技术前沿丨发动机关键部件压铸模具浇注系统设计

原标题：模具设计！铝合金凸轮轴盖压铸模浇注系统设计

凸轮轴盖作为凸轮轴的安装载体，其与气缸盖连接紧固，用来密封气缸盖、气门室和凸轮轴，是发动机总成的关键零部件。与其他汽车零件相比，凸轮轴盖易变形，表面品质和尺寸精度要求高。压铸件在很多工业领域广泛应用，尤其汽车制造领域。如果压铸模浇注系统设计不合理，高速压铸过程中容易卷气，凝固后将形成气孔、缩孔和缩松等缺陷，对压铸件特别是大中型精密复杂的零件的力学性能产生不利影响。

计算机模拟已在压铸领域得到广泛应用，通过充型、凝固等过程仿真可有效预测铸造缺陷，优化模具设计。为优化工艺设计，提高压铸件品质、缩短生产周期。基于ProCAST软件，对某汽车铝合金凸轮轴盖零件的压铸模浇注系统进行优化设计，旨在为其应用提供参考。

图文结果

铝合金凸轮轴盖零件为矩形框架结构，其三维模型见图1。轮廓尺寸为361mm×160mm×44mm，体积约为4.34×105mm3，最大壁厚为8mm(见图1a中圈选位置)，最小壁厚为4mm。据铸件结构特征和浇注系统设计理论，设计了3种浇注系统方案,见图2。方案1有6个内浇口，分布在铸件长边上5处带U形凹槽的横梁位置及端部。为了防止铸件短边上靠近浇口的半圆台处产生卷气和缩孔，方案2添加了溢流槽，见图2b。而考虑到铸件端部两横浇道在液流交汇处容易产生卷气，方案3将左侧两个内浇口合并为一个，且保留了方案2中所添加的溢流槽，见图2c。

图1 凸轮轴盖铸件三维图

表1 压铸模主要设计参数

图2 凸轮轴盖铸件浇注系统设计方案

表2 计算条件

3种浇注系统设计方案的充型过程仿真结果见图3。图3a为方案1的充填过程，可以看出，金属液沿着直浇道进入型腔，整体上满足顺序填充，但由于凸轮轴盖的框架结构，使得金属液多次分流和汇合，增大卷气倾向。充型率为50%时，金属液在圆圈标记位置形成汇合，被压缩气体无法通过铸件横梁形成的型腔排出，容易在此处造成卷气和熔接痕。方案2的充填过程见图3b。与方案1相比，金属液流态相似，在填充率为50%时，金属液在圆圈标记位置也形成了液流汇合，但汇合流处于型腔通道，产生气孔和熔接痕的可能性较低。同时由于方案2在铸件圆台一侧开设了溢流槽，可减小卷气和缩孔缺陷。方案3与前两种方案相比，圆圈标记区域的液流汇合位置靠近溢流槽一侧，也处于型腔通道位置，见图3c。方案3避免了两股金属液在铸件内部交汇和相互冲击，从而减少了涡流、裹气以及氧化夹渣发生的可能，其浇注充型过程更合理。从充型率70%和95%时的充型状态来看，3种浇注系统设计方案充型情况均相似，型腔充满后，冷、污金属液和多余的金属液及型腔中的空气可顺利进入溢流槽排出。

(a)方案1充型过程

(b)方案2充型过程

(c)方案3充型过程

图3 铸件在3种浇注方案下的充型过程

(a)方案1

(b)方案2

(c)方案3

图4 3种浇注系统方案的凝固过程

图5 不同浇注方案下铸件缩孔预测

(a)充型过程

(b)凝固过程

图6 改进方案的充型过程和凝固过程

通过对充型凝固过程及缩孔、缩松的分析比较，认为方案3的效果最好。但根据图3c充型50%时的充型仿真结果，金属液汇流处于型腔通道上，充填和排气条件较好；同时缩孔、缩松仿真结果显示，3种方案中铸件B处孔隙未发生明显改变。故考虑可去除图4f中B附近溢流槽，从而能降低该区域温度，加快凝固，提升压铸效率。改进方案的缩孔、缩松仿真结果和试模铸件见图7。图7a与方案3(见图5c)中的结果相比，铸件厚大区域的3处缩孔有1处被直接消除，另外两处缩孔体积减小，铸件缩孔体积为1.43×10-3cm3。模拟结果显示，优化方案满足铸件品质要求，故采用优化方案进行开模、试模,试模铸件经加工后见图7b。

图7 改进方案缩孔仿真结果与试模铸件

图8 铸件缺陷检测X光探伤

结论(1)框型凸轮轴盖铸件减少横浇道数量可改善金属液的流动形态，减少因卷气而产生内部孔隙。(2)浇注系统优化方案通过去除铸件半圆台附近溢流槽，降低了该区域的温度，可消除多处厚大部位凝固收缩形成的孔隙。铸件整体凝固时间缩短至46.7s，提高了生产效率。(3)铸件切割和X光探伤仅发现在非关键位置存在2个孔洞，铸件品质符合使用要求。

本文作者：

周涛 龚海军 李欢 孙鹏飞 张继祥重庆交通大学机电与车辆工程学院彭军重庆德运模具制造有限公司本文来源：《特种铸造及有色合金》杂志