原標(biāo)題:曲軸箱體壓鑄模異形型芯的鑲拼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要:介紹了一款汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求，基于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和質(zhì)量要求，在壓鑄模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)局部區(qū)域型腔較深、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異形部位，采用鑲拼式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)對(duì)異形型芯鑲拼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了失效模式分析，通過對(duì)模具局部冷卻能力、推桿尺寸及失穩(wěn)性、螺栓強(qiáng)度等進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和校核，以保證模具鑲拼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。

前 言：壓鑄模是壓鑄生產(chǎn)的重要的工藝裝備，其質(zhì)量直接影響壓鑄件的形狀、尺寸、精度，尤其是模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還能夠影響模具成本以及生產(chǎn)效率。

壓鑄模成形零件的設(shè)計(jì)是壓鑄模設(shè)計(jì)的核心部分，其結(jié)構(gòu)主要是依據(jù)鑄件的形狀、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工工藝來決定的，對(duì)于簡(jiǎn)單形狀的鑄件，可以采用整體式結(jié)構(gòu)的型腔，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度、剛性高，壓鑄件表面光滑，沒有鑲拼痕跡。但目前壓鑄件已向多功能化、集成化、大尺寸方向發(fā)展，因此壓鑄模型腔根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)常常采用鑲拼式結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行鑲拼式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除了要滿足鑄件的質(zhì)量要求，更要保證模具的鑲拼結(jié)構(gòu)具有良好的強(qiáng)度、剛性、韌性及表面質(zhì)量。本文以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱體為例，介紹異形型芯的鑲拼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，通過合理的設(shè)計(jì)鑲拼結(jié)構(gòu)，保證鑄件質(zhì)量，延長(zhǎng)模具壽命。

1、曲軸箱體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求

圖1是某款汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱體，材料為ADC12，鑄件外形輪廓尺寸442 mm×358 mm×173 mm，質(zhì)量約為4.5 kg。此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，箱體外部三個(gè)方向有側(cè)向凹陷和側(cè)孔，法蘭面有多處螺栓安裝凸臺(tái)，箱體內(nèi)部呈多層次不同深度的形狀，中間有鏤空部位。尤其是在圖示A部區(qū)域，有兩處三角形深腔，這兩處深腔對(duì)模具的制造、維護(hù)及鑄件的成形不利，鑄件在三角形內(nèi)部極易出現(xiàn)粘料、擦傷等質(zhì)量問題，會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致泄漏及模具損壞。

（a）                                        （b）
圖1 曲軸箱體3D圖

曲軸箱體產(chǎn)品的密封測(cè)試要求，腔體壓力為100 kPa，泄露量小于20 m³ /min，這就要求鑄件腔體具有良好的外觀質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量。

2、壓鑄模異形型芯的鑲拼結(jié)構(gòu)

基于上述對(duì)曲軸箱體的結(jié)構(gòu)分析及技術(shù)要求，在壓鑄模鑲塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注圖示A部區(qū)域兩處異形深腔處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)曲軸箱體此處型腔較深、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓鑄時(shí)熱量集中且易于損壞的特點(diǎn)，采用鑲拼式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

（a）動(dòng)模型腔鑲塊裝配圖 （b）異形鑲件3D圖
件1：動(dòng)模鑲塊；件2：異形型芯；件3：推桿
圖2 異形型芯的鑲拼結(jié)構(gòu)

異形型芯成形處起于模具主分型面，最大外輪廓約45 mm×45 mm，高度154 mm，脫模斜度2.5°。由于外輪廓為不規(guī)則形狀，同時(shí)側(cè)面有兩處需設(shè)計(jì)推桿孔，推桿孔占型芯邊緣小半圓，為保證裝配精度及推桿孔的精度，此鑲拼的異形型芯需要采用線切割加工，連接方式采用螺栓固定。由于型芯壓鑄時(shí)被周邊金屬包裹，熱量很大，心部需要設(shè)計(jì)冷卻水道對(duì)型芯進(jìn)行冷卻。鑲拼的異形型芯結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 異形型芯

曲軸箱體采用鑲拼結(jié)構(gòu)型芯的優(yōu)點(diǎn)如下。
（1）制造工藝性好。由于異形深腔，刀具無法進(jìn)入，只有通過電火花加工，而且拋光困難，采用鑲拼結(jié)構(gòu)，可以解決加工工藝性問題，方便加工，提高模具表面質(zhì)量。
（2）有利于設(shè)計(jì)獨(dú)立冷卻水。針對(duì)模具局部溫度高的位置，采用噴管結(jié)構(gòu)的單點(diǎn)獨(dú)立冷卻水，可以獨(dú)立控制冷卻水的流量和壓力，以滿足冷卻要求。
（3）有利于易損件的維護(hù)、維修和更換。
（4）利用鑲拼間隙有利于鑄件排氣。

3、設(shè)計(jì)計(jì)算

確定局部采用鑲拼結(jié)構(gòu)后，需要針對(duì)異形型芯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鑲拼處結(jié)構(gòu)進(jìn)行失效模式分析，以便在模具設(shè)計(jì)中采取措施，消除隱患。曲軸箱體采用鑲拼結(jié)構(gòu)型芯，由于異形型芯體積小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為滿足鑄件的質(zhì)量要求必須設(shè)置冷卻水道，為實(shí)現(xiàn)其模具使用功能，設(shè)計(jì)螺栓連接及推桿推出，因此可能存在的主要失效模式：①由于設(shè)計(jì)空間限制，冷卻水道的能力不足造成型芯溫度過高，鑄件產(chǎn)生粘模、擦傷等表面質(zhì)量；②局部抱緊力過大，鑄件粘模、推桿斷裂；③連接螺栓疲勞失效斷裂等。

基于以上對(duì)模具失效分析，必須對(duì)型芯的冷卻能力、推桿尺寸、螺栓強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)計(jì)算和校核，避免使用中出現(xiàn)各種失效，同時(shí)結(jié)合分析試生產(chǎn)中存在的問題，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，為該鑄件的大批量生產(chǎn)提供工藝參考。

3.1 冷卻水道的設(shè)計(jì)計(jì)算

壓鑄模具中，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有利于控制模具的溫度，使其內(nèi)部的熱量達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量。壓鑄生產(chǎn)過程中型芯長(zhǎng)時(shí)間被高溫金屬液包裹，溫度上升，由于鋁和鐵在高溫下的親和性，形成一對(duì)擴(kuò)散偶，極易發(fā)生粘模，從而影響鑄件質(zhì)量和模具壽命，因此型芯的冷卻水設(shè)計(jì)是型芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素之一。根據(jù)異形型芯結(jié)構(gòu)形狀，將冷卻水道設(shè)計(jì)在異形型芯中心位置，成臺(tái)階孔，前端直徑7 mm，距離成形表面最小距離8 mm，保證成形部位的快速冷卻，后端直徑10 mm，加大冷卻能力。

（1）壓鑄過程中傳入型芯的熱量

壓鑄過程中傳入模具的熱量可以用公式（1）進(jìn)行估算：
                   Q入 =mqn/3600            （1）

式中：Q入 為傳入模具型芯的熱量（kW），m為包裹異形型芯的壓鑄金屬質(zhì)量（kg），q為壓鑄金屬?gòu)臐沧⒌酵瞥錾l(fā)出的熱量（kJ/kg），見表1，n為每小時(shí)壓鑄的件數(shù)。針對(duì)曲軸箱體異形型芯局部區(qū)域，m為0.16kg，q取888 kJ/kg，n為30，代入式（1）得Q入=1.18kW。

表1 壓鑄合金從澆注到推出散發(fā)出的熱量

（2）冷卻水道帶出熱量
                    Q出 =Q′L             （2）

式中：Q出 為冷卻水道帶出熱量（kW）；Q′為單位長(zhǎng)度冷卻水道從模具中帶走的熱量（kW/cm），見表2；L為冷卻水道長(zhǎng)度（cm），如圖3所示。將數(shù)值代入式（2）得Q出=0.052×8+0，041×9=1.31（kW）。

表2 單位長(zhǎng)度冷卻水道從模具中吸收的熱量

經(jīng)計(jì)算，異形型芯局部區(qū)域冷卻水道帶出熱量Q出 大于傳入模具型芯的熱量Q入，冷卻能力滿足要求。試生產(chǎn)過程中使用800 kPa壓力的純凈水對(duì)型芯進(jìn)行冷卻，通過調(diào)整型芯冷卻水回水管路流量閥的閥開度控制冷卻水流量，最終確定此異形型芯的水流量在0.8~0.9 L/min時(shí)，型芯在模具開模時(shí)溫度控制在160~220 ℃，滿足工藝要求。

3.2 推桿的設(shè)計(jì)計(jì)算及優(yōu)化

壓鑄模設(shè)計(jì)時(shí)通常對(duì)鑄件整體進(jìn)行推出力的估算，從而確定選用的推桿直徑和數(shù)量。對(duì)于大型壓鑄模具而言，為減少模具在使用過程中易損件的故障，提升設(shè)備綜合效率，在模具空間允許的情況下，盡量選用大直徑的推桿。而此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特殊，在異形型芯處存在局部包緊力大而且推桿設(shè)計(jì)空間受限，因此需要對(duì)異形型芯局部推出力進(jìn)行計(jì)算，確定異形型芯周邊的推桿直徑及數(shù)量是否滿足要求。

（1）局部推出力的計(jì)算
壓鑄件推出時(shí)的受力狀況見圖4，推出力的計(jì)算公式：
Ft =F阻cosα-Fbsinα=AP（μcosα-sinα）（3）

圖4 壓鑄件推出時(shí)的受力狀況圖

式中：Ft 為壓鑄件脫模時(shí)所需的推出力（N）；Fb 為壓鑄件對(duì)模具零件的包緊力（N）；K為安全系數(shù)，一般取1.2；P為擠壓應(yīng)力，垂直于型芯表面，對(duì)于鋁合金一般P=10~12 MPa，A為壓鑄件包緊型芯的側(cè)向面積，曲軸箱體異形型芯的側(cè)向面積為18 788 m㎡ ；μ為壓鑄合金對(duì)型腔的摩擦系數(shù)，取0.2~0.25；α為脫模斜度，異形鑲件的脫模斜度2.5°。將上述數(shù)據(jù)代入式（3），得異形型芯的局部推出力Ft=3878 N。

（2）推桿直徑的計(jì)算
推桿推出機(jī)構(gòu)進(jìn)行推出的時(shí)候，推桿頂端面承受推出力。推桿的截面積的計(jì)算公式：
             A≥KFt/（nб）　 　（4）

式中：A為推桿的截面積（m㎡），K為安全系數(shù)，取值1.25；Ft 為推出力（N），n為推桿數(shù)量，б為壓鑄合金許用應(yīng)力（MPa）。曲軸箱體異形型芯根據(jù)其形狀可設(shè)置的推桿位置有兩處，并且需要與動(dòng)模型腔合加工出推桿孔，因此n=2；壓鑄合金為鋁硅合金，其許用應(yīng)力б=50 MPa。將以上數(shù)值代入式（4），得推桿直徑d=7.86 mm，將數(shù)據(jù)圓整后設(shè)計(jì)兩處直徑為8 mm的推桿。

（3）推桿的失穩(wěn)校核

對(duì)于細(xì)長(zhǎng)推桿，為保證推桿在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性，需要對(duì)單個(gè)推桿進(jìn)行失穩(wěn)校核，如果穩(wěn)定性達(dá)不到要求，則需要增加推桿數(shù)量或加大推桿直徑。推桿的穩(wěn)定性校核公式如下：

式中：KW為穩(wěn)定安全倍數(shù)，鋼取1.5～3；η為穩(wěn)定系數(shù)，η=20.19；Ft 為單個(gè)推出力（N）；E為彈性模量（N/c㎡），鋼的彈性模量E=2×107 N/c㎡ ；J為推桿抗彎截面積（c㎡ ），Φ8 mm的推桿抗彎截面積J=πd2 /64=0.049 c㎡；L為推桿全長(zhǎng)（cm），曲軸箱體異形型芯處推桿長(zhǎng)度L=52.8 cm。將以上數(shù)值代入式（5），得KW =3.66，大于鋼的穩(wěn)定安全倍數(shù)，滿足推桿運(yùn)行的穩(wěn)定性要求。

按此設(shè)計(jì)方案制造模具，在小批量試生產(chǎn)中出現(xiàn)異形型芯兩側(cè)推桿發(fā)卡、推出受阻現(xiàn)象，拆卸后發(fā)現(xiàn)推桿變形。進(jìn)一步分析，異形型芯一側(cè)受內(nèi)澆道的沖刷和沖擊，對(duì)型芯和周邊推桿造成不良影響。推出力除了受鑄件結(jié)構(gòu)和形狀影響外，還受型芯的表面粗糙度、溫度以及壓鑄工藝參數(shù)、推桿孔的精度等因素影響，在多種不良因素的影響下，需增大其安全系數(shù)。卸模后拆解模具，將異形型芯與動(dòng)模型腔裝配加工異形型芯兩側(cè)推桿孔，在零件結(jié)構(gòu)允許的最大范圍內(nèi)由Φ8 mm加大至Φ9 mm。由于采用合加工的工藝，推桿直徑加大的同時(shí)提高了推桿孔的精度，再生產(chǎn)驗(yàn)證推桿運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

3.3 螺栓強(qiáng)度的校核

由于異形型芯體積小、局部包緊力大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，異形型芯的固定采用螺栓連接固定方式，在型芯底部三個(gè)角方向最大可以設(shè)計(jì)出三個(gè)M8螺栓與動(dòng)模套板連接。在鑄件推出過程中，螺栓受軸向力的作用，其強(qiáng)度校核公式：

式中：б為螺栓實(shí)際承受的應(yīng)力（MPa），F(xiàn)為單個(gè)螺栓承受的軸向力（N），d為螺栓小徑（mm），[б]螺栓許用應(yīng)力（MPa）。按三個(gè)螺栓均勻受力計(jì)算，F(xiàn)=1.3Ft/3=1 680 N，M8螺栓小徑Φ6.5 mm代入式（6）得б=50.65 MPa。模具采用高強(qiáng)度螺栓，許用應(yīng)力大于80 MPa，螺栓強(qiáng)度校核滿足要求，可以避免鑄件推出過程中因螺栓失效而導(dǎo)致的鑄件變形或模具故障。

4、批量生產(chǎn)驗(yàn)證

曲軸箱體壓鑄模在局部深腔處采用異形型芯鑲拼結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了模具制造難度，工藝簡(jiǎn)單加工方便，型芯拋光后表面粗糙度小于Ra =0.4 μm，尺寸精度及外觀質(zhì)量均滿足要求。模具經(jīng)過大批量生產(chǎn)驗(yàn)證，異形型芯冷卻效果良好，模具溫度穩(wěn)定在工藝要求160~220 ℃，如圖5a所示。鑄件在局部深腔處沒有因模具溫度過高而產(chǎn)生的粘料、擦傷等外觀缺陷，如圖5b所示。異形型芯的使用壽命達(dá)到8萬模次以上，降低模具維修難度和制造成本，保證了鑄件質(zhì)量。按此模具結(jié)構(gòu)已復(fù)制多套模具進(jìn)行批量生產(chǎn)，鑄件品質(zhì)優(yōu)良，模具運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。


（a）模具溫度               （b）鑄件外觀
圖5 批量生產(chǎn)狀態(tài)

5、結(jié)論
（1）局部深腔、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的壓鑄件，模具設(shè)計(jì)時(shí)采用鑲拼式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠優(yōu)化加工工藝，提高模具質(zhì)量。
（2）為保證設(shè)計(jì)的可靠性，需要對(duì)鑲拼結(jié)構(gòu)的型芯進(jìn)行相關(guān)的可靠性計(jì)算，例如局部冷卻能力、推桿尺寸及失穩(wěn)性、螺栓強(qiáng)度等。
（3）對(duì)局部異形長(zhǎng)型芯，計(jì)算局部推出力時(shí)需考慮其使用條件適當(dāng)增大安全系數(shù)，安全系數(shù)≥1.5。
（4）曲軸箱體異形型芯采用鑲拼結(jié)構(gòu)，通過批量生產(chǎn)的驗(yàn)證，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，模具運(yùn)行可靠。異形型芯的使用壽命達(dá)到8萬模次以上，減小了模具維修難度，降低了制造成本，保證了鑄件質(zhì)量。

作者
程瑞 侯麗彬
大連科技學(xué)院
本文來自：《鑄造》雜志