針對某新款汽車發(fā)動機鋁合金下缸體的結(jié)構(gòu)特點，在其壓鑄模具開發(fā)中采用鷹嘴式進(jìn)料，分4區(qū)排氣的澆注系統(tǒng)，解決了零件成形困難、卷氣嚴(yán)重、內(nèi)部氣孔等問題。設(shè)計了5個鑄鐵鑲嵌件的安裝方式和230 ℃的預(yù)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(shè)計擠壓銷，擠壓油缸設(shè)計冷卻板，解決了縮孔問題并保證連續(xù)生產(chǎn)。

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(yōu)點，又減輕了鑄鐵缸體的質(zhì)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(zhì)量為6.05 kg,材質(zhì)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(jīng)后續(xù)加工作為軸承座。5個鑄鐵鑲嵌件應(yīng)在每次生產(chǎn)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(xiàn)象。含鑄鐵鑲嵌件的鑄件總質(zhì)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(zhì)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(cè)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(cè)為加工面。為避免加工后產(chǎn)生氣孔外漏，兩側(cè)的加工余量盡可能少，加工余量設(shè)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(nèi)部質(zhì)量要求嚴(yán)格。檢驗標(biāo)準(zhǔn):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(jié)構(gòu)限制，不預(yù)鑄孔，由后期機加工出，高壓油道孔Ⅱ預(yù)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(chǎn)要點設(shè)計相應(yīng)的解決方案。

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(tǒng)設(shè)計

進(jìn)料系統(tǒng)設(shè)計

下缸體的濾清器面和高壓油道孔一側(cè)內(nèi)部質(zhì)量要求嚴(yán)格，應(yīng)優(yōu)先保證。設(shè)計采用鷹嘴式單邊進(jìn)料，鷹嘴式進(jìn)料結(jié)構(gòu)見圖2a，是一種內(nèi)澆口鷹嘴狀射向產(chǎn)品壁的進(jìn)料方式，由于入料角度與產(chǎn)品形狀大體一致，見圖2b，進(jìn)料更為順暢，鋁液更容易沖向產(chǎn)品底部，有利于氣體的排出和壓力傳遞及補縮，保證了產(chǎn)品動模側(cè)濾清器面和高壓油道孔的成形和內(nèi)部質(zhì)量。為防止打水口時崩入產(chǎn)品，在水口位置設(shè)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(jù)以上的設(shè)計進(jìn)行了入料的數(shù)值模擬分析，分析結(jié)果見圖4。

圖2：鷹嘴式進(jìn)料結(jié)構(gòu)

圖3：進(jìn)料口防打崩凸臺

圖4：定模側(cè)與動模側(cè)充型過程模擬

由圖4模擬結(jié)果可以看出，進(jìn)料口先填充產(chǎn)品動模側(cè)，再向水尾填充，且整體填充比較順暢，沒有發(fā)現(xiàn)明顯紊流，符合設(shè)計的目的。

溢流排氣系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)圖4的進(jìn)料模擬結(jié)果，在鋁料的最后填充位置或鋁料交匯位置設(shè)計溢流槽。圖5為下缸體結(jié)構(gòu)特點，可以看出，A和C區(qū)域為厚大部位，集中了產(chǎn)品的絕大部分鋁料，B區(qū)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(qū)域的排氣和C區(qū)域的填充十分困難，也容易產(chǎn)生卷氣。溢流排氣系統(tǒng)設(shè)計見圖6，4個區(qū)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(qū)域的氣體能順暢排出的情況下，一方面有利于降低產(chǎn)品內(nèi)部氣孔，另一方面減少模具的負(fù)壓，有利于鋁料填充。澆注系統(tǒng)的模擬結(jié)果見圖7，可以看出，產(chǎn)品的各個部位填充和排氣較順暢，符合設(shè)計目的。

圖5：下缸體的鋁料分布示意圖

圖6：4區(qū)域排氣

圖7：澆注系統(tǒng)的模擬過程

三、鑄鐵鑲嵌件安裝設(shè)計

5個鑄鐵鑲嵌件在模具上需要準(zhǔn)確安裝重復(fù)定位放置。為避免跌落，鑲嵌件放置在靜止的定模側(cè)，見圖8a，利用鑲嵌件上的通孔做定位。在自動化生產(chǎn)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(cè)定位型芯與鑲嵌件的通孔間隙需適當(dāng)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(shè)計的配合間隙單邊為0.17 mm，定位型芯前端設(shè)計圓弧和圓錐導(dǎo)向。動模側(cè)的定位型芯的定位段長度設(shè)計為2 mm,與鑄鐵鑲嵌件的通孔的配合間隙設(shè)計為單邊0.025 mm，前端設(shè)計斜度導(dǎo)向。通過合模時動模側(cè)的定位型芯插進(jìn)鑄鐵鑲嵌件的通孔，實現(xiàn)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(jìn)入通孔。安裝結(jié)構(gòu)示意圖見圖8b。

圖8：鑄鐵鑲嵌件安裝示意圖
1. 鑄鐵鑲嵌件 2.動模側(cè)定位型芯 3. 定模側(cè)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(jīng)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(chǎn)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(shè)計

高壓油道孔Ⅰ為斜孔，壓鑄不預(yù)鑄孔，孔由后期加工出。此處鑄件壁厚達(dá)22 mm以上，容易產(chǎn)生縮孔。為最大限度消除缺陷，在高壓油道孔Ⅰ的定模側(cè)設(shè)計擠壓結(jié)構(gòu)。設(shè)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(jìn)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(nèi)部。擠壓后鑄件會產(chǎn)生一個圓環(huán)，見圖9，通過后期加工去除。設(shè)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(nèi)，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(chǎn)的連續(xù)性。在油缸前端安裝面設(shè)計運水冷卻板以降低溫度。擠壓結(jié)構(gòu)見圖10。

圖9：擠壓產(chǎn)生的圓環(huán)

圖10：擠壓結(jié)構(gòu)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(shè)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(xiàn)扣傷、燒傷等缺陷。型芯設(shè)計采用YXR33/W360高韌性材料，表面進(jìn)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(nèi)部設(shè)計Φ6mm超點冷孔（見圖11），設(shè)置了內(nèi)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(shè)備，型芯的內(nèi)部高壓冷卻水壓力達(dá)到1.5 MPa。為增強冷卻效果，避免受其他超點冷影響，設(shè)計了一個獨立水座，單獨連接高壓油道孔Ⅱ型芯的超點冷。

圖11：高壓油道孔Ⅱ型芯

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(chǎn)，壓射沖頭直徑為Φ130 mm。根據(jù)設(shè)計的模具參數(shù)以及零件的特點，制定了壓鑄試制的工藝參數(shù)，見表1。

表1：壓鑄試制工藝參數(shù)表

壓鑄試制發(fā)現(xiàn)水尾部位有冷隔和發(fā)黑缺陷，經(jīng)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(chǎn)，缺陷消除。經(jīng)機加工后的加工面和產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量均達(dá)到技術(shù)要求。

七、結(jié)語

根據(jù)下缸體的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了鷹嘴式進(jìn)料和區(qū)域排氣抽真空的澆注系統(tǒng)，有效解決了下缸體鑄件成形困難、內(nèi)部卷氣、縮孔、縮松的問題；設(shè)計了鑄鐵鑲嵌件的合理安裝定位，保證了模具連續(xù)正常生產(chǎn)；設(shè)計鑄鐵鑲嵌件的預(yù)熱溫度為230℃，解決了鑄鐵鑲嵌件與鋁合金的分離問題；設(shè)計擠壓銷，解決了不加工的油道孔部位產(chǎn)生的縮孔問題；設(shè)計的型芯采用YXR33/W360高韌性材料，表面進(jìn)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(xué)院電氣工程系
羅柏奎
肇慶高新區(qū)鴻勝模具制造有限公司