.jpg) 原標題:曲軸箱體壓鑄模異形型芯的鑲拼結構設計 摘 要:介紹了一款汽車發動機曲軸箱體的結構特點及技術要求，基于其結構特點和質量要求，在壓鑄模結構設計時，針對局部區域型腔較深、結構復雜的異形部位，采用鑲拼式結構設計。同時對異形型芯鑲拼結構進行了失效模式分析，通過對模具局部冷卻能力、推桿尺寸及失穩性、螺栓強度等進行設計計算和校核，以保證模具鑲拼結構設計的可靠性。 前 言：壓鑄模是壓鑄生產的重要的工藝裝備，其質量直接影響壓鑄件的形狀、尺寸、精度，尤其是模具的結構設計，還能夠影響模具成本以及生產效率。 壓鑄模成形零件的設計是壓鑄模設計的核心部分，其結構主要是依據鑄件的形狀、結構特點及加工工藝來決定的，對于簡單形狀的鑄件，可以采用整體式結構的型腔，模具結構簡單，強度、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、大尺寸方向發展，因此壓鑄模型腔根據鑄件結構常常采用鑲拼式結構。在進行鑲拼式結構設計時，除了要滿足鑄件的質量要求，更要保證模具的鑲拼結構具有良好的強度、剛性、韌性及表面質量。本文以汽車發動機曲軸箱體為例，介紹異形型芯的鑲拼結構的設計方法，通過合理的設計鑲拼結構，保證鑄件質量，延長模具壽命。 1、曲軸箱體的結構特點及技術要求 圖1是某款汽車發動機曲軸箱體，材料為ADC12，鑄件外形輪廓尺寸442 mm×358 mm×173 mm，質量約為4.5 kg。此產品結構復雜，箱體外部三個方向有側向凹陷和側孔，法蘭面有多處螺栓安裝凸臺，箱體內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部區域，有兩處三角形深腔，這兩處深腔對模具的制造、維護及鑄件的成形不利，鑄件在三角形內部極易出現粘料、擦傷等質量問題，會嚴重導致泄漏及模具損壞。
曲軸箱體產品的密封測試要求，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量和內部質量。 2、壓鑄模異形型芯的鑲拼結構 基于上述對曲軸箱體的結構分析及技術要求，在壓鑄模鑲塊結構設計時，重點關注圖示A部區域兩處異形深腔處的結構設計。針對曲軸箱體此處型腔較深、結構復雜，壓鑄時熱量集中且易于損壞的特點，采用鑲拼式結構設計，結構形式如圖2所示。
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°。由于外輪廓為不規則形狀，同時側面有兩處需設計推桿孔，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。由于型芯壓鑄時被周邊金屬包裹，熱量很大，心部需要設計冷卻水道對型芯進行冷卻。鑲拼的異形型芯結構圖如圖3所示。
圖3 異形型芯
曲軸箱體采用鑲拼結構型芯的優點如下。 3、設計計算 確定局部采用鑲拼結構后，需要針對異形型芯的結構特點，并結合生產經驗，對鑲拼處結構進行失效模式分析，以便在模具設計中采取措施，消除隱患。曲軸箱體采用鑲拼結構型芯，由于異形型芯體積小，結構復雜，為滿足鑄件的質量要求必須設置冷卻水道，為實現其模具使用功能，設計螺栓連接及推桿推出，因此可能存在的主要失效模式：①由于設計空間限制，冷卻水道的能力不足造成型芯溫度過高，鑄件產生粘模、擦傷等表面質量；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。 基于以上對模具失效分析，必須對型芯的冷卻能力、推桿尺寸、螺栓強度進行相關計算和校核，避免使用中出現各種失效，同時結合分析試生產中存在的問題，進行設計優化，為該鑄件的大批量生產提供工藝參考。 3.1 冷卻水道的設計計算
壓鑄模具中，冷卻系統的設計有利于控制模具的溫度，使其內部的熱量達到一個動態平衡的狀態，從而保證產品的質量。壓鑄生產過程中型芯長時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，形成一對擴散偶，極易發生粘模，從而影響鑄件質量和模具壽命，因此型芯的冷卻水設計是型芯結構設計的關鍵要素之一。根據異形型芯結構形狀，將冷卻水道設計在異形型芯中心位置，成臺階孔，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。
壓鑄過程中傳入模具的熱量可以用公式（1）進行估算： 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量（kg），q為壓鑄金屬從澆注到推出散發出的熱量（kJ/kg），見表1，n為每小時壓鑄的件數。針對曲軸箱體異形型芯局部區域，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出的熱量
（2）冷卻水道帶出熱量
表2 單位長度冷卻水道從模具中吸收的熱量 經計算，異形型芯局部區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。試生產過程中使用800 kPa壓力的純凈水對型芯進行冷卻，通過調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，型芯在模具開模時溫度控制在160~220 ℃，滿足工藝要求。 3.2 推桿的設計計算及優化 壓鑄模設計時通常對鑄件整體進行推出力的估算，從而確定選用的推桿直徑和數量。對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。而此產品結構特殊，在異形型芯處存在局部包緊力大而且推桿設計空間受限，因此需要對異形型芯局部推出力進行計算，確定異形型芯周邊的推桿直徑及數量是否滿足要求。
（1）局部推出力的計算
圖4 壓鑄件推出時的受力狀況圖 式中：Ft 為壓鑄件脫模時所需的推出力（N）；Fb 為壓鑄件對模具零件的包緊力（N）；K為安全系數，一般取1.2；P為擠壓應力，垂直于型芯表面，對于鋁合金一般P=10~12 MPa，A為壓鑄件包緊型芯的側向面積，曲軸箱體異形型芯的側向面積為18 788 m㎡ ；μ為壓鑄合金對型腔的摩擦系數，取0.2~0.25；α為脫模斜度，異形鑲件的脫模斜度2.5°。將上述數據代入式（3），得異形型芯的局部推出力Ft=3878 N。
（2）推桿直徑的計算 （3）推桿的失穩校核 對于細長推桿，為保證推桿在運行過程中的穩定性，需要對單個推桿進行失穩校核，如果穩定性達不到要求，則需要增加推桿數量或加大推桿直徑。推桿的穩定性校核公式如下：
式中：KW為穩定安全倍數，鋼取1.5～3；η為穩定系數，η=20.19；Ft 為單個推出力（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（cm），曲軸箱體異形型芯處推桿長度L=52.8 cm。將以上數值代入式（5），得KW =3.66，大于鋼的穩定安全倍數，滿足推桿運行的穩定性要求。 按此設計方案制造模具，在小批量試生產中出現異形型芯兩側推桿發卡、推出受阻現象，拆卸后發現推桿變形。進一步分析，異形型芯一側受內澆道的沖刷和沖擊，對型芯和周邊推桿造成不良影響。推出力除了受鑄件結構和形狀影響外，還受型芯的表面粗糙度、溫度以及壓鑄工藝參數、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。卸模后拆解模具，將異形型芯與動模型腔裝配加工異形型芯兩側推桿孔，在零件結構允許的最大范圍內由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提高了推桿孔的精度，再生產驗證推桿運行平穩可靠。 3.3 螺栓強度的校核 由于異形型芯體積小、局部包緊力大、結構復雜，異形型芯的固定采用螺栓連接固定方式，在型芯底部三個角方向最大可以設計出三個M8螺栓與動模套板連接。在鑄件推出過程中，螺栓受軸向力的作用，其強度校核公式：
式中：б為螺栓實際承受的應力（MPa），F為單個螺栓承受的軸向力（N），d為螺栓小徑（mm），[б]螺栓許用應力（MPa）。按三個螺栓均勻受力計算，F=1.3Ft/3=1 680 N，M8螺栓小徑Φ6.5 mm代入式（6）得б=50.65 MPa。模具采用高強度螺栓，許用應力大于80 MPa，螺栓強度校核滿足要求，可以避免鑄件推出過程中因螺栓失效而導致的鑄件變形或模具故障。 4、批量生產驗證
曲軸箱體壓鑄模在局部深腔處采用異形型芯鑲拼結構，簡化了模具制造難度，工藝簡單加工方便，型芯拋光后表面粗糙度小于Ra =0.4 μm，尺寸精度及外觀質量均滿足要求。模具經過大批量生產驗證，異形型芯冷卻效果良好，模具溫度穩定在工藝要求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，保證了鑄件質量。按此模具結構已復制多套模具進行批量生產，鑄件品質優良，模具運行穩定、可靠。
5、結論
作者 |
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