原標(biāo)題：基于PROCAST的小型支架一模多腔壓鑄模開發(fā)

摘要：介紹了汽車發(fā)動機內(nèi)小型支架的結(jié)構(gòu)和壓鑄生產(chǎn)的主要難點。小型支架壓鑄一般采用一模多腔。運用ProCAST對一模多腔的小型支架模具的流動充型進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對澆注系統(tǒng)設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)了多腔的流動平衡。結(jié)果表明，采用數(shù)值模擬分析軟件可以在一模多腔的模具設(shè)計中發(fā)揮巨大的作用，縮短了模具開發(fā)周期。

一、小型支架壓鑄件分析

汽車發(fā)動機內(nèi)有各種小型支架，它們對各種運動功能零件（凸輪軸、傳動軸等）起支撐作用。一般分為上蓋與下體，上蓋與下體各有一個半圓弧，裝配在一起經(jīng)合鏜加工，裝入軸承。圖1為常見的小型支架外形。隨著汽車產(chǎn)品設(shè)計輕量化，這些小型支架也愈加輕巧，常采用壓鑄鋁合金替代原來的鋼材質(zhì)，質(zhì)量為20～50 g，為便于裝配。

圖1：小型支架的外形圖

小型支架零件上蓋有一個結(jié)合面和兩個定位銷孔需要加工，下體連接上蓋與發(fā)動機缸體，故一般有2個結(jié)合面和4個定位銷孔需要加工，半圓弧孔則需要在發(fā)動機廠成套組裝后進(jìn)行合鏜加工。

二、壓鑄生產(chǎn)的主要難點

小型支架模具結(jié)構(gòu)簡單，一般采用無滑塊的對開模形式。鑄件壁厚不均，容易在壁厚區(qū)產(chǎn)生縮孔與縮松（見圖2）。它們在發(fā)動機內(nèi)支承轉(zhuǎn)動軸，承受了一定的運動載荷和振動，因此對支架壓鑄件內(nèi)部品質(zhì)有較高的要求，內(nèi)部品質(zhì)要求按圖3的#2標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

圖2：小型支架內(nèi)部縮孔與縮松

圖3：小型支架的內(nèi)部質(zhì)量管控標(biāo)準(zhǔn)

如果在鑄件的內(nèi)部存在超標(biāo)的孔洞，很容易在使用過程中斷裂，造成整個發(fā)動機的損壞。圖4為某小型支架在發(fā)動機耐久試驗時，因內(nèi)部存大較大縮孔而產(chǎn)生斷裂的故障圖片。

圖4：小型支架因內(nèi)部縮孔在耐久試驗時斷裂圖片

三、澆注系統(tǒng)設(shè)計

小型支架采用一模多腔的形式在臥式冷室壓鑄機生產(chǎn)。一般一模多腔模具澆注系統(tǒng)平衡主要通過對稱設(shè)計，或者建立從澆口到各型腔相同的流道，然后在試生產(chǎn)時采用短射法對欠鑄件進(jìn)行質(zhì)量對比，從而對澆口截面尺寸進(jìn)行微調(diào)來實現(xiàn)，這會大大增加壓鑄模的試制周期，甚至?xí)s短壓鑄模的使用壽命。隨著數(shù)值模擬軟件的出現(xiàn)，可以較為準(zhǔn)確地模擬壓鑄充型及凝固過程，指導(dǎo)一模多腔模具的澆注系統(tǒng)平衡設(shè)計，提高設(shè)計的準(zhǔn)確性，縮短開發(fā)周期。

1、進(jìn)料方式

小型支架壓鑄常采用兩種不同的進(jìn)料方式。見圖5。進(jìn)料方式1的優(yōu)點是模具分型簡單，澆口搭接在接合面上，可通過后序加工去除澆口，缺點是半圓弧兩側(cè)溫度不一致，內(nèi)部品質(zhì)有差異，且澆口對壁厚區(qū)補縮效果不佳。進(jìn)料方式2從半圓弧分型線處進(jìn)料，優(yōu)點是直接對壁厚區(qū)補縮，且半圓弧兩側(cè)壁厚區(qū)溫度一致，內(nèi)部品質(zhì)更容易得到保障，缺點是模具有階梯分型，生產(chǎn)難度較大，鑄件會在半圓弧動靜模分型線處殘留澆口痕跡，如果半圓弧端面不加工，將大幅增加澆口清理的工作量，導(dǎo)致生產(chǎn)成本上升。

兩種進(jìn)料方式在實際生產(chǎn)中都有應(yīng)用。在半圓弧端面加工的情況下，往往優(yōu)先采用方式2，若半圓弧端面不加工，往往采用方式1。

圖5：小型支架進(jìn)料方式

本課題將利用ProCAST軟件，以2JA-2凸輪支架為例，采用進(jìn)料方式2，進(jìn)行壓鑄充型及凝固過程模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，對鑄件和流道分布，以及流道形狀尺寸進(jìn)行反復(fù)改進(jìn)，完成一模多腔模具的澆注系統(tǒng)平衡設(shè)計。

2、型腔進(jìn)料的平衡設(shè)計

2JA-2凸輪支架，材料為ADC12壓鑄鋁合金，體積約為9.5 cm3，質(zhì)量約為25 g，使用伊之密1 800 kN臥式冷室壓鑄機，采用1模6件生產(chǎn)。

1）初步方案

一模多腔模具不同型腔的進(jìn)料平衡設(shè)計要考慮以下因素：

（1）各型腔鑄件質(zhì)量的一致性  保證各型腔中的鑄件獲得相同或相近的填充壓力、填充時間、填充溫度等成形條件，便于工藝參數(shù)的調(diào)整。一般來說，盡量保證各型腔的分流道的長度與截面尺寸一致，就可以做到同時充滿各個型腔。

（2）鑄件的生產(chǎn)效率  大量生產(chǎn)時在保證成形質(zhì)量的前提下應(yīng)盡量縮短流道長度，減少截面積，以縮短填充及冷卻時間和成型周期。

（3）鑄件的成品率（鑄件凈重與模重的比值）。鑄件的模重可以理解為舀料質(zhì)量，鑄件凈重與模重的比值越大，代表壓鑄生產(chǎn)的材料損耗越小。

（4）模具外形尺寸的大小  應(yīng)考慮壓鑄機模板大小是否允許，盡量對稱分布，防止受力不均。
從第1點考慮，1模6腔最好6個腔各自有分支流道，且每個分支料道的長度與橫截面積完全一致。綜合考慮以上因素，2JA-2凸輪支架的澆注系統(tǒng)設(shè)計采用方案見圖6。

圖6：澆注系統(tǒng)初步設(shè)計方案

2）數(shù)值模擬

應(yīng)用ProCAST2016軟件對2JA-2凸輪支架的填充進(jìn)行數(shù)值模擬。導(dǎo)入帶有溢流槽和澆道的stp格式的完整鑄件（見圖6）。對鑄件進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，在VISUAL-CAST模塊下加入虛擬模具。然后設(shè)置各初始參數(shù)：①在體積管理器中設(shè)置鑄件和模具的材料、澆注溫度等；②設(shè)置鑄件和模具材料界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（interfaces HTC)； ③選擇重力方向；④設(shè)置過程參數(shù)（process conditions),主要指冷卻方式和澆注速度；⑤選擇高壓鑄造方式（HPDC），并設(shè)置相應(yīng)的模擬參數(shù)。

以上設(shè)置完畢后，點擊“開始模擬”進(jìn)行模擬運算。在VISUAL-VIEWER狀態(tài)下查看模擬結(jié)果，模擬結(jié)果見圖7。根據(jù)模流分析結(jié)果，中間進(jìn)料道的填充速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于左右兩支，快壓轉(zhuǎn)換點難以設(shè)定，各腔壓力傳遞效果亦不同，不符合設(shè)計要求，必須更改設(shè)計方案。

圖7：初步設(shè)計方案數(shù)值模擬結(jié)果

3）改進(jìn)方案

為了模具結(jié)構(gòu)的緊湊，初始方案流道采用的是1股分流為3股，3股再分流為6股的分布方式。在1股分為3股的時候，中間股流程明顯短于兩側(cè)的兩股流道，而且從直澆道直接順流而下，中間股的流道阻力明顯較其他兩股更小，導(dǎo)致填充結(jié)果不理想。因此，通過調(diào)整3股流道的截面尺寸，增加中間流道的流動阻力，減小兩側(cè)流道的流動阻力來改善。但是發(fā)現(xiàn)收效甚微。原因是中間流道的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩側(cè)流道，而且中間流道少一次流道轉(zhuǎn)向，流動阻力更小所致。

為平衡各型腔的流道長度和流向，對小支架澆注系統(tǒng)的分布進(jìn)行了改進(jìn)，見圖8。主流道一股分流為四股，中間兩股再每股一分為二，形成六股分支進(jìn)料，對6個型腔進(jìn)行進(jìn)料。中間兩股分支橫澆道分別澆注兩個型腔，兩側(cè)的分支橫澆道各澆注一個型腔，通過加大中間兩股進(jìn)料澆道的深度來增加截面積以達(dá)到控制流速的目的。

圖8：小型支架澆注系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計方案

4）改進(jìn)方案的數(shù)值模擬

改進(jìn)方案的模擬結(jié)果見圖9。根據(jù)模流分析結(jié)果，4支分支進(jìn)料道填充速度相近，各腔的填充狀態(tài)差異小，快壓啟動點易于設(shè)定，壓力傳遞效果亦能得到改善，符合設(shè)計要求。

圖9：改進(jìn)方案數(shù)值模擬結(jié)果

四、生產(chǎn)驗證

1、壓鑄工藝參

生產(chǎn)采用DM180臥式冷室壓鑄機，選用φ50 mm沖頭。慢壓射25模，快壓5模；鋁合金保溫溫度為（660±15）℃。主要壓鑄工藝參數(shù)為：慢壓射速度(沖頭）為0.25 m/s，快壓射速度為3.5 m/s，高速行程為50 ｍｍ，鑄造比壓約為80 MPa。

采用X光探傷結(jié)合線切割剖切目視的方式，見圖10。

圖10：x光探傷結(jié)果

2、驗證結(jié)果

通過6個月的品質(zhì)跟蹤，經(jīng)X光探測檢測，小支架的內(nèi)部品質(zhì)可以100%達(dá)到客戶要求的2#標(biāo)準(zhǔn)，按1#標(biāo)準(zhǔn)計，達(dá)標(biāo)率約為90%，且1模6腔各模腔的質(zhì)量無明顯差異。

內(nèi)部品質(zhì)除取決于模具澆注系統(tǒng)設(shè)計之外，還與生產(chǎn)條件的管理息息相關(guān)，特別是模溫、料溫的控制以及噴涂的管理。

五、結(jié)束語

數(shù)值模擬可以方便、快捷地指導(dǎo)一模多腔模具的澆注系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)合金在多個型腔中的流動平衡，指導(dǎo)壓鑄工藝的調(diào)整，達(dá)到較好的壓鑄成型質(zhì)量，減少試模時間，降低廢品率，縮短生產(chǎn)周期。同時，要想在量產(chǎn)中實現(xiàn)內(nèi)部質(zhì)量的100%達(dá)標(biāo)，一定要減少或管控好壓鑄生產(chǎn)中的變化點。

作者：

王磊 李珊
嶺南師范學(xué)院機電工程學(xué)院