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

摘要介紹了一款鋁合金下缸體壓鑄件的結(jié)構(gòu)特點及缺陷形式，運用“魚骨圖”對下缸體局部縮孔缺陷進行分析。采用局部擠壓技術(shù)對鑄件局部厚大處進行增壓補縮，同時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)動機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)計上，因功能需要常常會出現(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)特點及缺陷形式

缸體是汽車發(fā)動機的主要組成部件，通過缸體將發(fā)動機曲軸連桿機構(gòu)及供油、潤滑、冷卻等機構(gòu)聯(lián)結(jié)成為一個整體，其質(zhì)量直接影響發(fā)動機的性能。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)計機油濾清器安裝孔，同時實現(xiàn)機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，鑄件加工后進行密封測試，發(fā)現(xiàn)在下缸體側(cè)面安裝機油濾清器處的高壓油道在343.2 kPa壓力下泄漏率高達30%，高壓油道的形狀及尺寸如圖1c所示，機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。對泄漏零件缺陷部位進行剖切檢查，發(fā)現(xiàn)在機油濾清器安裝孔區(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，有獨立存在的縮孔，也有多個細小而分散的小縮孔。針對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、壓鑄工藝、壓鑄件結(jié)構(gòu)等方面，利用魚骨圖進行缺陷原因分析，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)計軟件、AnyCasting數(shù)值模擬分析軟件對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及模具設(shè)計進行分析，借助壓鑄機實時控制系統(tǒng)及紅外線成像儀對制造過程進行分析，經(jīng)過逐項分析和排查，最終確定下缸體機油濾清器安裝孔區(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，同時此區(qū)域?qū)儆谔畛淠┒耍h離內(nèi)澆道，無法實現(xiàn)較好的增壓補縮，因此出現(xiàn)縮孔缺陷。

使用AnyCasting軟件對下缸體凝固過程進行數(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，分散的縮孔對鑄件影響較小，而機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模具溫度進行監(jiān)測，結(jié)果如圖4所示，從中發(fā)現(xiàn)機油濾清器安裝孔區(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。同時鑄件缺陷部位在動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

根據(jù)上述原因分析，針對壓鑄模采取以下兩種措施解決機油濾清器安裝孔區(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通過液壓缸對鑄件局部進行增壓補縮，以減少孤立液相區(qū)縮孔的產(chǎn)生；②加大模具在機油濾清器安裝孔區(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)計方案見圖5。

圖5 模具優(yōu)化設(shè)計

3.1 采用局部擠壓機構(gòu)對鑄件局部補縮

局部擠壓是在模具內(nèi)直接安裝油缸，對產(chǎn)生縮孔的部位直接進行加壓，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，擠壓套固定在動模鑲塊中，擠壓缸固定在動模套板后端，擠壓桿通過油缸聯(lián)結(jié)頭連接在油缸活塞桿上。擠壓時油缸無桿腔進油活塞桿帶動擠壓桿向前運動，擠壓型腔內(nèi)金屬液并直接形成鑄件底孔。

局部擠壓機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是擠壓體積，擠壓體積過小，即擠入的金屬液不足，無法達到補縮的作用；若擠壓體積過大，則需要設(shè)計大直徑的擠壓缸，不僅造成浪費，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)驗鋁合金局部擠壓的補縮體積比通常取5%~10%（預(yù)留補縮體積/鑄件成形局部的體積）。經(jīng)計算下缸體機油濾清器安裝孔處局部體積約34 cm³ ，設(shè)計預(yù)留補縮體積V=34×7%=2.38 cm³。依據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)，設(shè)計擠壓桿直徑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。為使擠壓時金屬流動性更好、擠壓影響范圍更大，將擠壓銷前端設(shè)計成長度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，可以計算出擠壓油缸的直徑：

圖6 局部擠壓機構(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)計算擠壓油缸直徑D=80 mm。設(shè)計時考慮安全系數(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，對模具型腔進行冷卻。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)計時要求布置在型腔內(nèi)模具溫度最高、熱量比較集中區(qū)域，下缸體動模型腔M20 mm機油濾清器安裝孔區(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立冷卻。參照圖4模具溫度圖片，對應(yīng)高溫區(qū)域增加10處噴管，如圖7b所示位置，對局部高溫處進行冷卻。根據(jù)動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，小噴管后端的進出水無法引出，無法實現(xiàn)單點獨立的噴管冷卻。為解決局部冷卻水進出的問題，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組的冷卻水進出孔位置。

圖7 分水盤結(jié)構(gòu)的冷卻水道設(shè)計

4、優(yōu)化設(shè)計的驗證

下缸體模具經(jīng)過局部優(yōu)化設(shè)計后，進行批量生產(chǎn)驗證，鑄件毛坯在機油濾清器安裝孔區(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)品加工后進行密封測試，安裝機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)量工具是對鑄件縮孔缺陷進行分析的有效手段。
（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