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汽車發動機鋁合金下缸體的壓鑄模設計
發布日期:2019-11-19  來源:互聯網  瀏覽次數:299
核心提示:針對某新款汽車發動機鋁合金下缸體的結構特點,在其壓鑄模具開發中采用鷹嘴式進料,分4區排氣的澆注系統,解決了零件成形困難、
 
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針對某新款汽車發動機鋁合金下缸體的結構特點,在其壓鑄模具開發中采用鷹嘴式進料,分4區排氣的澆注系統,解決了零件成形困難、卷氣嚴重、內部氣孔等問題。設計了5個鑄鐵鑲嵌件的安裝方式和230 ℃的預熱溫度,解決鑲嵌件安裝定位和分離問題。入料對正的長型芯,采用YXR33/W360高韌性材料,Dura-AR表面電漿處理并增加高壓超點冷,解決了型芯容易沖斷和燒傷問題。在高壓油道孔部位設計擠壓銷,擠壓油缸設計冷卻板,解決了縮孔問題并保證連續生產。

一、下缸體的特點

下缸體是將原鑄鐵缸體下部的曲軸部份與上部的缸套部份分開,上部仍采用鑄鐵,下部采用鋁合金,既可以保持了鑄鐵缸體的優點,又減輕了鑄鐵缸體的質量,分離的缸體曲軸部分便稱為下缸體。本文介紹的某新款下缸體見圖1,鑄件輪廓尺寸為390 mm×350 mm×170 mm,平均壁厚為7 mm,鑄件質量為6.05 kg,材質為A380合金。下缸體與曲軸連接部位放置了5個鑄鐵鑲嵌件,此5個鑄鐵鑲嵌件經后續加工作為軸承座。5個鑄鐵鑲嵌件應在每次生產合模前安裝在模具里,壓鑄后與鋁合金一起成為下缸體的一部分,且不允許有分離現象。含鑄鐵鑲嵌件的鑄件總質量為7.41 kg。

該鑄件壁厚差異大,最大壁厚處為22 mm,最小壁厚僅為2 mm,模具溫度極不平衡;中間放置5個鑄鐵,見圖1a,在材質不同及溫度差異的情況下,容易分離;下缸體5個放鑄件部位兩側壁部位最薄處鋁料厚度只有2mm,影響鋁液的流動充型和補縮能力,且兩側為加工面。為避免加工后產生氣孔外漏,兩側的加工余量盡可能少,加工余量設計最少為0.35 mm;鑄件的濾清器安裝面見圖1b,并且有兩條高壓油道孔,因此內部質量要求嚴格。檢驗標準:0.29MPa壓力下,泄漏量小于2 mL/min。其中,高壓油道孔Ⅰ為斜孔,由于模具結構限制,不預鑄孔,由后期機加工出,高壓油道孔Ⅱ預鑄。

此款下缸體由于集成高壓油道,濾清器安裝等更多功能,壓鑄難度大,因此需針對壓鑄生產要點設計相應的解決方案。

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圖1:鋁合金下缸體
1.鑄鐵鑲嵌件 2.高壓油道孔Ⅰ3. 濾清器安裝面  4. 高壓油道孔Ⅱ

二、澆注系統設計

進料系統設計

下缸體的濾清器面和高壓油道孔一側內部質量要求嚴格,應優先保證。設計采用鷹嘴式單邊進料,鷹嘴式進料結構見圖2a,是一種內澆口鷹嘴狀射向產品壁的進料方式,由于入料角度與產品形狀大體一致,見圖2b,進料更為順暢,鋁液更容易沖向產品底部,有利于氣體的排出和壓力傳遞及補縮,保證了產品動模側濾清器面和高壓油道孔的成形和內部質量。為防止打水口時崩入產品,在水口位置設計了高2 mm,外形比入料口寬2 mm的防打崩凸臺,見圖3箭頭。根據以上的設計進行了入料的數值模擬分析,分析結果見圖4。

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圖2:鷹嘴式進料結構

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圖3:進料口防打崩凸臺

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圖4:定模側與動模側充型過程模擬

由圖4模擬結果可以看出,進料口先填充產品動模側,再向水尾填充,且整體填充比較順暢,沒有發現明顯紊流,符合設計的目的。

溢流排氣系統設計

根據圖4的進料模擬結果,在鋁料的最后填充位置或鋁料交匯位置設計溢流槽。圖5為下缸體結構特點,可以看出,A和C區域為厚大部位,集中了產品的絕大部分鋁料,B區域為薄壁位置,安裝了鑄鐵鑲嵌件后的鋁料壁厚最薄處只有2 mm,形成5條狹長過料通道。 A區域的排氣和C區域的填充十分困難,也容易產生卷氣。溢流排氣系統設計見圖6,4個區域的末端各連接一個齒形激冷排氣塊。齒形激冷排氣塊集渣效果良好,配合真空機的使用可以解決厚度差異大而帶來的流動性不足問題。在各個區域的氣體能順暢排出的情況下,一方面有利于降低產品內部氣孔,另一方面減少模具的負壓,有利于鋁料填充。澆注系統的模擬結果見圖7,可以看出,產品的各個部位填充和排氣較順暢,符合設計目的。

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圖5:下缸體的鋁料分布示意圖

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圖6:4區域排氣

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圖7:澆注系統的模擬過程

三、鑄鐵鑲嵌件安裝設計

5個鑄鐵鑲嵌件在模具上需要準確安裝重復定位放置。為避免跌落,鑲嵌件放置在靜止的定模側,見圖8a,利用鑲嵌件上的通孔做定位。在自動化生產模式下,利用機器人一次性把5個鑲嵌件放置于模腔里。由于放置的位置精度不高,定模側定位型芯與鑲嵌件的通孔間隙需適當加大。通孔間隙既要保證鑲嵌件能夠順利放置,又要避免由于間隙過大松動跌落。綜合考慮后設計的配合間隙單邊為0.17 mm,定位型芯前端設計圓弧和圓錐導向。動模側的定位型芯的定位段長度設計為2 mm,與鑄鐵鑲嵌件的通孔的配合間隙設計為單邊0.025 mm,前端設計斜度導向。通過合模時動模側的定位型芯插進鑄鐵鑲嵌件的通孔,實現了鑄鐵鑲嵌件的精確定位。鑄鐵鑲嵌件的兩端分別與動模和定模配合,防止鋁料進入通孔。安裝結構示意圖見圖8b。

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圖8:鑄鐵鑲嵌件安裝示意圖
1. 鑄鐵鑲嵌件 2.動模側定位型芯 3. 定模側定位型芯 4.嵌件端面與動模配合 5.嵌件端面與定模配合

5個鑄鐵鑲嵌件與鋁合金不能分離[1]。模具鑲塊噴涂后的溫度在150℃~200℃之間,鑄鐵鑲嵌件通過使用電熱箱提前加熱至230 ℃。經機械手自動化安裝,模具合模等過程,壓射時鑄鐵鑲嵌件的溫度與模具溫度基本一致,解決了鑄鐵鑲嵌件與鋁合金由于溫差產生分離的問題,同時提高了壓鑄過程鋁液的流動性。

四、高壓油道孔Ⅰ位置的擠壓銷設計

高壓油道孔Ⅰ為斜孔,壓鑄不預鑄孔,孔由后期加工出。此處鑄件壁厚達22 mm以上,容易產生縮孔。為最大限度消除缺陷,在高壓油道孔Ⅰ的定模側設計擠壓結構。設計的擠壓銷直徑為Φ12 mm,擠壓行程為20 mm, 擠壓方式為擠面。此種擠壓形式是在鑄件成型表面進行加壓作用,鑄件被加壓的部位比實際高度高出一定距離,以免把鑄件表面層冷料擠入鑄件內部。擠壓后鑄件會產生一個圓環,見圖9,通過后期加工去除。設計的擠壓油缸為缸徑Φ80mm的四方油缸。由于油缸安裝于定模套板內,安裝空間封閉,不利于散熱冷卻。油缸密封圈容易受過高溫影響失效,影響生產的連續性。在油缸前端安裝面設計運水冷卻板以降低溫度。擠壓結構見圖10。

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圖9:擠壓產生的圓環

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圖10:擠壓結構示意圖
1.擠壓銷 2.擠壓銷套 3.油缸冷卻板 4.油缸

五、高壓油道孔Ⅱ型芯設計

由于橫向正對入料口,高壓油道孔Ⅱ型芯受鋁液高速沖擊,容易變形折斷,受鋁液高溫影響,鑄件容易出現扣傷、燒傷等缺陷。型芯設計采用YXR33/W360高韌性材料,表面進行Dura-AR電漿處理,熱處理后硬度(HRC)為52~54,表面處理后硬度(HV)為3600,提高了型芯的耐沖擊能力。型芯內部設計Φ6mm超點冷孔(見圖11),設置了內徑只有Φ3mm的不銹鋼點冷管的超點冷(見圖12)。增加高壓冷卻設備,型芯的內部高壓冷卻水壓力達到1.5 MPa。為增強冷卻效果,避免受其他超點冷影響,設計了一個獨立水座,單獨連接高壓油道孔Ⅱ型芯的超點冷。

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圖11:高壓油道孔Ⅱ型芯

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圖12:高壓超點冷

六、試制驗證

該鑄件全投影面積為193 515mm2,使用宇部16 500 kN壓鑄機生產,壓射沖頭直徑為Φ130 mm。根據設計的模具參數以及零件的特點,制定了壓鑄試制的工藝參數,見表1。

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表1:壓鑄試制工藝參數表

壓鑄試制發現水尾部位有冷隔和發黑缺陷,經測量此處模溫只有120℃左右,在該部位上滑塊減少2/3水冷流量再生產,缺陷消除。經機加工后的加工面和產品內部質量均達到技術要求。

七、結語

根據下缸體的結構特點,設計了鷹嘴式進料和區域排氣抽真空的澆注系統,有效解決了下缸體鑄件成形困難、內部卷氣、縮孔、縮松的問題;設計了鑄鐵鑲嵌件的合理安裝定位,保證了模具連續正常生產;設計鑄鐵鑲嵌件的預熱溫度為230℃,解決了鑄鐵鑲嵌件與鋁合金的分離問題;設計擠壓銷,解決了不加工的油道孔部位產生的縮孔問題;設計的型芯采用YXR33/W360高韌性材料,表面進行Dura-AR電漿處理以及增加高壓超點冷,提高了型芯的使用壽命。
作者:
黃美蓮  李彬  陳木榮
廣東理工學院電氣工程系
羅柏奎
肇慶高新區鴻勝模具制造有限公司

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