原標題：解決鋁合金壓鑄件泄漏缺陷的模具優(yōu)化設(shè)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(fù)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(dǎo)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(dāng)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(shè)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(dǎo)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(shè)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(shè)局部增壓、M8預(yù)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(shè)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(shè)計

3.1 局部增壓機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)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(yù)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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)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(yù)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(shè)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(shè)計

4、優(yōu)化設(shè)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(shè)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(dǎo)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(xué)院
本文來自：鑄造雜志