原標題：解決鋁合金壓鑄件泄漏缺陷的模具優(yōu)化設計

摘要

以一款汽車發(fā)動機曲軸箱體為例，介紹了鋁合金壓鑄件泄漏發(fā)生的部位，通過密封測試“氣泡”試驗及對鑄件缺陷部位進行剖切檢查，確定泄漏產(chǎn)生的原因是鑄件內(nèi)部有貫穿性縮孔和縮松，利用成因分析表對縮孔根本原因進行分析，并通過局部增壓、增加型芯冷卻、型腔成形表面加工散熱網(wǎng)紋等模具優(yōu)化方案，有效地解決曲軸箱體的縮孔缺陷，提高鋁合金壓鑄件產(chǎn)品的一次合格率。

壓鑄是將熔融狀態(tài)的金屬以高壓高速填充模具型腔，并在高壓下進行冷卻成形獲得產(chǎn)品的過程，隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，壓鑄件的需求也在增大，汽車發(fā)動機缸體、油底殼、缸蓋罩蓋、前后端蓋以及變速箱的離合器殼體、變速器殼體等零件多數(shù)采用鋁硅合金通過高壓鑄造獲得毛坯，用高壓鑄造方法獲得的毛坯，高壓鑄造方法屬于近凈成形工藝，后續(xù)僅通過少量數(shù)控加工工序獲得最終產(chǎn)品。

1、曲軸箱體的結(jié)構(gòu)與缺陷形式

圖1是某款汽車發(fā)動機曲軸箱體，材料為ADC12，鑄件外形輪廓尺寸442 mm×358 mm×173 mm，重量約為4.5 kg。此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜，一般壁厚3.0 mm，局部功能區(qū)壁厚15~20 mm，箱體5個面需要進行數(shù)控加工，以滿足產(chǎn)品的尺寸精度和裝配要求。產(chǎn)品的密封性能要求：腔體檢測壓力為100 kPa，泄露量小于20 cm³/min；A區(qū)域有90°方向直徑為12 mm的交叉油道孔，油道孔要求檢測壓力為600 kPa，泄漏量小于15 cm³ /min。

在實際生產(chǎn)中，曲軸箱體在加工后進行密封測試，腔體無泄漏，高壓油道在600 kPa的壓力下，有12%的零件因泄漏量超標而導致報廢，對泄漏零件的泄漏量進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，泄漏量數(shù)值分布在15~30cm³/min。為解決泄漏問題，首先要確定具體泄漏位置，對零件進行“氣泡”試驗，發(fā)現(xiàn)在圖1所示K向M8孔有小氣泡滲出，確定為高壓油道的泄漏點。

圖1 曲軸箱體形狀及泄漏位置

2、曲軸箱體泄漏的原因分析

2.1 泄漏原因調(diào)查

為調(diào)查曲軸箱體油道泄漏的原因，在泄漏部位側(cè)向Φ12 mm油道孔和M8螺栓孔連線方向剖切，發(fā)現(xiàn)缺陷部位在厚大壁厚處有小的縮孔和縮松，缺陷狀態(tài)如圖2所示。由于鑄件內(nèi)部有縮松現(xiàn)象，當后序機械加工鑄件油道孔和M8螺栓孔時，將壓鑄件表層致密的激冷層破壞，在600 kPa的壓力下沿M8螺紋孔出現(xiàn)微泄漏。

圖2 缺陷部位剖切圖片

2.2 根本原因分析

壓鑄生產(chǎn)的關(guān)鍵要素是壓鑄機、壓鑄模、壓鑄合金，壓鑄工藝將三大要素進行有機結(jié)合。因此影響壓鑄件質(zhì)量因素包括壓鑄機、壓鑄模、壓鑄合金、壓鑄工藝以及壓鑄件的結(jié)構(gòu)，采用缺陷成因?qū)φ毡韽囊陨衔鍌€因素對曲軸箱體產(chǎn)生縮孔、縮松的原因進行分析。縮孔缺陷的成因?qū)φ毡硪姳?，有重大影響的是內(nèi)澆道位置、增壓壓力、模具溫度和鑄件壁厚。

表2 鋁合金壓鑄件縮孔缺陷的成因?qū)φ毡?/p>

結(jié)合成因表的分析結(jié)果，對模具澆注系統(tǒng)的設計進行再評價，確認缺陷部位有分支澆道，能夠滿足金屬液充填的要求及增壓壓力的傳遞。采用模擬軟件用不同的壓鑄參數(shù)進行模擬分析，結(jié)果在缺陷部位一直存在孤立的液相區(qū)，如圖3中A-A剖面所示。

綜上分析確認導致曲軸箱體油道泄漏的根本原因是鑄件局部壁厚厚大，鑄件在壓鑄成形后冷卻的過程中存在孤立液相區(qū)，孤立液相區(qū)繼續(xù)冷卻過程中無法實現(xiàn)增壓補縮，最終形成縮孔和縮松。

圖3 模擬凝固分析

3、解決鑄件油道泄漏的模具優(yōu)化設計

根據(jù)上述對曲軸箱體泄漏的根本原因分析，壓鑄模在鑄件缺陷部位采取加設局部增壓、M8預鑄孔等側(cè)向小型芯增加冷卻、側(cè)向滑塊成形表面“打網(wǎng)紋”等優(yōu)化設計，解決油道孔處縮孔缺陷。結(jié)構(gòu)方案布置見圖4。

圖4 模具優(yōu)化設計

3.1 局部增壓機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計

局部增壓是在壓鑄成形后鑄件冷卻的過程中，對鑄件局部厚大部位存在孤立液相區(qū)的位置實施局部擠壓，通過液壓缸推動擠壓桿將預存空間內(nèi)的金屬液擠入鑄件中進行補縮，是解決因壁厚厚大而產(chǎn)生縮孔的有效措施。曲軸箱體局部增壓結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。根據(jù)曲軸箱體缺陷處的結(jié)構(gòu)形狀，將局部增壓機構(gòu)設計在動模，擠壓油缸用螺栓固定在動模套板后端。為防止擠壓桿與動模鑲塊的運動磨損而影響配合精度，設計擠壓套零件。擠壓套固定在動模鑲塊上，與擠壓桿保證0.02 mm的配合間隙。根據(jù)孤立液相區(qū)的體積，設計擠壓桿直徑9 mm，最大擠壓行程10 mm，擠壓后與型腔底面平齊。按擠壓桿最大擠壓壓力4 500 kg/cm² 計算擠壓缸直徑應為50 mm。

圖5 局部增壓機構(gòu)

3.2 側(cè)向型芯冷卻水結(jié)構(gòu)設計

由鑄件結(jié)構(gòu)可知，鑄件在側(cè)向除油道孔外有7處M8螺紋孔，由于M8螺紋孔的數(shù)量多，考慮在活動滑塊上位置度的影響，預鑄孔型芯成形處直徑最大，為5.6 mm，給型芯的冷卻帶來困難。曲軸箱體壓鑄模針對側(cè)滑塊細小型芯的冷卻，采用分體式冷卻結(jié)構(gòu)，并使用高壓純凈水對型芯進行單點強制冷卻。

分體式冷卻結(jié)構(gòu)見圖6，側(cè)向型芯采用兩體式，型芯前端材料SKD61，成形處冷卻水孔直徑2.8 mm，使用電火花穿孔機加工，型芯后端材料H13，冷卻水孔直徑6 mm。前端型芯與后端型芯采用M10×1螺紋連接。冷卻水密封采用O型密封圈徑向靜密封，材料選用氟橡膠或硅橡膠，要求工作溫度200~250 ℃，工作壓力15個大氣壓下不得泄漏。

圖6 側(cè)向型芯冷卻水設計

冷卻水管采用拼接式，內(nèi)噴管采用外徑為2.2 mm（內(nèi)徑1.8 mm）和外徑為4 mm的白鋼管拼接，外管采用1/8′鍍鋅管。如圖6所示，工作時冷卻水從后端通過內(nèi)噴管進入型芯前端，然后通過內(nèi)噴管的外壁與型芯水道孔之間的空隙回水，為防止細小型芯內(nèi)部冷卻水堵塞，采用10 Bar的高壓純凈水，對小型芯實施強制冷卻。

3.3 側(cè)向滑塊局部加工散熱網(wǎng)紋

在壓鑄過程中，高溫金屬液被壓入型腔成形冷卻，型腔通過與模具的熱交換而冷卻。壓鑄模具吸收高溫金屬液帶來的熱量，并通過模具冷卻和外部噴涂等方式將熱量散發(fā)出去，這樣才能保證模具處于熱平衡狀態(tài)。如果模具溫度過高，會影響鑄件質(zhì)量和模具壽命。針對模具的局部特定部位，除了加強模具內(nèi)部冷卻外，還可以通過增加型腔表面積，從而增加散熱面，提高散熱效率。曲軸箱體油道泄漏處，由于鑄件局部體積大，模具冷卻和散熱無法達到均衡狀態(tài)，因此在側(cè)滑塊成形表面局部溫度高的區(qū)域加工散熱網(wǎng)紋，網(wǎng)紋深度0.63 mm，成90°交叉布置，散熱網(wǎng)紋位置及剖面形狀見圖7。散熱網(wǎng)紋低于模具成形表面并在鑄件的加工表面，在后序加工側(cè)向平面時去除，不需增加工序處理。

圖7 成形表面散熱網(wǎng)紋設計

4、優(yōu)化設計的驗證

模具通過以上三項措施的優(yōu)化后，在原生產(chǎn)設備上按原工藝參數(shù)進行壓鑄生產(chǎn)，油道孔泄漏部位的縮孔和縮松明顯減少，M8螺紋孔的孔壁激冷層加厚，材料致密，鑄件無貫穿性縮孔和縮松。模具經(jīng)過大批量生產(chǎn)驗證，產(chǎn)品加工后高壓油道在600 kPa壓力下測試，產(chǎn)品泄漏率降低到1%以下。模具優(yōu)化后，高壓油道孔處的內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)化見圖8的X光對比圖片。

5、結(jié)論

（1）鋁合金曲軸箱體在厚大壁厚處會產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，縮孔、縮松貫穿至其他加工孔則會導致鑄件泄漏。
（2）對鑄件局部厚壁，冷卻時存在孤立液相區(qū)，在此部位實施局部增壓，可以有效地減少縮孔、縮松的產(chǎn)生。
（3）小型芯可以通過分體式冷卻結(jié)構(gòu)進行冷卻，為防止細水管堵塞，可采用高壓純凈水對型芯冷卻。
（4）對模具特定區(qū)域，可以通過型腔加工網(wǎng)紋增加型腔表面積，從而增加散熱面，提高散熱效率。

作者

侯麗彬 劉海影 郭瑞
大連科技學院
本文來自：鑄造雜志