原標(biāo)題：影響汽車發(fā)動機(jī)主軸承蓋支架壓鑄件厚大部位成形參數(shù)研究

介紹了汽車發(fā)動機(jī)主軸承蓋支架的鑄件結(jié)構(gòu)及開發(fā)難點(diǎn)，通過對壓鑄過程中金屬液充填和凝固收縮原理分析，確定影響鑄件厚壁處內(nèi)部品質(zhì)的關(guān)鍵因素是鑄造壓力、壓射速度和澆注溫度。運(yùn)用正交試驗(yàn)對關(guān)鍵性的壓鑄參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖文結(jié)果

主軸承蓋支架是汽車發(fā)動機(jī)的組成零件，采用ADC12鋁合金高壓鑄造，鑄件最大外輪廓尺寸為410mm×184mm×87mm。主軸承蓋支架整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜(見圖1),鑄件周邊由壁厚為3mm的異形交叉加強(qiáng)肋環(huán)繞，中間有5處體積厚大的軸承座組成，軸承座部位厚度為22～24mm, 中心有?55mm的半圓孔，與缸體合加工后裝配軸瓦，因此除了要保證加工精度以外，還要求加工表面不能有氣孔、縮孔等鑄造缺陷。軸承座的作用是支承曲軸，保證曲軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)和動力輸出，所以必須保證軸承座處的內(nèi)部品質(zhì)，才能滿足軸承座達(dá)到要求的抗拉強(qiáng)度和疲勞壽命。

圖1 主軸承蓋支架

壓鑄工藝對壓鑄件結(jié)構(gòu)的要求是壁厚盡量均勻，當(dāng)壁厚不均時(shí)壓鑄件會因凝固速率不同在厚大部位產(chǎn)生內(nèi)部縮孔和氣孔等缺陷。根據(jù)對鑄件結(jié)構(gòu)及功能的分析，確定此產(chǎn)品開發(fā)的難點(diǎn)是保證5處軸承座的內(nèi)部品質(zhì)。

模具采用雙向充填的澆注系統(tǒng)，見圖2。內(nèi)澆口選擇在軸承座厚壁處，厚度設(shè)定為4mm, 有利于快速填充型腔并保證增壓壓力的有效傳遞。每個(gè)軸承座兩側(cè)均設(shè)計(jì)大體積的集渣包，用于匯合雙向充填的金屬液，同時(shí)可以存儲混有氣體的冷污料，并對平衡模具溫度、補(bǔ)縮起到一定的作用。開設(shè)4對內(nèi)澆口，最上端設(shè)置集渣包和抽真空排氣道，壓鑄過程采用真空壓鑄，能夠有效地減少鑄件內(nèi)部氣孔的產(chǎn)生。

在合理設(shè)計(jì)模具的澆注系統(tǒng)、排溢系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對鑄造方案進(jìn)行模擬分析，見圖3。發(fā)現(xiàn)鑄件凝固時(shí)間為20s, 在軸承座處存在孤立液相線區(qū)域，這是產(chǎn)生鑄造缺陷的位置。在實(shí)際壓鑄生產(chǎn)中，如何進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，將軸承座內(nèi)部缺陷降到最低程度，是主軸承蓋支架產(chǎn)品開發(fā)中要解決的重點(diǎn)問題。

圖2 鑄造方案

圖3 模擬凝固分析

在壓鑄過程中，金屬液的充型分3個(gè)階段。第1階段金屬液通過內(nèi)澆口，在動能的作用下,快速直射，并沿型腔表面向各方向擴(kuò)展，此時(shí)金屬流為噴射流。第2階段，噴射流所保持的動能減弱，壓射充填推動金屬液繼續(xù)充型，直至填滿型腔，這個(gè)過程的金屬流為壓力流。第3階段為金屬液填滿型腔到鑄件凝固之前，增壓壓力通過尚未凝固的金屬傳遞，對鑄件進(jìn)行加壓補(bǔ)縮，此時(shí)金屬流為補(bǔ)縮金屬流。可知對壓鑄件品質(zhì)影響最大的工藝參數(shù)為鑄造壓力和壓射速度，且對厚壁壓鑄件內(nèi)部品質(zhì)的影響更為明顯。

主軸承蓋支架材質(zhì)為ADC12鋁合金，執(zhí)行JIS H5302標(biāo)準(zhǔn)，其具有較好的鑄造性能和力學(xué)性能，適合壓鑄生產(chǎn)缸體、殼體、支架等產(chǎn)品。本產(chǎn)品根據(jù)其投影面積和鎖模力計(jì)算，選擇在9000kN壓鑄機(jī)上生產(chǎn)，壓鑄過程采用自制真空系統(tǒng)，真空度為10～20kPa。將影響主軸承蓋支架內(nèi)部品質(zhì)的關(guān)鍵工藝參數(shù)：鑄造壓力、壓射速度和澆注溫度作為影響因素，每個(gè)因素取4個(gè)水平，依據(jù)鑄造方案模擬軟件分析并結(jié)合同類產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定試驗(yàn)因素的數(shù)值范圍。鑄件內(nèi)部品質(zhì)用密度值來評價(jià)，將密度值作為評判指標(biāo)。正交試驗(yàn)因素及水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素表

通過模擬分析，鑄件產(chǎn)生縮孔的位置集中在軸承座處，密度檢測取樣示意圖見圖4。使用鋸床在兩螺栓安裝孔中間切割試樣進(jìn)行密度值檢測，取樣寬度約為60mm。試樣密度越大則鑄件內(nèi)縮孔、縮松缺陷越少。由于5個(gè)軸承座在模具內(nèi)呈階梯排列，即使同一壓鑄件，5個(gè)軸承座的內(nèi)部品質(zhì)也不相同。實(shí)際生產(chǎn)中先進(jìn)行X射線檢驗(yàn)，取樣時(shí)取內(nèi)部品質(zhì)較差的測試。

圖4 取樣位置

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 極差值分析表

表4 壓鑄工藝參數(shù)

通過對表2和表3的數(shù)據(jù)分析，可見鋁液澆注溫度是影響密度的重要因素。各試驗(yàn)因素對主軸承蓋支架密度值的影響大小順序?yàn)殇X液澆注溫度>壓射速度>鑄造壓力。結(jié)合對密度均值ki分析，鑄造壓力為110MPa, 壓射速度為3.5m/s, 鋁液澆注溫度為655℃時(shí)，主軸承蓋支架的密度值最大，內(nèi)部品質(zhì)最好。依據(jù)上述對正交試驗(yàn)結(jié)果的分析，主軸承蓋支架在9000kN壓鑄機(jī)上進(jìn)行批量壓鑄生產(chǎn)，壓鑄工藝參數(shù)見表4。按此參數(shù)進(jìn)行小批量生產(chǎn)驗(yàn)證，并連續(xù)抽取30件進(jìn)行密度值檢測，密度值均大于2.65g/cm3。對批量生產(chǎn)的主軸承蓋支架每日首件進(jìn)行密度值和斷面剖切檢驗(yàn)，均滿足質(zhì)量要求，批量生產(chǎn)所有產(chǎn)品均進(jìn)行X射線檢測，主軸座位置內(nèi)部質(zhì)量無明顯的縮孔縮松，內(nèi)部品質(zhì)符合產(chǎn)品要求，一次合格率達(dá)95%以上。

本文作者：
侯麗彬 王健 曲太旭
大連科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院
本文來源：《特種鑄造及有色合金》雜志