原標題：利用分水盤結構解決油底殼壓鑄件粘料擦傷的缺陷

摘要：介紹了一款汽車發動機油底殼的模具結構及批量生產中主要的失效模式，用成因分析表對粘料擦傷的原因進行分析，發現是上滑塊模具溫度過高導致的。對上滑塊結構進行分析，發現上滑塊鎖模處無法設置冷卻水道。針對缺陷產生的原因，對上滑塊結構進行優化，增加鎖模面處的冷卻，利用分水盤改變冷卻水進出方向和位置。優化后的模具冷卻能力提高近1倍，有效地解決了因上滑塊溫度過高導致的局部粘料擦傷問題。

壓鑄可實現少切削、無切削、高效快速生產各種復雜零件，因此應用廣泛于汽車、摩托車、機械裝備、家電及3C產品和日用品等行業零件生產。但成形過程是在高溫、高壓、高速下進行的，因此壓鑄件會產生縮孔、氣孔、粘料擦傷、流痕、冷隔等缺陷。壓鑄件局部粘料擦傷已成為復雜鑄件普遍存在的問題。本課題通過對汽車發動機油底殼局部粘料擦傷進行原因分析，找到其產生的根本原因并加以解決，旨在為解決類似問題提供參考。

1.鑄件的工藝分析及缺陷形式

圖1為某發動機油底殼，油底殼位于發動機的底部，上平面與下缸體結合，側面安裝前蓋。鑄件要求外觀無冷隔、粘料擦傷、劃痕等缺陷，內部孔隙率小于5%，氣密性要求0.1 MPa壓力下泄露量小于5 mL/min。鑄件外形最大輪廓尺寸為442 mm×298 mm×130 mm，總質量約為4.8 kg。此油底殼結構較復雜，一般壁厚為4.5 mm，部分有螺栓安裝面的功能區壁厚約為20 mm。鑄件材質為ADC12 合金，化學成分見表1。在批量生產過程中，局部存在明顯的粘料擦傷現象，鑄件表面粗糙，顏色發白，且有沿拔模方向的拉痕，粘料嚴重的鑄件損傷表面激冷層導致零件泄漏。

圖1 油底殼形狀及其缺陷

表1 ADC12合金化學成分 wb/%

2.模具結構設計方案

油底殼在長邊方向的中間部位有直徑為Φ20 mm斜孔和直徑為Φ16 mm側向直孔，因此模具設計一側有動模斜抽芯，另一側有靜模側抽芯。當設計側向填充的澆注系統，會影響料缸和分流錐的布置。另外，油底殼長向法蘭面設計有多處螺栓安裝凸臺位置。為保證功能區的品質，油底殼模具的澆注系統設計成U型澆道，模具結構圖見圖2。壓鑄時金屬液從兩側充填，下方設計大容積的集渣包，上方充填末端設計曲面排氣道。模具的導向機構采用方形導柱、導套結構，并與套板上的精定位塊配合使用，既保證模具在開模過程中不受熱膨脹的影響，又能保證動靜模合摸后定位精度。

圖2 油底殼壓鑄模結構圖（動模）

3.油底殼粘料擦傷分析

粘料擦傷是壓鑄件主要缺陷之一，是指鑄件表面與型腔壁黏連，鑄件表面粗糙度被破壞，嚴重時會出現沿開模方向表面呈現條狀的拉傷痕跡。表2是鋁合金壓鑄件粘料拉傷成因對照表。

表2 鋁合金壓鑄件粘料拉傷成因對照表

基于上述鋁合金壓鑄件粘料拉傷成因對照表及經驗數據，綜合考慮發生率及嚴重度等因素，鋁合金鑄件粘料擦傷的主要原因如下：模具溫度太高；合金液澆注溫度過高；成型表面粗糙，拔模角度過小或負拔模角；脫模劑用量不足；鋁合金含鐵量太少，小于0.6％；澆道系統不正確使金屬液直接沖擊型芯或型壁；

此款油底殼出現粘料擦傷的位置是在滑塊成形處。從圖1及應用模擬軟件進行流動分析的結果來看，澆注系統設計合理，而且在充填過程中金屬液沒有直接沖擊產生缺陷部位的上滑塊。檢查模具上滑塊成形部位表面粗糙和拔模角、噴涂機器人的程序設置，均符合要求。將鋁合金中含Fe量控制在0.65%～1.1%，合金液澆注溫度控制在660±15 ℃，并進行其他工藝參數調整，發現對油底殼粘料缺陷位置和缺陷程度影響不大。

進一步對鑄件缺陷部位的形狀及模具結構進行分析，發現鑄件在上滑塊處壁厚厚大，金屬液在凝固過程中會產生大量熱量。而此處的成形上滑塊為保證排氣效果采用“隨形”結構，滑塊鎖模處無法將冷卻水管引出，所以冷卻水布置在滑塊下方，上滑塊型芯和上部分凸起的型腔沒有得到充分的冷卻，因此導致滑塊局部溫度過高。

4.模具結構的優化設計

根據分析，油底殼局部粘料擦傷的根本原因是因滑塊結構導致的模具冷卻不足，局部成形處溫度過高導致的，因此需對上滑塊進行結構優化，以加大模具冷卻效果。

4.1 上滑塊原結構及冷卻水布置

上滑塊優化前的結構見圖3。上滑塊總成由兩部分組成，由于鎖模位置以上區域冷卻水管無法引出，所以上滑塊冷卻水只布置在鎖模面以下位置，共4處噴管式冷卻。冷卻水a水道直徑∅15 mm兩處，冷卻水b水道直徑∅11 mm兩處，上滑塊型芯1～4無冷卻。

圖3 上滑塊優化前結構

4.2 利用分水盤結構加大冷卻

上滑塊優化后的結構見圖4，上滑塊總成由3部分組成，在上滑塊前端和鎖模塊中間增加“分水盤”。上滑塊在原有的4處點冷卻的基礎上，增加了4個型芯冷卻和5處型腔冷卻。上滑塊4個∅11 mm型芯上增加點冷卻，即冷卻水道c，直徑∅5 mm,共4處；在上滑塊成型處各凸起部位增加冷卻水道d，直徑∅8 mm,共5處。冷卻水道c1～c4通過分水盤實現串聯，并將冷卻水進出口位置引到鎖模面下方。同理，冷卻水道d1～d5通過分水盤實現串聯，并將冷卻水進出口位置引到鎖模面下方。通過設計獨立的分水盤，將冷卻水串聯并改變進出口位置，解決鎖模面以上無法設置冷卻水的問題，同時可以方便加工和更換。分水盤與上滑塊之間用氟橡膠O型密封圈進行端密封，分水盤前后端面有定位塊，實現與上滑塊和鎖模塊之間的精準定位，上滑塊總成中3個零件用4個M16螺栓連接固定。

圖4 上滑塊優化后結構

4.3 上滑塊優化前后冷卻能力對比

模具冷卻水從模具中帶走的熱量計算如下：
Q =αAw （Qd-Qw）=απDL（Qd-Qw）                   （1）

式中，Q為冷卻水應從模具中帶走的熱，kW；Aw為 冷卻水道的表面積，㎡；Qd為 距型腔表面d處冷卻水道周圍的溫度，℃；Qw為 水道內冷卻水平均溫度（即出入水口的平均值），℃；D 為冷卻水道直徑；L 為 冷卻水道長度；α為 水的導熱系數，kw/（㎡℃）。

（1）模具優化前冷卻水帶走的熱量
模具優化前上滑塊冷卻水道：a1深135 mm，a2深210 mm，b1深135mm，b2深210mm，4處冷卻水道帶走的熱量Q1 =0.0271α（Qd-Qw）。

(2）模具優化后冷卻水帶走的熱量
模具優化后在原有的4處冷卻水基礎上增加冷卻水道9處，c1～c4深130 mm， d1～d5深130 mm。增加的冷卻水道帶走的熱量Q＇= 0.0245α（Qd-Qw）。

在上滑塊上Qd 、Qw的變化忽略的情況下，模具優化后冷卻水帶走的總熱量Q2 = Q1+ Q＇=0.0516α（Qd-Qw），冷卻能力是優化前的1.9倍。

5.優化設計的驗證

上滑塊結構優化加大冷卻能力后，上滑塊溫度得到有效改善，見圖5。優化前上滑塊噴涂前局部溫度最高為319 ℃，優化后同條件下局部溫度最高為285℃，溫度降低了34℃而且高溫區域明顯減小。優化后的模具按原工藝參數進行壓鑄，產品質量明顯改善。油底殼上滑塊4處預鑄孔內壁表面光滑，異形凹陷形狀處無粘料問題，徹底解決油底殼局部粘料擦傷的缺陷。優化后的模具經批量生產驗證，運行穩定可靠。

圖5 優化前后的模具溫度（噴涂前）

6.結論

上滑塊無法設置冷卻水的部位，由于模具溫度過高導致油底殼局部粘料擦傷。利用分水盤結構，改變冷卻水進出方向和位置，從而實現對滑塊鎖模面以上區域的進行冷卻。滑塊采用分水盤結構，對滑塊的使用及壽命無任何影響，經批量生產驗證，模具運行穩定可靠。

作者
侯麗彬 董少崢 周默
大連科技學院

本文來自:《特種鑄造及有色合金》雜志 2023年第43卷第01期