鋁合金氣缸蓋低壓鑄造模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文分析了低壓整體式鋁合金輪轂的低壓鑄造工藝性,并從鑄型分型面、鑄型型腔尺寸和鑄型壁厚的確定,鑄型排氣系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等幾方面介紹了該產(chǎn)品模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

針對(duì)鋁合金箱體接頭零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),進(jìn)行了低壓鑄造模具設(shè)計(jì)及工藝研究。從模具分型面、型腔尺寸和模具壁厚、排氣系統(tǒng)及抽芯方式等方面進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明,金屬液充型平穩(wěn),可實(shí)現(xiàn)順序凝固,并具有良好的補(bǔ)縮效果。驗(yàn)證了低壓鑄造工藝方案和模具結(jié)構(gòu)的合理性。

采用ug三維建模軟件完成鋁合金連桿的建模,分析了鋁合金連桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求。綜合不同擠壓鑄造加工工藝的特點(diǎn),采用雙重?cái)D壓鑄造工藝成形零件。介紹了兩種不同的擠壓鑄造模具結(jié)構(gòu)及其工作過程,并對(duì)兩種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了比較。

基于低壓鑄造的基礎(chǔ)理論,在總結(jié)低壓鑄造澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出了帶砂芯的汽車缸蓋金屬型低壓鑄造內(nèi)澆道截面積的計(jì)算方法。并通過anycasting軟件對(duì)利用該計(jì)算方法設(shè)計(jì)的汽車缸蓋低壓鑄造內(nèi)澆道進(jìn)行數(shù)值模擬,驗(yàn)證了該計(jì)算方法的實(shí)用性和正確性。

利用鑄件凝固過程數(shù)值分析方法研究了鋁合金汽缸蓋的低壓鑄造凝固過程,預(yù)測(cè)了缸蓋鑄件內(nèi)部可能產(chǎn)生的缺陷。模擬顯示,內(nèi)澆口到零件厚壁之間的通道易形成縮孔缺陷。根據(jù)模擬結(jié)果及理論,對(duì)低壓鑄造工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),分別采用增設(shè)冷卻系統(tǒng)、控制模具的預(yù)熱溫度、對(duì)澆口進(jìn)行保溫處理三種工藝措施。同時(shí)采用上述三種工藝措施,對(duì)消除缸蓋鑄件熱節(jié)點(diǎn)的縮孔、縮松缺陷效果最好。

針對(duì)大型鋁合金輪轂低壓鑄造過程中在熱節(jié)處產(chǎn)生的縮松、縮孔問題,提出改變模具溫度和模具厚度的方法消除缺陷,但對(duì)＂孤立熔池＂現(xiàn)象影響較小。為此在以上兩種優(yōu)化工藝的基礎(chǔ)上,又在對(duì)應(yīng)產(chǎn)生缺陷部位的模具上加設(shè)水冷管。結(jié)果表明,該方法不僅使輪轂實(shí)現(xiàn)順序凝固,消除了輪轂厚大部位的缺陷,還提高了輪轂的冷卻速度,縮短了生產(chǎn)周期。

制造過程實(shí)質(zhì)上是信息采集、傳輸、處理及應(yīng)用的過程。將制造信息數(shù)字化,用數(shù)字信息驅(qū)動(dòng)制造系統(tǒng)完成造物的過程稱為數(shù)字制造。數(shù)字制造不僅能提高制造效率而且能顯著降低制造成本。本文以汽車制動(dòng)系閥蓋為例介紹了基于pro/e的壓力鑄造模具的開發(fā)過程,分析了壓力鑄造模具數(shù)字設(shè)計(jì)與制造的特點(diǎn)。

針對(duì)某缸蓋件的形狀特點(diǎn),采用改變低壓鑄造充型斜率的方法,對(duì)低壓鑄造充型進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)踐證明該方案是可行的。

通過改善合金充型及凝固條件,對(duì)鋁合金盤類鑄件低壓鑄造工藝方案進(jìn)行優(yōu)化,消除了鑄件表面類似“折疊”缺陷,獲得了品質(zhì)優(yōu)良的鑄件。

以汽車輪轂為例,運(yùn)用anycasting鑄造模擬軟件開展低壓鑄造數(shù)值模擬研究。模擬結(jié)果顯示,鑄造模擬軟件能有效模擬鑄件充型和凝固產(chǎn)生的過程,并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鋁合金低壓鑄造充型和凝固過程中汽車輪輻和輪轂產(chǎn)生缺陷的位置。針對(duì)凝固過程中縮松縮孔缺陷,設(shè)計(jì)了汽車輪轂風(fēng)冷系統(tǒng),消除了輪轂的縮松縮孔現(xiàn)象,提高了鑄造鋁合金輪轂的質(zhì)量。

鋁合金缸蓋是轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件,它在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中始終處于高溫狀態(tài)(當(dāng)燃?xì)庠谌紵覂?nèi)爆燃時(shí),氣體溫度瞬間高達(dá)1100℃以上),承受較大的熱沖擊并產(chǎn)生應(yīng)力集中,工作條件較為惡劣。其質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

低壓鑄造工藝已用于生產(chǎn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金缸體缸蓋。論文對(duì)國(guó)家智能制造裝備發(fā)展專項(xiàng)《年產(chǎn)45萬件汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金缸蓋缸體低壓鑄造數(shù)字化車間》實(shí)施的任務(wù)、車間總體布局、主要工藝方案及相關(guān)節(jié)能、環(huán)保措施進(jìn)行分析總結(jié),以供相似項(xiàng)目設(shè)計(jì)參考。

本文采用模塊化的思想,研究和設(shè)計(jì)了鋁合金低壓鑄造kbe(knowledge-basedengineering)系統(tǒng)的知識(shí)數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu),將其分為三個(gè)模塊:顯性知識(shí)子模塊、三維實(shí)體子模塊、規(guī)則知識(shí)子模塊。闡述了知識(shí)的表示形式。

鋁合金蓋體擠鑄成型后,鑄件留在上模,而通用液壓機(jī)無上頂件機(jī)構(gòu)。給出了擠壓鑄鋁合金蓋體的工藝參數(shù)和帶上頂件裝置的實(shí)用模具結(jié)構(gòu)。該模具在上模設(shè)一個(gè)用于頂件的小型活塞式副油缸,油缸活塞桿同上模的頂出機(jī)構(gòu)相連。油缸的上、下油孔分別通過高壓軟管與液壓機(jī)的常壓管路和控制管路連通,從而組成一個(gè)完整的上頂出裝置,解決了通用液壓機(jī)上擠壓鑄造鋁合金蓋體的上頂料問題。

德國(guó)專利de19925666缸體、缸蓋可采用本專利提出的含ni、cu、mn和fe的鋁硅合金來制造,其化學(xué)成分是（wt%）：6.80~7.20si,0.35~0.45fe,0.30~0.40cu,0.25~0.30mn,0.35~0.45mg,0.45~0.55ni,0.10~0.15zn,0.11~0.15ti,其余是al和微量雜質(zhì),澆注溫度為720~740℃,冷速0.1~10k/s,采用530℃×5h固溶處理,80℃水淬和160~200℃×6h人工時(shí)效處理。

針對(duì)細(xì)輻條鋁合金汽車輪轂的低壓鑄造過程中,輻條根部容易產(chǎn)生的縮孔缺陷問題,設(shè)計(jì)了一種點(diǎn)冷卻的溫度控制方法,并用試驗(yàn)證明了該方法的控制能力。通過輻條處的局部溫度有效監(jiān)測(cè)和控制,實(shí)現(xiàn)鋁合金液由輪轂邊緣到中心的順序凝固,消除了輻條根部縮松、縮孔,在生產(chǎn)中取得了良好的效果。

德國(guó)專利de19925666缸體、缸蓋可采用本專利提出的含ni、cu、mn和fe的鋁硅合金來制造,其化學(xué)成分是（wt%）：6.80~7.20si,0.35~0.45fe,0.30~0.40cu,0.25~0.30mn,0.35~0.45mg,0.45~0.55ni,0.10~0.15zn,0.11~0.15ti,其余是al和微量雜質(zhì),澆注溫度為720~740℃,冷速0.1~10k/s,采用530℃×5h固溶處理,80℃水淬和160~200℃×6h人工時(shí)效處理。

為探討低壓鑄造在鋁合金減震筒鑄造中的應(yīng)用,以鋁合金摩托車減震筒為例,對(duì)低壓鑄造實(shí)施過程和鑄造結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明:低壓鑄造用于鋁合金減震筒鑄造,能夠減少減震筒鑄件的質(zhì)量缺陷,有助于提高鋁合金減震器鑄造質(zhì)量。

本文作者結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，從鑄造工藝的重要性說起，主要探討了鋁合金箱體實(shí)際鑄造工藝方面，具有一定的借鑒意義。

以相似理論為理論基礎(chǔ),對(duì)鋁液的低壓充型過程進(jìn)行了模擬試驗(yàn)研究,利用氣體向液面加壓的同時(shí)對(duì)模具型腔進(jìn)行抽真空。試驗(yàn)結(jié)果表明:上升的液面一直保持水平狀態(tài)并沿著鉛垂方向推進(jìn);當(dāng)真空度為-0.02mpa。加壓氣壓為0.02mpa時(shí)為最佳的加壓工藝參數(shù)。并將模擬結(jié)果與原型的結(jié)果進(jìn)行了比較,兩者具有良好的一致性。

試驗(yàn)研究了反重力澆注條件下,鋁合金消失模真空低壓鑄造的充型流動(dòng)特性。通過采用電極觸點(diǎn)法測(cè)定不同條件(真空度、澆注溫度、內(nèi)澆道面積)下鋁合金液體流動(dòng)前沿的變化規(guī)律,獲得了不同條件下液態(tài)zl101的充型等時(shí)曲線;分析了影響鋁合金消失模真空低壓鑄造充型形態(tài)的主要因素。

45鋼閥體擠壓鑄造模具設(shè)計(jì)為組合式模具。模具的模芯和沖頭采用性能較高的h13鋼,模套及定位結(jié)構(gòu)部分采用45鋼或40cr鋼。成形設(shè)備采用專用的擠壓鑄造液壓機(jī),最大擠壓力為1500kn,最大鎖模力為2000kn。上、下沖頭取2°的起模斜度,側(cè)沖頭取了0.5°的起模斜度,沖頭速度為0.30~0.35m/s。頂出方式采用下沖頭上行直接頂出,沖頭與模具之間的單邊配合間隙取0.16~0.2mm。采用管道式冷卻和插管式冷卻相結(jié)合,對(duì)模具受到較大熱應(yīng)力的部分進(jìn)行冷卻。為了保證制件高度方向的精度,在分型面十字方位上開設(shè)有4個(gè)溢流槽。為了提高模具的抗熔焊能力,采用自制的硅藻土類絕熱涂料,噴涂厚度為0.2~0.5mm。