 原標題：基于PROCAST的小型支架一模多腔壓鑄模開發(fā) 摘要：介紹了汽車發(fā)動機內(nèi)小型支架的結(jié)構(gòu)和壓鑄生產(chǎn)的主要難點。小型支架壓鑄一般采用一模多腔。運用ProCAST對一模多腔的小型支架模具的流動充型進行了數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對澆注系統(tǒng)設(shè)計方案進行優(yōu)化，實現(xiàn)了多腔的流動平衡。結(jié)果表明，采用數(shù)值模擬分析軟件可以在一模多腔的模具設(shè)計中發(fā)揮巨大的作用，縮短了模具開發(fā)周期。 一、小型支架壓鑄件分析 汽車發(fā)動機內(nèi)有各種小型支架，它們對各種運動功能零件（凸輪軸、傳動軸等）起支撐作用。一般分為上蓋與下體，上蓋與下體各有一個半圓弧，裝配在一起經(jīng)合鏜加工，裝入軸承。圖1為常見的小型支架外形。隨著汽車產(chǎn)品設(shè)計輕量化，這些小型支架也愈加輕巧，常采用壓鑄鋁合金替代原來的鋼材質(zhì)，質(zhì)量為20～50 g，為便于裝配。
圖1：小型支架的外形圖 小型支架零件上蓋有一個結(jié)合面和兩個定位銷孔需要加工，下體連接上蓋與發(fā)動機缸體，故一般有2個結(jié)合面和4個定位銷孔需要加工，半圓弧孔則需要在發(fā)動機廠成套組裝后進行合鏜加工。 二、壓鑄生產(chǎn)的主要難點 小型支架模具結(jié)構(gòu)簡單，一般采用無滑塊的對開模形式。鑄件壁厚不均，容易在壁厚區(qū)產(chǎn)生縮孔與縮松（見圖2）。它們在發(fā)動機內(nèi)支承轉(zhuǎn)動軸，承受了一定的運動載荷和振動，因此對支架壓鑄件內(nèi)部品質(zhì)有較高的要求，內(nèi)部品質(zhì)要求按圖3的#2標準執(zhí)行。
圖2：小型支架內(nèi)部縮孔與縮松
圖3：小型支架的內(nèi)部質(zhì)量管控標準 如果在鑄件的內(nèi)部存在超標的孔洞，很容易在使用過程中斷裂，造成整個發(fā)動機的損壞。圖4為某小型支架在發(fā)動機耐久試驗時，因內(nèi)部存大較大縮孔而產(chǎn)生斷裂的故障圖片。
圖4：小型支架因內(nèi)部縮孔在耐久試驗時斷裂圖片 三、澆注系統(tǒng)設(shè)計 小型支架采用一模多腔的形式在臥式冷室壓鑄機生產(chǎn)。一般一模多腔模具澆注系統(tǒng)平衡主要通過對稱設(shè)計，或者建立從澆口到各型腔相同的流道，然后在試生產(chǎn)時采用短射法對欠鑄件進行質(zhì)量對比，從而對澆口截面尺寸進行微調(diào)來實現(xiàn)，這會大大增加壓鑄模的試制周期，甚至會縮短壓鑄模的使用壽命。隨著數(shù)值模擬軟件的出現(xiàn)，可以較為準確地模擬壓鑄充型及凝固過程，指導一模多腔模具的澆注系統(tǒng)平衡設(shè)計，提高設(shè)計的準確性，縮短開發(fā)周期。 1、進料方式 小型支架壓鑄常采用兩種不同的進料方式。見圖5。進料方式1的優(yōu)點是模具分型簡單，澆口搭接在接合面上，可通過后序加工去除澆口，缺點是半圓弧兩側(cè)溫度不一致，內(nèi)部品質(zhì)有差異，且澆口對壁厚區(qū)補縮效果不佳。進料方式2從半圓弧分型線處進料，優(yōu)點是直接對壁厚區(qū)補縮，且半圓弧兩側(cè)壁厚區(qū)溫度一致，內(nèi)部品質(zhì)更容易得到保障，缺點是模具有階梯分型，生產(chǎn)難度較大，鑄件會在半圓弧動靜模分型線處殘留澆口痕跡，如果半圓弧端面不加工，將大幅增加澆口清理的工作量，導致生產(chǎn)成本上升。 兩種進料方式在實際生產(chǎn)中都有應(yīng)用。在半圓弧端面加工的情況下，往往優(yōu)先采用方式2，若半圓弧端面不加工，往往采用方式1。
圖5：小型支架進料方式 本課題將利用ProCAST軟件，以2JA-2凸輪支架為例，采用進料方式2，進行壓鑄充型及凝固過程模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，對鑄件和流道分布，以及流道形狀尺寸進行反復改進，完成一模多腔模具的澆注系統(tǒng)平衡設(shè)計。 2、型腔進料的平衡設(shè)計 2JA-2凸輪支架，材料為ADC12壓鑄鋁合金，體積約為9.5 cm3，質(zhì)量約為25 g，使用伊之密1 800 kN臥式冷室壓鑄機，采用1模6件生產(chǎn)。 1）初步方案 一模多腔模具不同型腔的進料平衡設(shè)計要考慮以下因素： （1）各型腔鑄件質(zhì)量的一致性 保證各型腔中的鑄件獲得相同或相近的填充壓力、填充時間、填充溫度等成形條件，便于工藝參數(shù)的調(diào)整。一般來說，盡量保證各型腔的分流道的長度與截面尺寸一致，就可以做到同時充滿各個型腔。 （2）鑄件的生產(chǎn)效率 大量生產(chǎn)時在保證成形質(zhì)量的前提下應(yīng)盡量縮短流道長度，減少截面積，以縮短填充及冷卻時間和成型周期。 （3）鑄件的成品率（鑄件凈重與模重的比值）。鑄件的模重可以理解為舀料質(zhì)量，鑄件凈重與模重的比值越大，代表壓鑄生產(chǎn)的材料損耗越小。
（4）模具外形尺寸的大小 應(yīng)考慮壓鑄機模板大小是否允許，盡量對稱分布，防止受力不均。
圖6：澆注系統(tǒng)初步設(shè)計方案 2）數(shù)值模擬 應(yīng)用ProCAST2016軟件對2JA-2凸輪支架的填充進行數(shù)值模擬。導入帶有溢流槽和澆道的stp格式的完整鑄件（見圖6）。對鑄件進行網(wǎng)格劃分后，在VISUAL-CAST模塊下加入虛擬模具。然后設(shè)置各初始參數(shù)：①在體積管理器中設(shè)置鑄件和模具的材料、澆注溫度等；②設(shè)置鑄件和模具材料界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（interfaces HTC)； ③選擇重力方向；④設(shè)置過程參數(shù)（process conditions),主要指冷卻方式和澆注速度；⑤選擇高壓鑄造方式（HPDC），并設(shè)置相應(yīng)的模擬參數(shù)。 以上設(shè)置完畢后，點擊“開始模擬”進行模擬運算。在VISUAL-VIEWER狀態(tài)下查看模擬結(jié)果，模擬結(jié)果見圖7。根據(jù)模流分析結(jié)果，中間進料道的填充速度遠遠快于左右兩支，快壓轉(zhuǎn)換點難以設(shè)定，各腔壓力傳遞效果亦不同，不符合設(shè)計要求，必須更改設(shè)計方案。
圖7：初步設(shè)計方案數(shù)值模擬結(jié)果 3）改進方案 為了模具結(jié)構(gòu)的緊湊，初始方案流道采用的是1股分流為3股，3股再分流為6股的分布方式。在1股分為3股的時候，中間股流程明顯短于兩側(cè)的兩股流道，而且從直澆道直接順流而下，中間股的流道阻力明顯較其他兩股更小，導致填充結(jié)果不理想。因此，通過調(diào)整3股流道的截面尺寸，增加中間流道的流動阻力，減小兩側(cè)流道的流動阻力來改善。但是發(fā)現(xiàn)收效甚微。原因是中間流道的長度遠遠小于兩側(cè)流道，而且中間流道少一次流道轉(zhuǎn)向，流動阻力更小所致。 為平衡各型腔的流道長度和流向，對小支架澆注系統(tǒng)的分布進行了改進，見圖8。主流道一股分流為四股，中間兩股再每股一分為二，形成六股分支進料，對6個型腔進行進料。中間兩股分支橫澆道分別澆注兩個型腔，兩側(cè)的分支橫澆道各澆注一個型腔，通過加大中間兩股進料澆道的深度來增加截面積以達到控制流速的目的。
圖8：小型支架澆注系統(tǒng)改進設(shè)計方案 4）改進方案的數(shù)值模擬 改進方案的模擬結(jié)果見圖9。根據(jù)模流分析結(jié)果，4支分支進料道填充速度相近，各腔的填充狀態(tài)差異小，快壓啟動點易于設(shè)定，壓力傳遞效果亦能得到改善，符合設(shè)計要求。
圖9：改進方案數(shù)值模擬結(jié)果 四、生產(chǎn)驗證 1、壓鑄工藝參 生產(chǎn)采用DM180臥式冷室壓鑄機，選用φ50 mm沖頭。慢壓射25模，快壓5模；鋁合金保溫溫度為（660±15）℃。主要壓鑄工藝參數(shù)為：慢壓射速度(沖頭）為0.25 m/s，快壓射速度為3.5 m/s，高速行程為50 ｍｍ，鑄造比壓約為80 MPa。 采用X光探傷結(jié)合線切割剖切目視的方式，見圖10。
圖10：x光探傷結(jié)果 2、驗證結(jié)果 通過6個月的品質(zhì)跟蹤，經(jīng)X光探測檢測，小支架的內(nèi)部品質(zhì)可以100%達到客戶要求的2#標準，按1#標準計，達標率約為90%，且1模6腔各模腔的質(zhì)量無明顯差異。 內(nèi)部品質(zhì)除取決于模具澆注系統(tǒng)設(shè)計之外，還與生產(chǎn)條件的管理息息相關(guān)，特別是模溫、料溫的控制以及噴涂的管理。 五、結(jié)束語 數(shù)值模擬可以方便、快捷地指導一模多腔模具的澆注系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)合金在多個型腔中的流動平衡，指導壓鑄工藝的調(diào)整，達到較好的壓鑄成型質(zhì)量，減少試模時間，降低廢品率，縮短生產(chǎn)周期。同時，要想在量產(chǎn)中實現(xiàn)內(nèi)部質(zhì)量的100%達標，一定要減少或管控好壓鑄生產(chǎn)中的變化點。 作者：
王磊 李珊 |
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