原標題：發動機前蓋支架處縮孔的原因分析及模具優化設計

圖1為某汽車發動機前蓋，輪廓尺寸為437 mm×423 mm×222.5 mm，質量為3.94 kg。零件主體結構由前蓋、發動機支架和水泵支撐3部分組成。該前蓋外形不規則、內部結構復雜，發動機支架處于前蓋的中心底部，有3個M10螺栓孔起連接作用；水泵支撐處于前蓋側向，中心有水泵出水孔，出水孔邊緣有8個M8螺栓孔用于固定水泵。除前蓋與缸體結合面有密封要求外，在水泵連接處有密封性要求，在支架處有較高的強度要求。鑄件材質為A380鋁合金，一般壁厚為3.5 mm，最大壁厚在支架處，壁厚在24~30 mm之間。

為滿足前蓋的密封性和強度要求，必須保證鑄件內部質量。批量生產過程中，通過X光探傷發現前蓋支架處有明顯的孔洞，缺陷比例占70%以上，鑄件機加工后M10螺紋孔暴露缺陷，缺陷形式見圖2。

圖1 發動機前蓋
1.支架處 2.水泵連接處

圖2 前蓋缺陷位置及狀態

鋁合金壓鑄件內部存在孔穴，需要通過模具設計和工藝優化將孔穴控制在可接受的范圍，以保證鑄件的品質滿足要求。孔穴分為氣孔和縮孔，由于氣體存在而形成的內表面光亮和光滑、形狀較為規則的為氣孔；在凝固過程中，由于體積減少，金屬液補償不足所形成的暗色、形狀不規則的為縮孔，主要出現在鑄件厚壁處。對前蓋缺陷件進行剖切，發現孔穴存在于厚壁處心部，形狀不規則，孔內壁呈現暗色，確定前蓋支架處孔穴主要為縮孔。

在壓鑄過程中，金屬液注入型腔后，表面先冷卻成硬殼，內部后冷卻的金屬液凝固過程體積減少，減小的體積如果得不到外來金屬液的補充即會形成縮孔或縮松。鋁合金壓鑄件縮孔缺陷主要與鑄件結構、壓鑄工藝以及壓鑄模的澆注系統和排溢系統的設計有關：①鑄件結構，鑄件局部壁厚厚大，有熱節部位。②壓鑄工藝，合金液澆注溫度過高、壓射最終補壓壓力不足、余料餅太薄等。③澆注系統，內澆口位置不當、內澆口過薄。④排溢系統，溢流槽位置不對或容量不夠。

首先對壓鑄模具及壓鑄工藝進行分析，發動機前蓋的模具結構見圖3。鑄件縱向布置，為滿足復雜的零件結構的充填， 采用U型充填方式，填充末端多股金屬液匯集處設計溢流槽和排氣道。動模上方設置滑塊抽芯機構，以滿足前蓋側向異形及側向螺栓孔成形；動模右側設置獨立的抽芯機構，用于側向孔的成形；定模上方設置抽芯機構，用于實現支架處3個螺栓預鑄孔的抽芯。為簡化模具結構、便于動作順序程序操作，3處均采用液壓抽芯方式。進一步對鑄件結構進行分析，前蓋支架處壁厚在24 mm以上，約為鑄件一般壁厚的7倍，厚壁處是鑄件最后凝固的位置，在凝固成形中會產生縮孔。同時對鑄件進行CAE分析，模擬分析金屬液填充順序，其結果見圖4，可見支架處厚壁區域位于深腔的底部，是金屬液最后填充的區域。

圖3 模具結構方案

圖4 模擬填充順序

前蓋壓鑄模具內抽芯機構優化前結構見圖5。支架處3個螺紋孔的預鑄孔抽芯機構設置在定模上，3個直徑為?8 mm的型芯與定模鑲塊滑動配合，在液壓缸的帶動下實現插芯和抽芯，模具結構簡單，但無法設置溢流槽。
優化后內抽芯結構見圖6，3個直徑為?8 mm的型芯固定在直徑為?82 mm的內抽芯上，直徑為?82 mm的內抽芯與定模鑲塊滑動配合，在液壓缸的帶動下實現插芯和抽芯。3個?8 mm的型芯設置在內抽芯的上部，下部設置溢流槽，抽芯后溢流槽進料口處的形狀與內抽芯成形處脫離，實現溢流槽無干涉的脫模。

圖5 優化前內抽芯結構
1.鑄件 2.定模鑲塊 3.內抽芯

圖6 優化后內抽芯結構
1.鑄件 2.定模鑲塊 3.型芯 4.內抽芯 5.溢流槽

壓鑄模中溢流槽主要作用是排除型腔中的氣體，儲存混有氣體和涂料殘渣的前流冷污金屬液。在模具設計時，溢流槽一般是按區域分布的，每個溢流槽的容積與相鄰型腔的容積有關，溢流槽容積占相鄰型腔區域的比率見表1。前蓋一般壁厚為3.5 mm，查表1得溢流槽容積占相鄰型腔容積25%以上，金屬液流過澆道和型腔250 mm，溢流槽的容積還要在表1中所列數據的基礎上提高20%。根據前蓋支架處結構形式及局部壁厚厚大、處于填充末端等特點，計劃設計集渣包容積比為50%。

通過計算，前蓋內抽芯的鎖緊力遠大于抽芯力，需要設計獨立的鎖緊機構。由于前蓋內抽芯在定模，需要將內抽芯抽拔到完全脫離型腔的安全位置后才能開模，因此需要將鎖緊塊設計在定模，在與內抽芯運動方向垂直的方向布置。前蓋內抽芯的鎖模主要采用液壓輔助機械機構進行，通過鎖緊塊和固定板來實現機械鎖緊，通過液壓缸帶動鎖緊塊的移動。定模內抽芯及其鎖緊機構結構圖見圖7，其動作順序為合模-定模內抽芯機構插芯→內抽芯機構鎖緊→壓射→內抽芯機構鎖緊塊撤回→內抽芯機構抽芯→開模→取件。

表1 溢流槽容積推薦值

圖7 定模內抽芯及其鎖緊機構結構圖
1.定模內抽芯 2.定模套板 3.側向鎖緊油缸 4.固定板 5.抽芯油缸 6.抽芯油缸固定板 7.楔緊塊 8.內抽芯連接板 9.行程開關連接板 10.抽芯油缸支板 11.行程開關組件總成

通過上述措施對前蓋壓鑄模內抽芯結構進行優化后，用力勁18 000 kN壓鑄機進行生產。鑄造壓力為75 MPa，慢壓射速度為0.15 m/s，高速階段沖頭速度為4.2 m/s，優化后的模具批量生產2 000件，全部進行X光探傷檢驗，觀察到支架處無明顯縮孔，產品質量改善顯著。前蓋外觀及內部品質見圖8。批量供貨產品經機加工后，產品的局部縮孔缺陷降低到2%以下。經過大批量生產驗證，前蓋產品品質穩定，模具運行平穩、可靠、耐用。

圖8 優化后的前蓋X光檢驗

結論

（1）前蓋產品在支架處因澆注成形困難，局部壁厚過大，冷卻凝固成形過程中無法有效地實施補縮從而導致縮孔產生。

（2）局部增加大容量的溢流槽，可以有效地改善充填成形，并對局部實施補縮，降低縮孔產生的風險。

（3）對鑄件深腔局部厚大處，尤其是無法使用常規方法設計溢流槽時，可通過側抽芯設計溢流槽，從而改變溢流槽的脫模方向，抽芯后溢流槽可以順利脫模。

（4）對于鎖模力大的液壓抽芯機構，采用液壓輔助機械鎖模機構，能有效減小鎖模機構的體積，且鎖緊穩定、可靠。

《發動機前蓋支架處縮孔的原因分析及模具優化設計》

董淑婧 侯麗彬 呂海霆 郭瑞

大連科技學院機械工程學院

本文轉載《特種鑄造及有色合金》