原標(biāo)題：改善下缸體壓鑄件縮孔缺陷的模具優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要介紹了一款鋁合金下缸體壓鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及缺陷形式，運(yùn)用“魚骨圖”對(duì)下缸體局部縮孔缺陷進(jìn)行分析。采用局部擠壓技術(shù)對(duì)鑄件局部厚大處進(jìn)行增壓補(bǔ)縮，同時(shí)加大缺陷部位的型腔冷卻，采用“分水盤”結(jié)構(gòu)改變冷卻水道進(jìn)出口位置，避免與擠壓油缸的干涉。通過以上措施有效地提高了下缸體的內(nèi)部和外觀質(zhì)量，大幅提高產(chǎn)品的合格率。

隨著汽車輕量化和節(jié)能減排的需要，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件缸體和下缸體也逐漸開始采用鋁合金代替鑄鐵材料，通過高壓鑄造實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)。但在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，因功能需要常常會(huì)出現(xiàn)局部壁厚厚大區(qū)域，在壓鑄過程中由于鑄件壁厚不均勻，厚壁處凝固收縮時(shí)間差異大，容易發(fā)生縮孔、縮松缺陷，導(dǎo)致泄漏。

本課題研究的下缸體外輪廓尺寸415 mm×325 mm×112 mm，質(zhì)量6.1 kg。材料為鋁合金ADC12，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為：JIS H 5302—2006。ADC12是一種鋁硅合金，因其具有良好的流動(dòng)性、抗熱裂性以及很好的氣密性，是壓鑄缸體、缸蓋常采用的材料。鑄件密封性能要求整個(gè)腔體在19.6 kPa壓力下泄漏量小于15 cm³ /min，高壓油道在343.2 kPa壓力下泄漏量小于3 cm³ /min。

1、下缸體壓鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及缺陷形式

缸體是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要組成部件，通過缸體將發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)及供油、潤滑、冷卻等機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)成為一個(gè)整體，其質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。下缸體是兩體式缸體的下部零件，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及形狀如圖1所示，由于下缸體的功用決定了其鑄件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，上面與上缸體連接，下面安裝油底殼，在安裝油底殼平面的一側(cè)設(shè)計(jì)機(jī)油濾清器安裝孔，同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)油濾清器支架的功能。下缸體的整體結(jié)構(gòu)呈箱形，壁厚不均，主要壁厚3.5 mm，中間有五處寬度20~22 mm安裝曲軸的橫梁，側(cè)向安裝機(jī)油濾清器孔區(qū)域，壁厚不均，內(nèi)部布置高壓油道。鑄件的整體結(jié)構(gòu)呈區(qū)域分布，中間鏤空部位多，同時(shí)壁厚嚴(yán)重不均勻?qū)е聣鸿T件的開發(fā)難度較大。

圖1 下缸體形狀及缺陷位置

在新產(chǎn)品試制過程中，鑄件加工后進(jìn)行密封測試，發(fā)現(xiàn)在下缸體側(cè)面安裝機(jī)油濾清器處的高壓油道在343.2 kPa壓力下泄漏率高達(dá)30%，高壓油道的形狀及尺寸如圖1c所示，機(jī)油濾清器安裝螺紋孔M20 mm×1.5 mm及螺紋底孔為加工孔，側(cè)向Φ15 mm孔位非加工孔。對(duì)泄漏零件缺陷部位進(jìn)行剖切檢查，發(fā)現(xiàn)在機(jī)油濾清器安裝孔區(qū)域有不同程度的縮孔和縮松，最大縮孔5 mm×2 mm；觀察缺陷部位外觀，發(fā)現(xiàn)在M20 mm孔與Φ54 mm尺寸中間的異形區(qū)域，外表面有不同程度的粘料，由此判斷高壓油道泄漏的原因是鑄件局部有嚴(yán)重的縮孔，加工后縮孔與油道孔貫穿，同時(shí)由于鑄件表面粘料而將表層致密層破壞，從而導(dǎo)致高壓油道泄漏。

2、機(jī)油濾清器安裝孔處縮孔成因分析

2.1 縮孔產(chǎn)生原因

鑄件在凝固過程中，由于合金的液態(tài)收縮和凝固收縮，往往在鑄件最后凝固的部位出現(xiàn)孔洞成為縮孔，縮孔的形狀不規(guī)則，表面不光滑，色澤偏暗，大小不一，有獨(dú)立存在的縮孔，也有多個(gè)細(xì)小而分散的小縮孔。針對(duì)鋁合金壓鑄件縮孔缺陷產(chǎn)生的原因，從壓鑄合金、壓鑄模具、壓鑄機(jī)、壓鑄工藝、壓鑄件結(jié)構(gòu)等方面，利用魚骨圖進(jìn)行缺陷原因分析，如圖2所示。



圖2 縮孔缺陷魚骨圖

2.2 下缸體縮孔成因分析

根據(jù)上述縮孔缺陷產(chǎn)生的魚骨圖，利用UG設(shè)計(jì)軟件、AnyCasting數(shù)值模擬分析軟件對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及模具設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，借助壓鑄機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)及紅外線成像儀對(duì)制造過程進(jìn)行分析，經(jīng)過逐項(xiàng)分析和排查，最終確定下缸體機(jī)油濾清器安裝孔區(qū)域的縮孔產(chǎn)生原因如下。

2.2.1 鑄件局部壁厚過厚

下缸體機(jī)油濾清器安裝孔處剖面形狀如圖1c所示，高壓油道周邊鑄件壁厚8~22 mm，而鑄件主要壁厚3.5 mm，此區(qū)域壁厚尺寸過大而且壁厚不均，壓鑄成形后金屬液在凝固過程中體積縮小，同時(shí)此區(qū)域?qū)儆谔畛淠┒耍h(yuǎn)離內(nèi)澆道，無法實(shí)現(xiàn)較好的增壓補(bǔ)縮，因此出現(xiàn)縮孔缺陷。

使用AnyCasting軟件對(duì)下缸體凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3a所示，鑄件在圖示區(qū)域出現(xiàn)孤立液相區(qū)，孤立液相區(qū)最終形成縮孔的概率很大，基于殘留熔體模數(shù)法對(duì)縮孔概率分析的結(jié)果見圖3b、c。鑄件的其他部位承受壓力下，分散的縮孔對(duì)鑄件影響較小，而機(jī)油濾清器安裝孔處有高壓油道，內(nèi)部的縮孔直接影響鑄件的密封性。數(shù)值模擬結(jié)果與上述理論分析相符。

圖3 凝固數(shù)值模擬

2.2.2 模具局部溫度過高

觀察鑄件缺陷部位外觀，發(fā)現(xiàn)在M20 mm孔與Φ54 mm尺寸中間的異形區(qū)域，外表面有不同程度的粘料，局部粘料的產(chǎn)生是模具溫度過高的一種體現(xiàn)。使用紅外線成像儀對(duì)模具溫度進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖4所示，從中發(fā)現(xiàn)機(jī)油濾清器安裝孔區(qū)域模具溫度明顯高于其他成形表面。由于下缸體的零件結(jié)構(gòu)決定模具上分布大量的預(yù)鑄孔型芯，這將影響模具的冷卻水道的布置。同時(shí)鑄件缺陷部位在動(dòng)模鑲塊中屬于局部凸起，壓鑄過程中被大量金屬液包裹，鑄件在凝固過程中大量熱量無法通過模具快速散出，導(dǎo)致模具局部溫度過高，這也是縮孔和粘料產(chǎn)生的原因。

圖4 模具溫度

3、解決鑄件縮孔的模具優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述原因分析，針對(duì)壓鑄模采取以下兩種措施解決機(jī)油濾清器安裝孔區(qū)域的縮孔：①在不改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀的基礎(chǔ)上，將機(jī)油濾清器安裝孔M20 mm由原來預(yù)鑄孔型芯變更為局部擠壓，在型腔內(nèi)金屬液冷卻至液相線和固相線共存時(shí)通過液壓缸對(duì)鑄件局部進(jìn)行增壓補(bǔ)縮，以減少孤立液相區(qū)縮孔的產(chǎn)生；②加大模具在機(jī)油濾清器安裝孔區(qū)域的冷卻，采用分水盤結(jié)構(gòu)改變局部冷卻水的進(jìn)出口位置，從而解決局部冷卻不良導(dǎo)致的模具溫度過高而產(chǎn)生鑄件縮孔。模具的具體優(yōu)化設(shè)計(jì)方案見圖5。

圖5 模具優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 采用局部擠壓機(jī)構(gòu)對(duì)鑄件局部補(bǔ)縮

局部擠壓是在模具內(nèi)直接安裝油缸，對(duì)產(chǎn)生縮孔的部位直接進(jìn)行加壓，抑制縮孔，以獲得高質(zhì)量的壓鑄件。下缸體局部擠壓結(jié)構(gòu)如圖6所示，擠壓套固定在動(dòng)模鑲塊中，擠壓缸固定在動(dòng)模套板后端，擠壓桿通過油缸聯(lián)結(jié)頭連接在油缸活塞桿上。擠壓時(shí)油缸無桿腔進(jìn)油活塞桿帶動(dòng)擠壓桿向前運(yùn)動(dòng)，擠壓型腔內(nèi)金屬液并直接形成鑄件底孔。

局部擠壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是擠壓體積，擠壓體積過小，即擠入的金屬液不足，無法達(dá)到補(bǔ)縮的作用；若擠壓體積過大，則需要設(shè)計(jì)大直徑的擠壓缸，不僅造成浪費(fèi)，而且在模具有限的空間內(nèi)無法安裝。擠壓體積即為需要補(bǔ)縮的金屬液體積，其大小取決于鑄件局部成形體積，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)鋁合金局部擠壓的補(bǔ)縮體積比通常取5%~10%（預(yù)留補(bǔ)縮體積/鑄件成形局部的體積）。經(jīng)計(jì)算下缸體機(jī)油濾清器安裝孔處局部體積約34 cm³ ，設(shè)計(jì)預(yù)留補(bǔ)縮體積V=34×7%=2.38 cm³。依據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)擠壓桿直徑d=16 mm，擠壓桿結(jié)構(gòu)圖見圖6a，依據(jù)擠壓體積計(jì)算擠壓行程L如下：

將上述數(shù)據(jù)代入式（1）得到L=12 mm。為使擠壓時(shí)金屬流動(dòng)性更好、擠壓影響范圍更大，將擠壓銷前端設(shè)計(jì)成長度6 mm斜度20°的錐面，擠壓初始位置擠壓桿伸入型腔10 mm，擠壓結(jié)束位置擠壓桿伸入型腔22 mm，處于被擠壓部分的中部，如圖6b所示，這樣可以使擠壓范圍更大，擠壓補(bǔ)縮效果更好。

根據(jù)帕斯卡原理，在已知擠壓桿直徑和擠壓壓力的條件下，可以計(jì)算出擠壓油缸的直徑：

圖6 局部擠壓機(jī)構(gòu)

式中：P擠 為擠壓壓力，一般取鑄造壓力的3倍以上，在下缸體中取400 MPa，F(xiàn)擠 為擠壓桿面積（m㎡），P缸為壓鑄件系統(tǒng)壓力16 MPa，F(xiàn)缸 為擠壓油缸無桿腔面積（m㎡），d為擠壓桿直徑，D為擠壓油缸直徑。代入上式經(jīng)計(jì)算擠壓油缸直徑D=80 mm。設(shè)計(jì)時(shí)考慮安全系數(shù)，最終擠壓油缸直徑取1.25D=100 mm。

3.2 采用分水盤結(jié)構(gòu)加大局部冷卻

壓鑄模具溫度是影響壓鑄件質(zhì)量的重要因素之一，為保證在連續(xù)生產(chǎn)過程中模具溫度保持在合理的工作溫度范圍，常常采用水冷卻的方式，對(duì)模具型腔進(jìn)行冷卻。通過在模具型腔內(nèi)設(shè)置冷卻水通道，通過冷卻水循環(huán)帶走模具內(nèi)壓鑄合金產(chǎn)生的大量熱量，使用成本低，效率高。冷卻水道設(shè)計(jì)時(shí)要求布置在型腔內(nèi)模具溫度最高、熱量比較集中區(qū)域，下缸體動(dòng)模型腔M20 mm機(jī)油濾清器安裝孔區(qū)域正是熱量集中的區(qū)域，模具局部形狀如圖7a所示。由于M20 mm孔周邊布置大量的型芯孔和推桿孔，無法設(shè)置橫向循環(huán)的串聯(lián)式冷卻水道，因此型腔冷卻采用垂直方向的噴管式獨(dú)立冷卻。參照?qǐng)D4模具溫度圖片，對(duì)應(yīng)高溫區(qū)域增加10處噴管，如圖7b所示位置，對(duì)局部高溫處進(jìn)行冷卻。根據(jù)動(dòng)模型腔局部形狀確定水道孔直徑10 mm，深度距離前端成形處8 mm，噴管采用外徑6 mm，內(nèi)徑4 mm的銅管。由于新增10處小噴管背面有擠壓油缸，小噴管后端的進(jìn)出水無法引出，無法實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)獨(dú)立的噴管冷卻。為解決局部冷卻水進(jìn)出的問題，增加“分水盤”結(jié)構(gòu)，如圖7c所示，在分水盤加工出雙層水道，將銅噴管固定在分水盤上，實(shí)現(xiàn)噴管a1-4的串聯(lián)水通道和b1-6的串聯(lián)水通道。在后端擠壓缸不干涉的位置，加工出a組和b組的冷卻水進(jìn)出孔位置。

圖7 分水盤結(jié)構(gòu)的冷卻水道設(shè)計(jì)

4、優(yōu)化設(shè)計(jì)的驗(yàn)證

下缸體模具經(jīng)過局部優(yōu)化設(shè)計(jì)后，進(jìn)行批量生產(chǎn)驗(yàn)證，鑄件毛坯在機(jī)油濾清器安裝孔區(qū)域的縮孔缺陷得到明顯改善，產(chǎn)品經(jīng)X光無損探傷和剖切斷面檢查，無明顯的縮孔缺陷，優(yōu)化后的鑄件內(nèi)部質(zhì)量如圖8所示。優(yōu)化后的模具溫度得到有效控制，開模后動(dòng)模型腔熱量集中部位溫度控制在180~240 ℃，滿足鋁合金壓鑄的工作溫度，鑄件外觀無明顯粘料現(xiàn)象。由于鑄件內(nèi)外部質(zhì)量得到有效提升，產(chǎn)品加工后進(jìn)行密封測試，安裝機(jī)油濾清器處的高壓油道泄漏率由30%降低到2%以下。

圖8 優(yōu)化后的M20 mm孔區(qū)域內(nèi)部質(zhì)量

5、結(jié)論

（1）“魚骨圖”質(zhì)量工具是對(duì)鑄件縮孔缺陷進(jìn)行分析的有效手段。
（2）采用局部擠壓技術(shù)能夠有效解決鋁合金壓鑄件因局部壁厚過大而產(chǎn)生縮孔和縮松缺陷及高壓油道泄漏問題。
（3）對(duì)鑄件局部厚大、熱量集中處需布置足夠的冷卻水道，利用分水盤結(jié)構(gòu)可以改變冷卻水道的進(jìn)出口位置，避免與模具內(nèi)其他結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉。

作者

侯麗彬 李晶 董淑婧
大連科技學(xué)院
本文來自：鑄造雜志