原標題：模具設計！鋁合金凸輪軸蓋壓鑄模澆注系統設計

凸輪軸蓋作為凸輪軸的安裝載體，其與氣缸蓋連接緊固，用來密封氣缸蓋、氣門室和凸輪軸，是發動機總成的關鍵零部件。與其他汽車零件相比，凸輪軸蓋易變形，表面品質和尺寸精度要求高。壓鑄件在很多工業領域廣泛應用，尤其汽車制造領域。如果壓鑄模澆注系統設計不合理，高速壓鑄過程中容易卷氣，凝固后將形成氣孔、縮孔和縮松等缺陷，對壓鑄件特別是大中型精密復雜的零件的力學性能產生不利影響。

計算機模擬已在壓鑄領域得到廣泛應用，通過充型、凝固等過程仿真可有效預測鑄造缺陷，優化模具設計。為優化工藝設計，提高壓鑄件品質、縮短生產周期。基于ProCAST軟件，對某汽車鋁合金凸輪軸蓋零件的壓鑄模澆注系統進行優化設計，旨在為其應用提供參考。

圖文結果

鋁合金凸輪軸蓋零件為矩形框架結構，其三維模型見圖1。輪廓尺寸為361mm×160mm×44mm，體積約為4.34×105mm3，最大壁厚為8mm(見圖1a中圈選位置)，最小壁厚為4mm。據鑄件結構特征和澆注系統設計理論，設計了3種澆注系統方案,見圖2。方案1有6個內澆口，分布在鑄件長邊上5處帶U形凹槽的橫梁位置及端部。為了防止鑄件短邊上靠近澆口的半圓臺處產生卷氣和縮孔，方案2添加了溢流槽，見圖2b。而考慮到鑄件端部兩橫澆道在液流交匯處容易產生卷氣，方案3將左側兩個內澆口合并為一個，且保留了方案2中所添加的溢流槽，見圖2c。

圖1 凸輪軸蓋鑄件三維圖

表1 壓鑄模主要設計參數

圖2 凸輪軸蓋鑄件澆注系統設計方案

表2 計算條件

3種澆注系統設計方案的充型過程仿真結果見圖3。圖3a為方案1的充填過程，可以看出，金屬液沿著直澆道進入型腔，整體上滿足順序填充，但由于凸輪軸蓋的框架結構，使得金屬液多次分流和匯合，增大卷氣傾向。充型率為50%時，金屬液在圓圈標記位置形成匯合，被壓縮氣體無法通過鑄件橫梁形成的型腔排出，容易在此處造成卷氣和熔接痕。方案2的充填過程見圖3b。與方案1相比，金屬液流態相似，在填充率為50%時，金屬液在圓圈標記位置也形成了液流匯合，但匯合流處于型腔通道，產生氣孔和熔接痕的可能性較低。同時由于方案2在鑄件圓臺一側開設了溢流槽，可減小卷氣和縮孔缺陷。方案3與前兩種方案相比，圓圈標記區域的液流匯合位置靠近溢流槽一側，也處于型腔通道位置，見圖3c。方案3避免了兩股金屬液在鑄件內部交匯和相互沖擊，從而減少了渦流、裹氣以及氧化夾渣發生的可能，其澆注充型過程更合理。從充型率70%和95%時的充型狀態來看，3種澆注系統設計方案充型情況均相似，型腔充滿后，冷、污金屬液和多余的金屬液及型腔中的空氣可順利進入溢流槽排出。

(a)方案1充型過程

(b)方案2充型過程

(c)方案3充型過程

圖3 鑄件在3種澆注方案下的充型過程

(a)方案1

(b)方案2

(c)方案3

圖4 3種澆注系統方案的凝固過程

圖5 不同澆注方案下鑄件縮孔預測

(a)充型過程

(b)凝固過程

圖6 改進方案的充型過程和凝固過程

通過對充型凝固過程及縮孔、縮松的分析比較，認為方案3的效果最好。但根據圖3c充型50%時的充型仿真結果，金屬液匯流處于型腔通道上，充填和排氣條件較好；同時縮孔、縮松仿真結果顯示，3種方案中鑄件B處孔隙未發生明顯改變。故考慮可去除圖4f中B附近溢流槽，從而能降低該區域溫度，加快凝固，提升壓鑄效率。改進方案的縮孔、縮松仿真結果和試模鑄件見圖7。圖7a與方案3(見圖5c)中的結果相比，鑄件厚大區域的3處縮孔有1處被直接消除，另外兩處縮孔體積減小，鑄件縮孔體積為1.43×10-3cm3。模擬結果顯示，優化方案滿足鑄件品質要求，故采用優化方案進行開模、試模,試模鑄件經加工后見圖7b。

圖7 改進方案縮孔仿真結果與試模鑄件

圖8 鑄件缺陷檢測X光探傷

結論

(1)框型凸輪軸蓋鑄件減少橫澆道數量可改善金屬液的流動形態，減少因卷氣而產生內部孔隙。

(2)澆注系統優化方案通過去除鑄件半圓臺附近溢流槽，降低了該區域的溫度，可消除多處厚大部位凝固收縮形成的孔隙。鑄件整體凝固時間縮短至46.7s，提高了生產效率。

(3)鑄件切割和X光探傷僅發現在非關鍵位置存在2個孔洞，鑄件品質符合使用要求。

本文作者：

周濤 龔海軍 李歡 孫鵬飛 張繼祥
重慶交通大學機電與車輛工程學院
彭軍
重慶德運模具制造有限公司
本文來源：《特種鑄造及有色合金》雜志