汽车发动机铝合金前盖的压铸工艺优化

1、铸件模型

发动机前盖外形尺寸约为470 mm×310 mm×105 mm ，产品质量约为3.4 kg，主体平均壁厚为3.3 mm，壁厚最大处达到26 mm（线框标注部位为壁厚较厚部分）。产品结构较为复杂，内部分布有相当数量的螺栓孔和加强筋；且铸件壁厚相差非常大，压铸过程中容易产生应力集中，造成致密度不均，导致铸件变形、缩孔和缩松等问题。铸件产品模型见图1。

图1：铸件模型

2、铸件材料

发动机前盖要求力学性能好、致密度高，不允许出现裂纹、缩松、气孔、缩孔等内部缺陷。基于以上工作环境和要求，选用AlSi9Cu3 铝合金，其具有流动性较好，优良的压铸性能。表1为其化学成分和力学性能。

表1：AlSi9Cu3合金的化学成分与力学性能

1、初始浇注系统设计

根据产品结构特点，拟设计2路分支，共6路内浇道进料，见图2。铝合金液从浇口杯导入直浇道，再通过2路分支进入6路内浇口，最终进入型腔充填。

图2：初始方案

2、工艺参数的确定

铸件材质为AlSi9Cu3，模具选用DIEVAR，根据两种材料的物理特性，结合压铸工艺设计手册及生产经验，并通过计算，确定了如下压铸工艺参数：铸件初始温度为670℃，模具初始温度为180℃；铸件质量为3.4 kg，浇注系统质量为2 kg，排溢系统质量为850g，总质量为6.25 kg。铸件投影面积为1 196 cm2，总投影面积为1 554 cm2；选取压射比压为60MPa，安全系数选择1.2。

计算胀型力、锁型力，根据 F胀=APbz                   （1）
          F锁=KF胀                                                （2）

式中，F胀为胀型力；F锁为锁型力；A为总投影面积1554cm2；Pbz为压射比压，60MPa；K为安全系数，取1.2，代入式(1)和式（2），计算得到F锁=11 180kN，因此建议选用12 500kN的压铸机。

冲头直径选用100 mm ，低速压射速度为0.2 m/s，高速压射速度为3.5m/s，料筒总长为780mm ，充填率约为38 %；根据理论与经验结合估算充填时间约为0.07 s，推算出内浇口面积约700 mm2，内浇口厚度选用2.2 mm。

核算充填速度，根据 Vg=S冲V冲/S内             （3）

表2：不同壁厚对应内浇口速度范围

式中，Vg为充填速度；S冲为冲头的截面积；V冲为冲头压射速度；S内为内浇口截面积。冲头直径选用100 mm，故截面积约为7800 mm2；冲头压射高速阶段速度为3.5 m/s，内浇口截面积为700 mm2，代入式（3）计算得到Vg =39 m/s，不同壁厚对应的内浇口速度范围见表2。可知充填速度在合理范围内。

3、初拟方案模拟分析

为了解铸件在铸造过程中的充填与凝固情况，采用Magma软件进行数值模拟，见图3。可以看出，整个型腔的充填时间约为0.076 s，金属液进入型腔初期充填速度较快，中间区域充填速度明显快于两侧，充填中期，金属液逐渐进入壁厚较厚区域，此时观察发现，壁厚较厚区域充填相对缓慢，容易产生滞气现象，待该区域充填完毕，由于温度较高，凝固时间较长，极易出现气孔、缩孔等内部质量问题。

图3：初拟方案充填过程模拟

1、浇注系统优化设计

针对壁厚较厚区域充填相对缓慢的问题，为保证铸件质量，使其成形过程中各区域充填速度基本一致，拟对壁厚较厚区域增加2路浇口进料，加快该区域的充填速度，使整个充填过程更加平稳、顺畅，更加有利于气体的排除，避免缩孔、缩松等缺陷的发生。图4为优化方案，线框部分为增加进料的2路浇口。由于该浇口位置距离铸件底部落差较大，为使该区域进料顺利，在此处浇口部位增设一滑块，见图5，以保证铝液较好地充填该区域。

图4：优化方案

图5：滑块设置

2、优化方案模拟分析

为检验优化方案的充填效果和凝固情况，再次进行数值模拟，观察优化方案的充填与凝固过程。模拟过程从充填温度场变化、气压变化、凝固情况等方面进行了分析。通过观察发现，整个型腔充填过程约为0.071 s，与理论估算值非常接近。充填过程中，铝液推进较为平稳，速度基本达到一致；型腔内气体排放顺畅，气压较为平稳，在风险控制范围内，未出现明显的滞气与卷气现象。在凝固过程中，除壁厚较厚的区域冷却凝固较慢，其他区域凝固冷却基本较为均匀理想。

(a)充填温度              (b)气压分布           (c)凝固情况

图6：优化方案充填及凝固情况模拟

1、高压点冷技术

高压点冷技术近年来在压铸行业得到了越来越多地应用。通过高压点冷机将冷却水调节到理想的压力状态，通过相应的管道快速从模具内通过，达到降温的目的。由于在此过程中型芯冷却速度快，缩孔不会在型芯位置附近形成，因此，使用高压点冷技术可以实现模具热平衡，有效改善局部气孔缺陷，大大提高模具寿命，减少型芯的更换和翻修率，并使铸件的质量得到了更好地保证。

2、局部区域高压点冷

针对数值模拟分析过程中，壁厚较厚部分冷却凝固较慢的情况，考虑采用高压点冷对重点区域进行快速冷却，以保证铸件质量。通过对铸件的结构分析，拟对线框内3处型芯内部做高压点冷；同时，对新增滑块的2处型芯内部做高压点冷，提高孔的内部质量。采用高压点冷处的结构示意见图7。
 

图7：高压点冷处结构示意图

根据优化的工艺方案开发了压铸模具，并进行了生产试制。试生产在DCC1250T卧式压铸机上进行，模具结构见图8，试模初始温度为180℃。试制过程中，随着压射进行，在低速压射阶段，铝液经过直浇道进入横浇道，再由内浇口平稳进入型腔，迅速进入高速压射阶段，待充型完毕再针对重点区域进行高压点冷，使铸件各部分的凝固时间基本达到一致。图9为试制的产品照片，可见铸件表面光洁、轮廓清晰、内孔质量好，无明显缺陷。对该产品进行了气密性测试与力学性能检测。经检验，产品的合格率达到了96%，测试结果满足性能要求。

1、铸件模型

（1）利用Magma软件，对某款家用轿车发动机铝合金前盖的浇注系统和排溢系统进行充填及凝固过程的数值模拟，通过模拟分析，找出对应的问题，提出了压铸工艺优化方案。

（2）在确定相关压铸工艺参数后，再次模拟了优化后的充填与凝固过程，分析了温度场变化、气压变化及凝固情况，初步验证了优化方案的合理性。

（3）针对铸件局部温度过高、冷却时间过长的问题，采用高压点冷等方式加快局部区域冷却速度，提高铸件质量。