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無缸套鋁缸體壓鑄工藝的研究

放大字體  縮小字體 發布日期:2018-08-06  作者:姚杰  瀏覽次數:365
核心提示:無缸套鋁缸體壓鑄工藝1. 前言鋁是一種輕金屬,密度小(2.79/cm3), 具有良好的強度和塑性,鋁合金具有較好的強度,超硬鋁合金的強
無缸套鋁缸體壓鑄工藝
1. 前言
鋁是一種輕金屬,密度小(2.79/cm3), 具有良好的強度和塑性,鋁合金具有較好的強度,超硬鋁合金的強度可達600Mpa,普通硬鋁合金的抗拉強度也達200-450Mpa,目前已經得到抗拉強度大于700Mpa的鋁合金,其比強度可與優質的合金鋼相媲美,比鋼度甚至遠高于鋼。鋁具有良好的導熱性,可用作各種散熱材料。鋁還具有良好的抗腐蝕性能和較好的塑性,適合于各種壓力加工。因此鋁合金廣泛的應用于機械,汽車各個領域。
汽車引擎已經從全鐵材質發展到了全鋁材質,其目的是為了減輕車重,而減輕車重意味著可以省油耗。一般使用鋁缸體發動機,能減輕20公斤左右的重量。而汽車的自身重量每減少10%,燃油的消耗可降低6%~8%。現在汽油機的缸蓋基本上都是鋁合金材質,缸體材質也已大量的替換成鋁合金材質。
但是我們所說的鋁缸體并不完全是全鋁的,幾乎都要使用鑄鐵缸襯或者鋼制的氣缸內襯。那是因為現在的引擎,為了降低往復運動的部件的慣性,提高轉速和響應速度,活塞大多使用高硅鋁合金作為材料。如果氣缸壁也是鋁的。鋁和鋁之間的摩擦系數是比較大的,這樣引擎的性能就受很大影響了。而鑄鐵或者鋼制的氣缸內襯就沒有這樣的問題。
但是不可否認的是,現在一些高端引擎已經做到了真正的全鋁材質,如Audi 3.1L FSI V6的全鋁缸體,就是沒有使用鑄鐵或者鋼制缸襯,而是通過氣缸內壁部分使用了高硅鋁合金來克服降低摩擦系數。其處理工藝非常貴,不過散熱性能卻得到了很大的提升。
為了真正實現經濟可行的無鋼套鋁合金缸體,國內一部分公司已經率先進行高硅稀土鋁合金研制來制造缸體,而且不需要鋼套。這種新材料汽車發動機缸體與傳統缸體相比,具有降低摩擦功、節油,優化引擎散熱,減少廢氣排放,減輕重量,提高缸體強度,成本降低等優勢。
目前某公司的這類缸體已經成功下線,而模具正是筆者公司開發的。筆者主要從缸體成型角度來分析,此類缸體在成型工藝制定時候的難點及要點。
2.鑄件結構分析

該鋁合金壓鑄件的實體模型如圖1所示,外形尺寸445mm x 378mm x 226mm,最大壁出現在缸筒壁,厚達13.4mm,其余平均壁厚為4mm.,鑄件材料為高硅稀土鋁合金,是一種硅含量在19-21%wt的過共晶AL-Si系列壓鑄合金。其Si晶粒的尺寸控制在50微米以下,該種合金具有很好的流動性、氣密性、抗熱裂性及高耐磨性和低膨脹系數,適于制作汽車發動機缸套、剎車塊、泵等零部件材料。
產品質量19.2kg。鑄件整體形狀復雜,結構多變,壁厚不均勻,特別是缸套處由于不采用預鑲缸套,導致壁厚厚大。




圖1 1.8T 發動機缸體
3.澆注系統的設計
澆注系統的設計包括澆流道的設計,溢流排氣系統的設計,冷卻加熱系統的設計,
首先確定進料方式。從產品的結構來分析,單側進料方式比較適合。這樣的設計有利于鑄件在澆注過程中的排氣,避免氣體窩在缸筒內,而導致最后在里面出現大的氣縮孔。
其次根據壓鑄工藝及參數做一些必要的計算,來確定澆道各部分的尺寸。先根據流量法及一些經驗數值來確定內澆口的截面積。

表1
式中:A內為內澆口截面積mm2;G為通過內澆口的金屬液質量,包括溢流渣包的質量g ;ρ 為液體金屬的密度g/cm3 ;V為內澆口處金屬液的流速m/s ;t 為型腔的充型時間S。
鑄件密度取2.7g/cm3;溢流渣包的質量取壓鑄件質量的30% ,得G=25000 g;對于該缸體,取V=60m/s ,t=0.08s ,計算得到A內=2200mm2
鑄件體積為7117cm3,取澆口渣包為鑄件的45% ,則總體積為10319cm3。鑄件在2500T臥室冷室壓鑄機上使用,根據投影面計算的脹型力為1920T,在安全區內。料筒長度為960 mm,為使料在前期料筒內填充不出現紊流卷氣,料筒填充率最好控制在在40%至50%區間內,此處選上限。 故經計算取整得到料筒直徑為160 mm。
因為缸體鑄件輪廓大,結構復雜,常規的排氣在澆注時很很容易卷氣。而且此缸體鑄件的特殊性,在溢流排氣方面采用真空抽氣方式。真空壓鑄能顯著的減少氣孔,使組織更加致密,提高鑄件的力學性能。另外減小充型反壓力,成型性能好,使表面質量得到改善。如圖(2)所示,鑄件后半部分的溢流排氣集中到一起,最終匯到2塊排氣板上,再由定模側排氣板抽真空實現模具的抽氣方式。


圖2 真空抽氣方式


模具溫度是影響壓鑄件質量的一個重要因素。大多數形狀簡單,壓鑄工藝性好的鑄件對模具溫度控制要求不高,模具溫度在較大范圍內變化仍能制得合格的鑄件。對于復雜的鑄件,只有將模具溫度控制在狹窄的區間內,才能生產出合格的鑄件。模具溫度控制是通過模具的加熱冷卻系統來達到的。其主要目的是提高壓鑄件內部質量和表面質量,穩定壓鑄件的尺寸精度,提高壓鑄件的生產效率,降低模具熱交變應力,提高模具使用壽命。從前面論述的產品結構來看,缸筒厚大區域是熱節區域,凝固肯定會比其他區域滯后,故這里需要合理的設置冷卻系統。如圖(3)所示為缸筒處水冷卻結構。缸筒周壁內布置有螺紋型冷卻,冷卻壁厚控制在12mm左右。這樣的設計能有效的減低此處的溫度,使該區域的金屬液提前凝固。


圖3 缸筒鑲件水冷方式
4.有限元數值模擬分析
為了有效的驗證理論數據,筆者采用專業的數值模擬軟件Magma對鑄件的澆注過程和凝固過程進行模擬分析。以下是模擬得到的數據截圖。
圖(4)為鑄件在充型過程中分別達到30% ,50%,70%和90%的狀態示意圖




圖4 模流充型狀態
從模擬的數據可以得到,進料處的流速最快時達到63m/s左右,與理論設計值基本吻合。從沖型狀態可以看出,流態是中間快,兩側慢,未出現包氣區域。流道設計有利于鑄件的排氣。
圖(5)為鑄件在凝固過程中分別達到30%,70%,90%和99%的狀態示意圖。


圖5 模流凝固狀態
從以上的視圖可以看出4個缸筒和進料區域是后凝固區域,屬于熱節區域,符合原來的設計初衷。
5.實際澆鑄及調試
模具完成后,進行了第一次調試,未抽真空,缸筒處的水冷處于工作狀態。鑄件澆注后的狀態如圖(6)。可見鑄件完整,外觀可以。


圖6 首次調試鑄件
不過解剖之后,在缸筒處內部出現分布區域廣,粗大的氣縮孔,詳見圖(7)。


圖7 首次調試鑄件內部缺陷
經過分析,原因為氣未排干凈,4個缸筒處的水冷效果未達到效果。原因在于在首次調試階段,沒有用真空抽氣裝置,內部的氣體殘留比較多。而且使用的冷卻水壓偏低,為4bar。
筆者有針對性的對前面的調試結果進行了改善,將排氣板上的排氣總面積從1.32cm2增大到3.08cm2,并使用抽真空裝置。將冷卻水壓控制在8bar。然后進行了第2次調試,進行的X光透射如圖(8)。 可以看出,缸筒處的氣縮孔得到了很大的改善,符合鑄件質量要求。


圖8 第2次調試鑄件缸筒處X光透射
4.結論
綜合以上,隨著汽車工業的發展,無缸套鋁缸體研發應用具有極為重要的意義,它的發展應用會越來越廣。所以材質的研究,制備,產品成型工藝的研究也變的尤有意義。產品鑄件在實現大批量生產前,由于產品結構的特點,需要不斷的對模具工藝和結構進行完善。從筆者開發的首款國內無缸套鋁缸體經驗來看,以下幾點需要著重關注。
1.首要需要解決缸筒處的氣縮孔問題。真空壓鑄和有效的冷卻系統對鑄件缸筒的內部質量有很大的幫助。
2.由于缸筒處過大的包緊力,往往會對缸筒鑲件造成過大的抽拔阻力,常規的鑲件容易損壞,對未來的量產帶來影響。 需要設計合理有效的缸筒鑲件結構,并對其進行表面處理,降低表面的摩擦系數,以使模具脫摸減少對模具的損傷。


作者:姚杰 男 1970年出生 碩士學歷

現任寧波合力模具科技股份有限公司付總經理
中國模具協會技術委員會成員
?E-mail:[email protected]



 
關鍵詞: 鋁合金,模具

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