铝合金缸体压铸工艺与模具设计

摘要

　　本文以某发电装置上的发动机铝合金虹体压铸件为研宄对象,对该社体压铸件实际存在的铸造缺陷进行分析,利用铸造模拟软件MAGMA　soft对其压铸充型和凝固过程进行模拟研宄,分析现行压铸工艺存在的问题,提出相应的改进方向;通过正交试验模拟方法,对重要的压铸工艺参数进行优化;将优化后的工艺用于实际生产,并与工艺优化前铸件存在的缺陷进行对比分析,验证工艺优化对铸件质量的影响;利用NX8.0三维造型软件设计该缸体的压铸模具。

　　该铝合金缸体压铸件目前存在的主要缺陷是:虹体中轴孔周围的油道处及距缸套内壁一定厚度的铸件内部存在直径l-2mm的缩孔;缸口密封面加工后有气孔和氧化夹渣;部分缸体铸件耐压性测试(0.52MPa)时中轴孔区域的油道处出现漏气现象。

　　采用现行压铸工艺对缸体压铸件的充型和凝固过程进行模拟,结果显示:虹体中轴孔处充型过程中存在素流卷气现象,凝固过程中补缩通道不畅通,产生缩孔缩松缺陷的倾向大,组织致密度较低,实际铸件此位置周围存在缩孔和缩松缺陷,耐压性测试时漏气;赶口两侧充型过程中排气不通畅,边缘部位与空气接触时间较长,产生氧化夹渣缺陷的可能性大,实际缸体铸件的缸口面在加工后出现气孔及氧化夹渣缺陷;冲头慢/快压射距离点位于内饶口之前、内饶口处模具有冲烛现象。通过分析,给出了工艺改进建议:

　　(1)增加缸体中轴孔区域及气缸附近的冷却循环水道的直径,并适当调整绕注温度和模具温度,以提高补缩效果;(2)适度增大虹口外侧7处排气通道的厚度,改善排气状况;(3)适当延长缸体在压铸过程中的留模时间;(4)适当调整冲头快压射速度;(5)调整冲头慢/快压射转换点位置。

　　通过正交试验模拟方法,对四个重要的压铸工艺参数“冲头快压射速度”、“饶注温度”、“冲头慢/快压射转换点”和“模具预热温度”进行了模拟优化分析,确定了三个考核指标:一是虹体中轴孔及其附近油道区域在充型结束时的压力分布可反映压射压力的有效传递情况,进而反映凝固后的组织致密度,压力越大,表明压射压力可有效传递到该部位,金属液补缩效果好,凝固后组织致密度高;二是凝固时间,在保证铸件质量的前提下,凝固时间越短,生产效率越高;三是缺陷得分,对铸件模拟结果中缩孔缩松的缺陷程度按照1?10分进行评分,分数越高表明祷件产生缩松缩孔缺陷的倾向越小。结果显示：

　　(1)工艺参数对缸体中轴孔及其附近区域压力分布影响从强到弱依次为冲头快压射速度、模具预热温度、绕注温度和冲头慢/快压射转换点。随着冲头快压射速度和饶注温度的增加,该部位压力值增大;随着模具预热温度的增加,缸体该部位压力值先减小后增大;冲头慢/快压射转换点对该部位压力值影响很小。

　　(2)工艺参数对凝固时间的影响从强到弱依次为模具预热温度、冲头快压射速度、冲头慢/快压射转换点和绕注温度。随着冲头慢/快压射转换点的前移,模具预热温度、饶注温度和冲头快压射速度的降低,凝固时间缩短。

　　(3)工艺参数对铸件缺陷的影响程度从强到弱依次为冲头快压射速度、饶注温度、冲头慢/快压射转换点、模具预热温度。随着冲头快压射速度的增加,铸件缺陷得分值先增加后降低,在冲头快压射速度为3m/s时缺陷得分最高,铸件缺陷程度最小;随着饶注温度的降低,铸件缺陷得分逐渐增加,即铸件缺陷程度小;随着模具预热温度的增加,铸件缺陷得分基本保持不变但略有增加;随着冲头慢/快压射转换点位置的变化,铸件缺陷得分总体变化不大。

　　根据冲头快压射速度A、饶注温度B、冲头慢/快压射转换点C、模具预热温度D四个工艺参数对三个考核指标的影响规律,以及优先考虑铸件缺陷情况,最终选择的较优试验水平为A2B1C3D2,即冲头快压射速度3m/s,饶注温度635°C,冲头压射高低速转换点为580mm,模具预热温度20(rC。

　　采用优化工艺,对虹体压铸件的充型和凝固过程进行模拟,结果显示:模具内绕口附近冲蚀程度大幅减轻;缸口区域与空气接触时间缩短,产生氧化夹渣的倾向减小;缸体中轴孔区域无明显收缩缺陷,气虹区域仍存在收缩缺陷,但缺陷程度明显降低;在压射压力相同的情况下,铸件充型结束时各部位金属液压力明显增加,说明压射压力得到有效传递。按照优化后的工艺方案实际试生产,缸体中轴孔区域无缩松、缩孔缺陷,气组内壁区域产生的缩松、缩孔缺陷程度明显减轻;缸口加工面气孔和氧化夹蜜缺陷减少,赶体铸件打压测试时未出现漏气现象。

　　按照改进后的缸体压铸工艺方案进行模具结构设计,包括模具成形部分设计、模架设计、侧向抽芯机构设计、顶出复位机构设计、模具厚度核算、动模座板行程校核、最小合模距离与最大开模距离校核、模具最大外形轮廓校核。利用NX8.0三维造型软件进行零件的三维造型和模具装配。

　　关键词:铝合金缸体,压铸,数值模拟,工艺优化,模具设计

ABSTRACT

　　The high pressure die casting defects of an aluminum alloy cylinder block used in a generation device has been analyzed. The filling and solidification processes have been simulated by casting simulation software MAGMA soft. Improvement suggestions of the high pressure die casting technique for this casting have been provided by analyzing the simulated filling and solidification process. Important casting process parameters have been optimized by orthogonal simulation method. The optimized technique has been used in products to verify the beneficial effect by comparing the quality of castings. A high pressure die casting mold for this cylinder block has been designed by using NX8.0.

　　The currently defects of this cylinder block casting are l-2mm diameter shrink hole in the central axis hole and the inner of cylinder, blow hole and oxidation slag in the machined surface of cylinder, air leakage in the oil road area near central axis hole in 0.52MPa pressure test.

　　The filling and solidification processes for this high pressure die casting using the present technique have been simulated and analyzed. Simulation results show that there are turbulences in filling process, feeding channel blocking in solidification process, shrinkage defects and low density in the position of casting central axis hole where shrinkage defects and leakage exists in products. Gas blocking and a long air contact time of melt are observed by simulation on both sides of cylinder port where blow hole and oxidation slag exists in products.

　　Simulation results also show that switch position of slow/high injection velocity is before the ingate and mold erosion exists near the ingate. Improvement suggestions are given as follows: (1) Increasing the cooling channels diameter near cylinder and central axis hole of casting and adjusting pouring temperature and mold temperature in order to improve the feeding effect, (2) Increasing the thickness of 7 vent grooves outside of the cylinder to improve exhaust situation, (3) Increase the closing parameter time, (4) Adjusting the injection velocity and (5) Adjusting switch position of slow/high injection velocity.

　　Four parameters of "fast plunger injection velocity”,"pouring temperature”,“mold temperature”,and "switch position of slow/high injection velocity" optimized by orthogonal test simulation. Three assessment criteria are identified. First is the pressure distribution in the oil road area near central axis hole of castings at the end of the filling process which reflect the transfer efficiency of injection pressure and the higher the pressure, the better effect of feeding and higher density of casting after solidification. Second is solidification time, and the shorter solidification time,the higher production efficiency. Third is the defect score from 1 to 10 that is according to the shrinkage defects of the simulated casting by MAGMA soft, and the higher the score,the smaller tendency of shrinkage porosity defects. The results are as follows:

　　(1)�塃ffect of process parameters on the pressure distribution of cylinder casting from strong to weak is in the order of "fast plunger injection velocity,,,"mold temperature", "pouring temperature" and "switch position of slow/high injection velocity". The pressure increases along with the increase of "fast plunger injection velocity". The pressure is maximum when "mold temperature" is 180。C. There is a little effect of "switch position of slow/high injection velocity" on the pressure.

　　(2)�塃ffect of process parameters on solidification time from strong to weak is in the order of "mold temperature", "fast plunger injection velocity,,,"switch position of slow/high injection velocity" and "pouring temperature". With the decreases of "mold temperature"fast plunger injection velocity,,and "pouring temperature", and moving forward to injecting plunger for "switch position of slow/high injection velocity", the solidification time decreases. (3)�塃ffect of process parameters on defect score from strong to weak is in the order of "fast plunger injection velocity,,,"pouring temperature”,"switch position of slow/high injection velocity" and "mold temperature". The defect score is maximum while "fast plunger injection velocity" is 3m/s and the defect tendency of castings is minimum. The defects score increases with the decrease of "pouring temperature". With the increase of "mold temperature", the defect score increases first and then remains unchanged. There is little effect of "switch position of slow/high injection velocity" on the defect score.

　　Based on the impact of the four process parameters "fast plunger injection velocity" A, "pouring temperature" B, "switch position of slow/high injection velocity" C and "mold temperature" D on the three assessment criteria, and giving priority to defect score, the optimized test level A2B1C3D2 has been selected, with "fast plunger injection velocity" 3m/s, "pouring temperature" 635。C, "switch position of slow/high injection velocity" 580 mm and "mold temperature" 200°C.

　　The high pressure die casting filling and solidification processes for the aluminum alloy cylinder block have been simulated using the optimized technique. The simulation results showed that mold erosion near the ingate is remarkably reduced, air contact time of melt near cylinder port is shortened that reduces slag oxidation tendency, no obvious shrinkage defects are observed near central axis hole, there are also shrinkage defects near cylinder still, but remarkably reduced and the solidification pressure significantly increases by the same injection pressure, which indicates injection pressure transmission effectively. The practical production using the optimized technique show that there are no shrinkage defects near the central axis hole, the shrinkage defects reduces apparently near the cylinder area, blow hole and oxidation slag in the machined surface of cylinder decreases and no air leakage in pressure test of the casting products.

　　According to the optimized high pressure die casting technique of the aluminum alloy cylinder block, the mold has been designed “ including molding department, mold frame department, side core pulling mechanism, casting push up and reset mechanism, mold thickness calculation, stroke checking for movable mold plate, minimum distance of die closing, maximum distance of die opening and the maximum profile checking. Three-dimensional modelings have been given using NX8.0.

　　Key Words:A-alloy cylinder block, Die-casting, Numerical simulation, Process optimization. Mold design

　　随着铸造业全球化的发展趋势,压铸工业向着缩短产品研制周期、产品的复杂多样化和优质化方向发展。耗费大量人力、物力和资金对铸件产品在实际铸造条件下进行反复试铸,方案再修改的传统模式正在被逐步抛弃。而采用铸造模拟技术的现代化压铸生产方式正在成为主流。

　　本文研究的虹体祷件为某移动发电装置上的发动机钉体,采用银合金为原材料可减轻发动机自身重量。该赶体铸件采用压铸生产,自投入生产以来,因质量问题进行了多次结构设计变更,排除招合金溶炼及生产转运造成的招合金培液质量不达标等因素后,毛还铸件在检测中仍存在内部气孔,氧化夹澄,缩孔等铸造缺陷。其中气孔、氧化夹造缺陷主要存在于航体铸件两侧气虹内壁内部以及虹体中轴孔内部区域;缩松、缩孔缺陷主要存在于红体中轴孔及附近的数条油道内部,两侧气位内壁壁厚最厚处也有一定比例的存在。虹体铸件存在的其他缺陷如冷隔、欠铸等均在可控范围内,通过严控压铸过程中各生产环节均可达标。此红体铸件生产节奏快、发货量大,为保证产品合格率、提高虹体铸件质量,需通过调节压铸生产工艺来进行铸件缺陷的减轻或消除。随着铸造数值模拟技术的快速发展以及在实际生产中的广泛应用,采用铸造模拟技术来优化工艺方案明显为有效途径,且可在节约人力、物力和提高效率的同时为新产品的工艺研发提供一定的基础。

　　铸造模拟技术经历了几十年的发展历程。从最初的温度场发展到流动场、应力场,从微观领域到宏观领域,从最初的普通的重力铸造发展到后来的各种特种铸造,从实验室研究阶段发展到后来的广泛应用于实际工业生产,铸造模拟技术越来越受到行业内的重视。目前铸造模拟技术在欧美等国家的使用率较高,特别在汽车制造业应用更加广泛,成为确定工艺的固定环节和必备工具。国内铸造企业在九十年代后期纷纷开始重视铸造模拟技术的引用,利用铸造模拟技术提升传统的铸造行业已经成为重要发展趋势⑴。到目前铸造模拟技术在国内已经得到了广泛的应用,在缩短新产品研发周期、降低产品成本等方面起到了明显作用[2]。

　　目前应用于铸造过程模拟软件有很多,应用较广泛的有美国的PROCAST和FL0W-3D,德国的MAGMA　soft及韩国的ANYCASTING等。国内的铸造模拟软件应用较为广泛的主要有清华大学的FT-STAR和华中科技大学的华祷CAE等。这些铸造模拟软件的数值模拟方法主要的有以下几种:有限元方法(FEM)、有限差分方法(Mesh　FDM)和有限体积法(FVM)。目前市场上多数的数值模拟商业软件是基于有限元方法的,它们主要侧重于解决流体力学、固体力学和结构力学等问题。有限差分方法由于求解精度不够,适应性比较差,商业软件相对少一些,釆用有限体积法的商业软件主要是求解流体力学和传热、传质学等问题PROCAST软件是美国UES公司的铸造过程模拟软件。是针对铸造过程中流动-传热-应力称合的分析系统。它主要有8个模块:有限元网格划分、传热分析及前处理、流动分析、应力分析、热福射分析、显微应力组织分析、电磁感应分析及反向求解分析等。

　　主要采用基于有限元法(FEM)的数值计算方法,能够模拟铸造过程中的绝大多数问题和许多物理现象,提供了考虑气体、过滤、高压、旋转等对祷件充型过程的影响,能够模拟多种铸造工艺的充型过程。而且能与设计加工的CAD/CAM系统集成,实现数据共享,大幅度提高铸造生产效率[39]。但是缺点是PROCAST软件前处理的操作性相对较差,在补体网格与面网格上操作麻烦。

　　FLOW-3D是美国流体科学公司开发的一款能够分析多数铸造工艺的软件,广泛应用于航空航天、金属铸造、海运业等诸多行业,属于通用软件。其采用了基于有限差分法(FDM)的数值计算方法,并使用了建立在结构化网格系统上的自由网格法。优点是FL0W-3D采用流体动力学方法,提高稳定性和自由表面跟踪技术(VOF),使得结果更逼真,另外也包含了丰富而先进的物理模型,丰富的流体固体材料库,为用户提供了二次幵发的接口缺点是对于压铸件类型的薄壁件的模拟计算能力较差,而且模拟计算时间相对较长,一般需要1-3天时间。

　　ANYCASTING是韩国开发的专门用于铸造方面的专用软件,可用于压铸、砂型铸造、离心铸造等多种铸造方法,操作相对简单而且模拟计算时间快,但是计算精度相对较弱。

　　华铸CAE是华中科技大学研究开发和完善的铸造模拟软件系统,适用于钢、铁、招等多种铸造合金,且适用于砂型、金属型、壳型、低压、压力等多种铸造方式。华铸CAE软件的网格划分不同于MAGMA等模拟软件,它釆用的是四面体的网格划分方式,计算速度较快。

　　MAGMA　soft是德国的Sabm教授于1989年开发出铸造商品化软件系统,以经典物理学方程为基础,对铸造过程的描述真实可靠,计算结果准确。MAGMA　soft适用于几乎所有铸造合金材料的铸造生产,范围白灰铁铸造,锅合金砂型铸造,到大型铸钢件铸造。而且MAGMA　soft软件更针对不同的铸造工艺设计专用的模块,如MAGMAhpdc高压铸造专业模块、MAGMA　iron铸铁铸造专业模块等。

　　铝合金缸体压铸工艺与模具设计：

定糢镶块三维实体示意图

动模镶块三维实体示意图

 
侧抽芯位置示意图

液压油紅三维实体

滑块A

滑块B/C

定模糢板

动糢糢板

动模模座

顶针底板

目录

　　摘要
　　ABSTRACT
　　第1章 绪论
　　　　1.1 课题背景
　　　　1.2 铸造模拟技术发展及应用现状
　　　　　　1.2.1 国外发展现状
　　　　　　1.2.2 国内发展现状
　　　　　　1.2.3 铸造模拟技术发展方向
　　　　1.3 铸造模拟软件介绍
　　　　1.4 课题主要研究内容
　　　　1.5 课题研宄目的和意义
　　第2章 模拟试验与模具设计方法�崳�
　　　　2.1 模拟分析软件简介
　　　　2.2 缸体压力铸造模拟研宄方法
　　　　2.3 模具设计方法
　　　　2.4 本章小节
　　第3章 JET-1缸体现行压鋳工艺及数值模拟分析�崳�
　　　　3.1 JET-1缸体现行压铸工艺
　　　　　　3.1.1 JET-1缸体铸件结构特征及技术要求
　　　　　　3.1.2 JET-1缸体现行压铸工艺及铸造缺陷
　　　　3.2 缸体充型过程数值模拟结果分析
　　　　　　3.2.1 缸体铸件充型顺序分析
　　　　　　3.2.2 充型速度分析
　　　　　　3.2.3 充型过程中的空气接触(Air　contract)分析
　　　　　　3.2.4 充型过程中的气压(Airpressure)分析
　　　　　　3.2.5 充型完成后的压力分析
　　　　3.3 缸体凝固过程数值模拟结果分析
　　　　　　3.3.1 铸件凝固时间与凝固温度分布分析
　　　　　　3.3.2 缸体铸件缺陷模拟结果分析
　　　　3.4 本章小节
　　第4章 JET-1缸体压铸工艺优化模拟�崳�
　　　　4.1 引言
　　　　4.2 缸体铸件排溢、冷却系统改进
　　　　4.3 正交试验设计
　　　　　　4.3.1 正交试验方案
　　　　　　4.3.2 正交试验结果考核指标
　　　　4.4 正交试验结果分析
　　　　　　4.4.1 缸体典型部位压力分布的极差分析结果
　　　　　　4.4.2 凝固时间的极差分析结果
　　　　　　4.4.3 缺陷得分的极差分析结果
　　　　　　4.4.4 压铸工艺参数的优化
　　　　4.5 优化工艺验证
　　　　　　4.5.1 模具冲蚀模拟结果分析
　　　　　　4.5.2 充型过程中的空气接触分析
　　　　　　4.5.3 缸体压力分布优化模拟结果分析
　　　　　　4.5.4 模具温度分布优化模拟结果分析
　　　　　　4.5.5 缸体凝固收缩缺陷优化模拟结果分析
　　　　　　4.5.6 优化工艺方案的试生产验证
　　　　4.6　本章小节
　　第5章 JET-1缸体压鋳模具设计�崳�
　　　　5.1 引言
　　　　　　5.1.1 压铸模具设计依据
　　　　　　5.1.2 压铸模具设计内容
　　　　5.2 成型零件的设计
　　　　　　5.2.1 成型零件收缩率的确定
　　　　　　5.2.2 镶块设计
　　　　　　5.2.3 型芯设计
　　　　5.3 侧抽芯机构设计
　　　　　　5.3.1 侧抽芯机构的选用
　　　　　　5.3.2 抽芯力的计算
　　　　　　5.3.3 抽芯距离的确定
　　　　　　5.3.4 液压油缸的设计
　　　　　　5.3.5 滑块的设计
　　　　　　5.3.6 滑块与侧抽芯的连接
　　　　5.4 模架及其附件的设计
　　　　　　5.4.1 动、定模模板设计
　　　　　　5.4.2 模座设计
　　　　　　5.4.3 导柱、导套设计
　　　　5.5 推出机构设计
　　　　　　5.5.1 推出距离
　　　　　　5.5.2 推杆设计
　　　　　　5.5.3 顶针板和顶针底板设计
　　　　　　5.5.4 顶针板导柱、导套设计
　　　　5.6 模具的装配
　　　　5.7 模具的校核
　　　　　　5.7.1 模具厚度核算
　　　　　　5.7.2 动模座板行程核算
　　　　　　5.7.3 最小合模距离与最大开模距离校核
　　　　　　5.7.4 模具最大外形轮廓校核
　　　　5.8 本章小节
　　第6章 结论�崳�
　　参考文献
　　后记

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