原標(biāo)題：模具設(shè)計(jì)！鋁合金凸輪軸蓋壓鑄模澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

凸輪軸蓋作為凸輪軸的安裝載體，其與氣缸蓋連接緊固，用來密封氣缸蓋、氣門室和凸輪軸，是發(fā)動(dòng)機(jī)總成的關(guān)鍵零部件。與其他汽車零件相比，凸輪軸蓋易變形，表面品質(zhì)和尺寸精度要求高。壓鑄件在很多工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，尤其汽車制造領(lǐng)域。如果壓鑄模澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，高速壓鑄過程中容易卷氣，凝固后將形成氣孔、縮孔和縮松等缺陷，對(duì)壓鑄件特別是大中型精密復(fù)雜的零件的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

計(jì)算機(jī)模擬已在壓鑄領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，通過充型、凝固等過程仿真可有效預(yù)測(cè)鑄造缺陷，優(yōu)化模具設(shè)計(jì)。為優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，提高壓鑄件品質(zhì)、縮短生產(chǎn)周期。基于ProCAST軟件，對(duì)某汽車鋁合金凸輪軸蓋零件的壓鑄模澆注系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在為其應(yīng)用提供參考。

圖文結(jié)果

鋁合金凸輪軸蓋零件為矩形框架結(jié)構(gòu)，其三維模型見圖1。輪廓尺寸為361mm×160mm×44mm，體積約為4.34×105mm3，最大壁厚為8mm(見圖1a中圈選位置)，最小壁厚為4mm。據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特征和澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)了3種澆注系統(tǒng)方案,見圖2。方案1有6個(gè)內(nèi)澆口，分布在鑄件長(zhǎng)邊上5處帶U形凹槽的橫梁位置及端部。為了防止鑄件短邊上靠近澆口的半圓臺(tái)處產(chǎn)生卷氣和縮孔，方案2添加了溢流槽，見圖2b。而考慮到鑄件端部?jī)蓹M澆道在液流交匯處容易產(chǎn)生卷氣，方案3將左側(cè)兩個(gè)內(nèi)澆口合并為一個(gè)，且保留了方案2中所添加的溢流槽，見圖2c。

圖1 凸輪軸蓋鑄件三維圖

表1 壓鑄模主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 凸輪軸蓋鑄件澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

表2 計(jì)算條件

3種澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的充型過程仿真結(jié)果見圖3。圖3a為方案1的充填過程，可以看出，金屬液沿著直澆道進(jìn)入型腔，整體上滿足順序填充，但由于凸輪軸蓋的框架結(jié)構(gòu)，使得金屬液多次分流和匯合，增大卷氣傾向。充型率為50%時(shí)，金屬液在圓圈標(biāo)記位置形成匯合，被壓縮氣體無法通過鑄件橫梁形成的型腔排出，容易在此處造成卷氣和熔接痕。方案2的充填過程見圖3b。與方案1相比，金屬液流態(tài)相似，在填充率為50%時(shí)，金屬液在圓圈標(biāo)記位置也形成了液流匯合，但匯合流處于型腔通道，產(chǎn)生氣孔和熔接痕的可能性較低。同時(shí)由于方案2在鑄件圓臺(tái)一側(cè)開設(shè)了溢流槽，可減小卷氣和縮孔缺陷。方案3與前兩種方案相比，圓圈標(biāo)記區(qū)域的液流匯合位置靠近溢流槽一側(cè)，也處于型腔通道位置，見圖3c。方案3避免了兩股金屬液在鑄件內(nèi)部交匯和相互沖擊，從而減少了渦流、裹氣以及氧化夾渣發(fā)生的可能，其澆注充型過程更合理。從充型率70%和95%時(shí)的充型狀態(tài)來看，3種澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案充型情況均相似，型腔充滿后，冷、污金屬液和多余的金屬液及型腔中的空氣可順利進(jìn)入溢流槽排出。

(a)方案1充型過程

(b)方案2充型過程

(c)方案3充型過程

圖3 鑄件在3種澆注方案下的充型過程

(a)方案1

(b)方案2

(c)方案3

圖4 3種澆注系統(tǒng)方案的凝固過程

圖5 不同澆注方案下鑄件縮孔預(yù)測(cè)

(a)充型過程

(b)凝固過程

圖6 改進(jìn)方案的充型過程和凝固過程

通過對(duì)充型凝固過程及縮孔、縮松的分析比較，認(rèn)為方案3的效果最好。但根據(jù)圖3c充型50%時(shí)的充型仿真結(jié)果，金屬液匯流處于型腔通道上，充填和排氣條件較好；同時(shí)縮孔、縮松仿真結(jié)果顯示，3種方案中鑄件B處孔隙未發(fā)生明顯改變。故考慮可去除圖4f中B附近溢流槽，從而能降低該區(qū)域溫度，加快凝固，提升壓鑄效率。改進(jìn)方案的縮孔、縮松仿真結(jié)果和試模鑄件見圖7。圖7a與方案3(見圖5c)中的結(jié)果相比，鑄件厚大區(qū)域的3處縮孔有1處被直接消除，另外兩處縮孔體積減小，鑄件縮孔體積為1.43×10-3cm3。模擬結(jié)果顯示，優(yōu)化方案滿足鑄件品質(zhì)要求，故采用優(yōu)化方案進(jìn)行開模、試模,試模鑄件經(jīng)加工后見圖7b。

圖7 改進(jìn)方案縮孔仿真結(jié)果與試模鑄件

圖8 鑄件缺陷檢測(cè)X光探傷

結(jié)論

(1)框型凸輪軸蓋鑄件減少橫澆道數(shù)量可改善金屬液的流動(dòng)形態(tài)，減少因卷氣而產(chǎn)生內(nèi)部孔隙。

(2)澆注系統(tǒng)優(yōu)化方案通過去除鑄件半圓臺(tái)附近溢流槽，降低了該區(qū)域的溫度，可消除多處厚大部位凝固收縮形成的孔隙。鑄件整體凝固時(shí)間縮短至46.7s，提高了生產(chǎn)效率。

(3)鑄件切割和X光探傷僅發(fā)現(xiàn)在非關(guān)鍵位置存在2個(gè)孔洞，鑄件品質(zhì)符合使用要求。

本文作者：

周濤 龔海軍 李歡 孫鵬飛 張繼祥
重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院
彭軍
重慶德運(yùn)模具制造有限公司
本文來源：《特種鑄造及有色合金》雜志