面的数据采集。

第五步：运行软件，在分析模块的方差分析选项中判断选区是否合理。只有当模型为“明显”时，才能说明数据采集合理，模型有效，如图8所示。当A-height，B-thickness的假定概率值小于0.05时，可以说明孔洞的尺寸与铸件的厚度与高度有很大相关关系。当模型为“非明显”或假定概率值大于0.05时需要重新设定选区的大小，使数据选取满足条件。

第六步：将所有的数据汇总后，在模型3D显示中可看出铸造孔洞尺寸随铸件厚度与高度的关系，并能建立起铸件内部大多数截面的孔洞尺寸的分布模型，如图9所示。从图像工具的扰动选项中可通过A、B是否交叉确定厚度与高度之间的相互关系是否会影响铸件孔洞的尺寸，如图10所示。而且从交互作用选项中可以判断出厚度与高度之间的相互影响对铸件孔洞的影响程度，如图11所示。

第七步：基于轮廓等高线中的环状等位线是可以移动的，而等位线的数值表示了在该区域范围内限定的孔洞尺寸，所以机加工的加工余量计算方法如下，

[1]选择需要控制的孔洞尺寸，如0.1mm，沿环线做切线，使之垂直于两边，如图12所示。

[2]测量出该切线距最外边线的距离d，同时测出图中表示厚度的线的长度D。

[3]列出如下方程

[4]计算得出特定孔洞控制尺寸下的加工余量。

第八步：通过对孔洞尺寸控制要求的调整，计算出不同要求下的加工余量。同理，对铸造孔洞数量的控制也可以按照以上标准。将所有结果汇总起来，可以得到标准规范的铝合金精密压铸零件的加工余量控制标准，其如表2所示。

第九步：验证及调整。例如当某批次零件的铸造质量较好时，在机加工切削时根据实际情况可适当增大加工余量，而对一些受工艺参数影响，较容易产生孔洞的敏感部位，则需严格遵守加工余量的控制要求，有时还需要减小加工余量并采用多次切削以避免切削过量造成报废。必须指出，制定的铝合金精密压铸零件内的孔洞尺寸数量分布模型能反映绝大多数的铸件内部孔洞情况，但生产上由于一些特殊情况，少数铸件的孔洞分布与建立的模型是有所差异的。此时加工时需根据以往的经验做灵活应变，并且特殊零件出现的概率也可以反过来检测所建立的模型。因此在使用Design-Expert进行铸件孔洞尺寸分析时需要定期对模型进行更新与修正。

实施例1：

ADC12铝合金空调压缩机客体在采用精密压铸进行汽车零部件生产的过程中，因为生产工艺参数的限制，使机加工后部分零件的表面出现了过多的铸造孔洞，产品质量下降，达不到买家的要求而造成退货，不仅造成废品率提高，生产成本上升，还影响了作为供货商的信誉。采用本发明工艺后，由于可以较准确地掌握绝大多数铸件内部的孔洞分布规律，改善了以往机加工过程中由于缺少加工余量标准而具有的随意性造成零件报废的现象，降低了先前较高的零件报废率，在提高产品质量的同时又降低了生产成本。

表1 Design-Expert中的alpha值确定的选区点的坐标。

表2铝合金精密压铸件加工余量控制标准。

表1

表2

铝合金精密压铸件在机加工时出现的孔洞个数与尺寸会极大的影响产品的最终性能，前期研究表明铸件中的孔洞分布是有一定的分布规律的，但目前工厂在实际生产中往往忽视了这一点，工人在实际加工中往往根据以往的经验，具有较大的随意性而造成较高的废品率。本发明主要是基于DOE软件的实验优化与数据分析功能，对一定数量的铝合金精密压铸件样本的内部孔洞进行统计分析与优化，定量的模拟了同一生产参数下孔洞的分布规律，从而对机加工时的加工余量进行指导。在实际生产中，进刀量由零件尺寸标准和加工余量两部分组成，其中加工余量是一个范围，可以自由变化。由于零件尺寸标准一般不变，根据孔洞的分布规律，尽管加工余量变化范围较小，其依旧能够影响最终加工表面的孔洞数量与尺寸。本发明主要是能在合理的统计优化的基础上，将加工余量控制到一个准确值，且不需要采购新设备就能提高产品的表面质量。

RSM可以建立孔洞数量和大小的模型，尤其是模型边缘部分，和真实铸件的边缘孔洞分布规律是很相似的。RSM的3D模型多为马鞍形，其2D图中表示孔洞尺寸数量的曲线是可以变化的，在曲线范围内，孔洞的尺寸绝大多数大于曲线标示的尺寸值，这也是控制横截面孔洞尺寸大小的依据。说到底就是用RSM把实际的孔洞分布模型规律在模型中表现出来，再反过来根据模型反推出实际的孔洞分布规律，并制定相应的加工余量标准。

RSM模拟的是横截面的孔洞分布，而质量观察要求的是铸件表面的孔洞分布，这两者之间看似没有关系。但鉴于压铸件中的孔洞绝大多数为圆形或椭圆形，因为下图几何关系，在截面上出现的孔洞由于机加工时外露的尺寸只会更小或与原来的尺寸接近，且因为截面的孔洞的尺寸在选择时选取的是最大值，孔洞外露在机加工面上的尺寸会更小。这样，以在横截面上控制的铸件边缘处的孔洞尺寸得到的加工余量，在实际机加工中，在铸件表面得到的孔洞会稍微小一点。因为我们选取的部分是铸件中最厚的一部分，相对于其他薄壁部分，该处可能出现的孔洞是最大的，也是孔洞出现最多的区域，只要保证该处的孔洞合格，其他部分的也就基本上合格了。所以以该处的加工余量为标准，在满足装配要求的前提下，可以适用于铸件的所有可能出现孔洞的加工区域。

在DOE软件的RSM模块下，以铝合金压铸件需机加工区域的厚度和高度为输入参数，建立加工时该处典型孔洞分布截面的坐标系。厚度与高度等参数变化范围在RSM中有相应的编号，以RSM模块提供的编号形成的特定坐标点为圆心，在实际零件截面坐标系内选择适当的范围，通过分别测量该范围内的孔洞个数与孔洞最大尺寸，填入相应的RSM响应输出栏，从而建立孔洞的分布规律模型。

数据采集的正确与否主要通过模块中的Analysis of Variance(ANOVA)模块进行判断，不合理的数据应予以去除，以多次测量计算后的平均值作为最终的孔洞分布模型的数据依据。一般情况下，RSM建立的合理3D模型多为马鞍形，其2D图形可分析得出铸件截面的分布规律，即合理加工余量范围内的孔洞分布规律，通过比例计算得出不同位置的孔洞尺寸、数量及模型计算的准确性，从而制定出加工余量的标准。以该标准为基础，根据不同零件的加工要求，选择合适的加工余量值，从而达到零件最终加工表面孔洞最少，零件表面质量最优化的目标，提高了产品的合格率。

Claims (2)

1.一种铝合金精密压铸件机加工时表面孔洞控制的DOE方法，其特征是，所述方法依据前期对铝合金压铸零件切割截面内部孔洞尺寸数量的统计，在DOE软件的RSM模块下，以铝合金铸件的厚度和高度为参数，建立零件典型截面的坐标系，以RSM模块提供的特定坐标点为圆心，在坐标系内选择相应的范围，通过测量该范围内的孔洞数量与个数，填入相应的RSM任务栏，从而建立孔洞的分布规律模型，模拟出特定生产工艺参数下的零件铸造孔洞分布规律，通过调整模型中的孔洞分布曲线，测算出在图纸公差范围内满足实际生产质量要求的合理加工余量标准。

2.根据权利要求1所述的铝合金精密压铸件机加工时表面孔洞控制的DOE方法，其特征是，所述方法的具体步骤依次是：

1)选取部分铝合金精密压铸件，使用立式锯床将其切割成若干份，试样的切割截面形状简化为Design-Expert的选区截面；

2)选取典型截面，通过观察的孔洞基本分布特点，选择合理区域，测得其几何尺寸，建立相应的坐标系；

3)选择Design-Expert中响应面法中的中心复合模块，将铸件高度与厚度设置为两因素，根据alpha值选择坐标系中的选区原点，其体现在坐标系中，选区的标准为各区在保证囊括足够的孔洞的前提下相互之间保持一定的适当间隔；

4)使用光学显微镜测出各区内最大孔洞的尺寸，依次将其填入孔洞尺寸栏内，完成该截面的数据采集；

5)运行软件，通过分析模块的方差分析选项判断数据选取区域是否合理，只有当模型判定为“明显”时，才能说明数据采集合理，建立模型有效；当铸件高度和厚度的假定概率小于0.05时，说明孔洞的尺寸与铸件的高度和厚度两设计参数之间存在很大的相关性，而当模型判定为“非明显”或铸件高度和厚度的假定概率大于0.05时，则需要重新设定数据选取区域的范围，使数据选取满足相应的模型建立条件；

6)将所有的数据汇总后，在模型中3D显示中可看出铸造孔洞尺寸随铸件厚度与高度的关系，并能建立起铸件内部大多数截面的孔洞尺寸的分布模型，从图像工具的扰动选项中通过A、B是否交叉确定厚度与高度之间的相互关系是否会影响铸件孔洞的尺寸，而且从交互作用选项中判断出厚度与高度之间的相互影响对铸件孔洞的影响程度；

7)基于轮廓等高线中的环状等位线是移动的，而等位线的数值表示了在该区域范围内限定的孔洞尺寸，所以机加工的加工余量计算方法如下：

[1]选择需要控制的孔洞尺寸，沿环线做切线，使之垂直于两边；

[2]测量出该切线距最外边线的距离d，同时测出图中表示厚度的线的长度D；

[3]列出如下方程

[4]计算得出特定孔洞控制尺寸下的加工余量；

8)通过对孔洞尺寸控制要求的调整，计算出不同要求下的加工余量；通过对孔洞数量控制要求的调整，计算出不同要求下的加工余量；将所有结果汇总起来，可以得到标准规范的铝合金精密压铸零件的加工余量控制标准；

9)验证及调整，当某批次零件的铸造质量较好时，在机加工切削时根据实际情况适当增大加工余量，而对受工艺参数影响，较容易产生孔洞的敏感部位，则需严格遵守加工余量的控制要求，有时还需要减小加工余量并采用多次切削以避免切削过量造成报废；对于铸件的孔洞分布与建立的模型是有所差异的情况，加工时需根据以往的经验做灵活应变，并且特殊零件出现的概率反过来检测所建立的模型；因此在使用Design-Expert进行铸件孔洞尺寸分析时需要定期对模型进行更新与修正。