原標(biāo)題：油底殼壓鑄工藝設(shè)計(jì)及其改善

摘要

根據(jù)汽車發(fā)動機(jī)油底殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓鑄工藝設(shè)計(jì)，利用CAE模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，通過優(yōu)化高壓點(diǎn)冷及流道方案，結(jié)合模具溫度場的分析與控制，實(shí)現(xiàn)油底殼熱節(jié)位置縮孔、泄漏問題的改善，提升了產(chǎn)品質(zhì)量，滿足了批量生產(chǎn)條件。

油底殼作為汽車發(fā)動機(jī)的重要零部件，安裝在發(fā)動機(jī)底部。其主要功能是存儲機(jī)油并封閉曲軸箱，同時(shí)保護(hù)發(fā)動機(jī)下部的油路組件。油底殼具備較強(qiáng)的耐磨和抗沖擊能力，能夠起到緩沖和分散碰撞力的作用，還可以防止發(fā)動機(jī)油液泄漏，保持發(fā)動機(jī)內(nèi)部的正常工作溫度。油底殼的密封、儲油和吸油功能中的任何一項(xiàng)喪失都將造成發(fā)動機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞。新一代的汽車發(fā)動機(jī)油底殼零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均和氣密性要求高，在壓鑄過程中會出現(xiàn)渦流裹氣、金屬液難以均勻補(bǔ)縮現(xiàn)象，導(dǎo)致鑄件內(nèi)部存在氣孔、縮孔等缺陷，容易造成零件廢品率高、成本浪費(fèi)，需對壓鑄工藝進(jìn)行深入分析和持續(xù)改進(jìn)。

01 零件結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

圖1為某汽車發(fā)動機(jī)油底殼結(jié)構(gòu)示意圖，材質(zhì)為鋁合金ADC12，尺寸輪廓約427 mm×310 mm×165 mm，重量約3.4kg，平均壁厚3.3 mm。鑄件整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，屬于六面加工體，中間布滿交錯的加強(qiáng)筋，周邊功能區(qū)域有10~20 mm不等的局部壁厚處。鑄件成形模塊除動、定模芯外，還包含3組滑塊抽芯。鑄件投影面積約1 145 cm2，需采用1650T壓鑄機(jī)設(shè)備來進(jìn)行生產(chǎn)。零件表面不允許有裂紋、欠鑄、機(jī)械損傷及任何穿透性缺陷。高壓油道密封面、濾清器安裝面氣孔要求≤0.3 mm，其余一般加工面氣孔要求≤0.5 mm。鑄件內(nèi)部孔隙按ASTM E505 2級標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。高壓油道孔和內(nèi)腔分別要求在0.4 MPa和0.2 MPa壓力下，保壓25 s，其泄漏值分別≤1.0 mL/min和≤4.0 mL/min。

圖1 某汽車發(fā)動機(jī)油底殼結(jié)構(gòu)示意圖

02 澆注方案設(shè)計(jì)

該零件壁厚最厚處高達(dá)18.5 mm，為高壓油道預(yù)鑄孔附近區(qū)域，見圖2。局部區(qū)域壁厚差異太大，形成熱節(jié)點(diǎn)，在鑄件凝固過程中由于補(bǔ)縮不足而產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，從而造成零件泄漏。針對此類缺陷問題，常見的解決方法是增設(shè)局部擠壓銷進(jìn)行補(bǔ)縮，但該零件受限于產(chǎn)品及模具結(jié)構(gòu)，無法有效設(shè)計(jì)擠壓銷，即擠壓銷油缸會與斜油道抽芯油缸產(chǎn)生干涉，高壓油道孔、斜油道抽芯孔位置見圖1（a）。因此，針對本油底殼高壓油道孔泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，只能通過對壓鑄流道和高壓點(diǎn)冷方案設(shè)計(jì)來進(jìn)行優(yōu)化改善。

圖2 局部厚大位置剖視圖

由于該油底殼內(nèi)腔為產(chǎn)品頂出位置，因此內(nèi)腔以動模成形，方便產(chǎn)品頂出，減小包緊力的作用，從而保證產(chǎn)品的平面度；且濾清器安裝面、放油螺栓孔及后端面為3組滑塊所在位置，如圖1（b）。故依據(jù)該油底殼結(jié)構(gòu)選定分型及進(jìn)料方式如圖3所示：整體進(jìn)料方式為豎直進(jìn)料，以油底殼前端面為進(jìn)料位置，可以避免分流錐設(shè)置在滑塊上容易卡死的風(fēng)險(xiǎn)。共設(shè)計(jì)10組內(nèi)澆道進(jìn)料，后端面為填充末端。對該澆注系統(tǒng)進(jìn)行初始數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示，鑄件充型完成時(shí)整體溫度偏低，如圖4所示。原因?yàn)闈沧⑾到y(tǒng)流程長，充型過程中熱量損失大，充型末端容易形成冷料聚集，從而導(dǎo)致加工后氣孔、夾渣缺陷增多。且底部兩股流道優(yōu)先進(jìn)料，容易形成冷隔，導(dǎo)致拋丸后起皮，如圖5所示。

圖3 澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 溫度場分布圖

圖5 充型過程示意圖

底部及兩側(cè)流程過長，鋁液在流道內(nèi)熱量損失的問題可以通過適當(dāng)提高內(nèi)澆道的充型速度，從而提高鋁液進(jìn)入型腔的溫度，依據(jù)公式（1）：

式中：T為金屬液升高的溫度，℃；v為內(nèi)澆道速度，m/s；c為金屬的比熱容，J/（kg·℃）；K為熱工當(dāng)量，kgf·m。

ADC12壓鑄鋁合金比熱容為0.9 J/（kg·℃）、熱工當(dāng)量為100 kgf·m時(shí)，應(yīng)用式（1）描繪出內(nèi)澆道速度與金屬液溫度升高的對應(yīng)關(guān)系，如圖6所示。當(dāng)內(nèi)澆道速度為40 m/s時(shí)，鋁合金液進(jìn)入型腔的溫度將升高8 ℃左右；而內(nèi)澆道速度為60 m/s時(shí)，鋁合金液進(jìn)入型腔的溫度將升高20 ℃。所以，內(nèi)澆道的速度越大，則金屬液通過內(nèi)澆道時(shí)的溫度就升得越高。而油底殼選定內(nèi)澆道速度為50 m/s，根據(jù)公式（1）計(jì)算得到內(nèi)澆道升溫為14 ℃，可以在一定程度上彌補(bǔ)鋁合金液在進(jìn)入型腔前的溫度損失，保持鋁液的流動性，保證末端的充型。同時(shí)，在型壁的所有充型末端位置設(shè)置一定體積的渣包，進(jìn)行鋁液前端冷料的容納，減少末端氣孔、夾渣的出現(xiàn)。高壓油道孔的熱節(jié)無法避免，需采用高壓點(diǎn)冷進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。

圖6 內(nèi)澆道速度與金屬液溫度升高關(guān)系圖

03 壓鑄工藝的選擇

3.1 慢壓射速度的選擇

慢壓射速度選擇的原則：（1）使鋁合金液從倒入壓射室內(nèi)到注入內(nèi)澆道時(shí)熱量損失為最少，保證鋁合金液擁有足夠的流動性，便于充型；（2）在沖頭向前推進(jìn)時(shí)，使鋁合金液不產(chǎn)生翻滾、涌浪現(xiàn)象，卷入氣體量為最少；（3）防止鋁合金液從澆口濺出，因此，慢壓射速度不宜過快也不宜過慢，依據(jù)公式（2）：

式中：Vc為壓射沖頭的理論最大臨界速度，m/s；D為壓射室內(nèi)徑，m；g為重力加速度，m/s²；h為金屬液在壓射室內(nèi)的初始高度，m。

油底殼鑄件采用1650T壓鑄機(jī)，壓室內(nèi)徑110 mm，空打行程816mm，鑄件重量8.34kg，鑄件體積3147cm³，金屬液在壓射室內(nèi)的初始高度為50 mm，依據(jù)公式（2）計(jì)算得出壓射沖頭的理論最大臨界速度為0.6m/s。使用AnyCasting軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，觀測鋁合金液在完全充滿壓室前的充型流態(tài)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 壓室充型模擬結(jié)果

依據(jù)模擬結(jié)果顯示，鋁合金液在壓室內(nèi)溫度始終保持在液相線+30 ℃以上，且低速充型過程中，隨著沖頭向前推進(jìn)，鋁液充型平穩(wěn)，無卷氣現(xiàn)象產(chǎn)生，避免了壓室內(nèi)氣體的卷入。

3.2 快壓射速度的選擇

快壓射速度選擇的原則：（1）鋁合金液在充滿型腔前必須具有良好的流動性，保證充型的順暢；（2）使鋁合金液能快速有序地充滿型腔，并把氣體排出到型腔外；（3）不形成高速的金屬流沖刷型腔或型芯，避免粘模現(xiàn)象的產(chǎn)生，鋁合金壓鑄件內(nèi)澆道速度一般為40~60 m/s。油底殼鑄件內(nèi)澆道總截面積為771mm²，壓室截面積為9498.5mm²，初步選定內(nèi)澆道速度為50m/s ，依據(jù)伯努利方程：內(nèi)澆道速度×內(nèi)澆道截面積=高速速度×壓室截面積，計(jì)算得出高速速度為4m/s。

3.3 高速切換位置的選擇

壓鑄件理論高速切換位置為金屬液填充至內(nèi)澆道位置，該油底殼鑄件理論高速位置為590 mm，但由于內(nèi)澆道為上下排列，底部的內(nèi)澆道會提早進(jìn)料，導(dǎo)致鑄件底部位置出現(xiàn)冷隔問題，故將高速切換點(diǎn)設(shè)置為550 mm，具體壓鑄工藝參數(shù)見表1。

表1 壓鑄工藝參數(shù)

04 壓鑄過程中的缺陷及工藝優(yōu)化

在小批量壓鑄生產(chǎn)過程中，主要存在如圖8所示問題：高壓油道孔（不加工）泄漏，料廢占比30%，且部分泄漏產(chǎn)品孔內(nèi)目視可見裂紋存在。

圖8 油底殼缺陷解剖圖

高壓油道孔泄漏問題為內(nèi)部縮孔導(dǎo)致，部分泄漏產(chǎn)品縮孔外露導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，油道位置為產(chǎn)品熱節(jié)所在，油道鑄銷高壓點(diǎn)冷無法完全冷卻該位置，使用熱成像儀對該位置模具溫度進(jìn)行檢測，油道鑄銷位置整體溫度近290 ℃，如圖9所示。通過調(diào)整鑄銷高壓點(diǎn)冷通水流量，延長通水時(shí)間，無明顯改善效果，初步判斷存在其他影響因素。通過反復(fù)確認(rèn)CAE模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)油道鑄銷正處于操作側(cè)末端兩股流道交匯處，如圖10所示，兩股流道直沖油道鑄銷且融合不良，從而導(dǎo)致鑄銷溫度過高產(chǎn)生縮孔甚至縮孔外露。

圖9 改善前模具溫度場

圖10 改善前模擬分析

圖11 改善后模具溫度場

依據(jù)缺陷所在對模具進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，將操作側(cè)最末端一股流道進(jìn)行封堵，如圖12所示，同時(shí)，在定模芯新增一組高壓點(diǎn)冷對高壓油道孔底部壁厚位置進(jìn)行點(diǎn)冷，加強(qiáng)熱節(jié)位置的冷卻，如圖13所示。

圖12 改善后模擬分析

圖13 模具點(diǎn)冷方案優(yōu)化

優(yōu)化后油道位置模具溫度降至170 ℃，進(jìn)行批量生產(chǎn)驗(yàn)證，試壓無泄漏及裂紋出現(xiàn)。鑄件外觀明亮，無冷隔、流痕等缺陷存在，拋丸處理后表面粗糙度符合要求，無明顯拋丸起皮現(xiàn)象，如圖14所示。對產(chǎn)品進(jìn)行X光射線檢驗(yàn)，內(nèi)部質(zhì)量良好，整體孔隙滿足ASTME505 2級標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖15所示。油道位置解剖后對該位置剖面及內(nèi)部進(jìn)行針對性檢驗(yàn)，無明顯氣孔、縮孔存在，如圖16所示。按此工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)，泄漏料廢率0.48%，產(chǎn)品綜合合格率達(dá)到98%以上，滿足批量生產(chǎn)要求。

圖14 油底殼實(shí)物照片

圖15 整體X射線檢驗(yàn)

圖16 油道位置解剖及X射線檢驗(yàn)

05 結(jié)論

（1）對于壓鑄鋁合金油底殼厚壁位置的縮孔缺陷問題，通過改進(jìn)高壓點(diǎn)冷方案進(jìn)行優(yōu)化，在孔徑較大的鑄銷位置，采用高壓點(diǎn)冷的方式，對鑄銷本體和對側(cè)模芯同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)制冷，改善厚壁位置的凝固條件，對油底殼熱節(jié)位置的縮孔改善有一定效果。

（2）對于油底殼靠近內(nèi)澆道位置的預(yù)鑄孔位，其預(yù)鑄銷本身受相近澆道直沖的影響，容易造成粘模，導(dǎo)致鑄銷溫度升高，需要頻繁進(jìn)行清理和更換的情況下，結(jié)合CAE數(shù)值模擬，對澆注系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，確保在鑄銷位置不會形成多股流道交匯、融合不良的現(xiàn)象，可以有效改善鑄銷因粘模導(dǎo)致溫度過高形成內(nèi)部縮孔從而造成產(chǎn)品泄漏的問題。

作者

羅金成 趙葵 陳盛旭 劉艷杰 趙煥波 滕光勇 張慧
溫州瑞明工業(yè)股份有限公司

《鑄造雜志》