DA5 缸蓋一模兩件模具研制

耿笑冰，武雪亮

（哈爾濱東安汽車動力股份有限公司，黑龍江哈爾濱 150066）

低壓鑄造是液態(tài)金屬在干燥的空氣壓力作用下，沿著升液管由下而上地充填型腔，以形成鑄件的一種方法。低壓鑄造優(yōu)點多：液體金屬充型比較平穩(wěn)，速度易控制；鑄件成形性好。鑄件組織致密，綜合力學(xué)性能高；工藝出品率高。為進(jìn)一步有效地提高生產(chǎn)效率，適應(yīng)市場需要，我們將DA5缸蓋的模具由“一模一件”變?yōu)椤耙荒杉薄?/p>

1 鑄件結(jié)構(gòu)工藝性分析

1.1 主要技術(shù)要求

該缸蓋屬于復(fù)雜重要零件，承受一定的靜載荷和不確定的動載荷，所采用的材料為高強(qiáng)度鋁合金（AC4B合金），缸蓋機(jī)械性能按GB／T1173《鑄造鋁合金》執(zhí)行，符合表1的規(guī)定。在下列壓力作用下，進(jìn)行15s氣壓試驗，不得有滲漏現(xiàn)象（冷卻水套：0.1MPa外壁：0.05MPa），燃燒室等重要部位不允許存在鑄造缺陷。鑄件一般尺寸按GB/T 6414-1999CT7，外表面公差按GB/T6414-1999 CT6.

表1 AC4B 合金性能要求

1.2 模具布局

工藝方式：采用低壓鑄造、人工下芯、五開模、上模頂出鑄件。該缸蓋鑄件外形尺寸為337mm×241mm×116mm，最小壁厚為2.5mm.

本模具采用一模兩件設(shè)計，為平衡每腔模具澆注過程中溫度場，每模設(shè)計4個澆口。

兩件模具之間部分，設(shè)計外壁芯。原則上，中間位置型面結(jié)構(gòu)可以選用由“進(jìn)氣與進(jìn)氣側(cè)型面”、“排氣與進(jìn)氣側(cè)型面”、“排氣與排氣側(cè)型面”作為中間芯型面均可以達(dá)到使用目的，但從結(jié)構(gòu)方面考慮排氣側(cè)型面結(jié)構(gòu)較為簡單，有利于外壁芯芯盒制作及生產(chǎn)。因此選用排氣側(cè)型面制作外壁芯型面。該種形式模具需要顛倒擺放，使模具布局更緊湊，節(jié)省空間。如圖1所示，為該模具底型及模架俯視圖。

圖1 DA5 模具結(jié)構(gòu)俯視圖

1.3 外壁芯設(shè)計

外壁芯基本尺寸152mm×380mm×144mm，砂芯體積大，在射芯生產(chǎn)中，砂芯固化時間長，澆注下芯時，下芯難度大。

1.3.1 外壁芯減重

根據(jù)砂芯需要制作的體積，估算出射芯后，外壁芯質(zhì)量約10kg，為降低覆膜砂的使用量及下芯強(qiáng)度，采用設(shè)計有3道抽芯棒抽芯結(jié)構(gòu)減低砂芯重量，既保證了砂芯具有的強(qiáng)度，又減輕整體重量。此外，射口采用長方形結(jié)構(gòu)，射芯機(jī)射砂后翻轉(zhuǎn)，將砂芯制作成殼芯結(jié)構(gòu)，減輕砂芯重量。在抽芯棒中，增設(shè)加熱棒，加熱棒尺寸14mm×150mm，使射芯時，溫度整體均勻，固化良好。如圖2所示，為外壁芯抽芯狀態(tài)。

圖2 外壁芯抽芯狀態(tài)

1.3.2 外壁芯定位

外壁芯在需要保證自身定位位置準(zhǔn)確的同時，油池芯依靠外壁芯的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位。為滿足油池芯尺寸誤差在允許的范圍內(nèi)，首先確保，外壁芯避免砂芯與砂芯定位形式。其次，操作者在下芯過程中無錯誤。

1）高度方向定位采用外壁芯底面直接與模具底型平面進(jìn)行接觸的形式進(jìn)行定位，保證高度方向定位準(zhǔn)確。如圖3圓圈區(qū)域所示。

2）角向定位與長度定位：側(cè)端面將芯頭設(shè)計成“U”型槽式結(jié)構(gòu)，與底型配合進(jìn)行定位。如圖3方框區(qū)域所示（箭頭所指為定位接觸面）。

圖3 外壁芯定位位置

3）將側(cè)定位兩端制作成有明顯尺寸大小差異的形式，做為砂芯防錯結(jié)構(gòu)，使操作者下芯極易區(qū)分，又不下錯。

2 工藝方案設(shè)計

2.1 升液管的選擇

國內(nèi)同行業(yè)低壓鑄造生產(chǎn)氣缸蓋均使用內(nèi)徑為100mm的升液管，升液管截面積為：

式中：So——升液管截面積，mm2；

d——對應(yīng)內(nèi)徑，mm.

滿足“一模一件”低壓生產(chǎn)，將其改為“一模兩件”后，在維持澆注速度不變的情況下，其升液流量增加一倍即可滿足生產(chǎn)要求。

我們現(xiàn)有“一模一件”DA5缸蓋（1.0L）澆注所選用的升液管內(nèi)徑為150mm的升液管，升液面積為SA=π×D2/43=π/4×1502.

SA/So=1502/1002=2.25，即我們選用內(nèi)徑d=150mm的升液管，其升液流量是原來的2.25倍，可以滿足使用要求。

2.2 升液箱的確定

該模具使用過程中，鑄件尺寸大，澆口數(shù)量多。較正常使用的升液箱體積增加一倍，為防止?jié)沧⑦^程中出現(xiàn)“凍住”現(xiàn)象，對升液箱進(jìn)行了改造如圖4所示。

1）由于我們選用的升液流量是原來的2.25倍，在保持原有升液箱高度不變的情況下，鋁液在澆注后回流緩慢，出現(xiàn)“堵鋁”、“堵渣”現(xiàn)象。為解決該現(xiàn)象我們將升液箱進(jìn)行加高150mm，使升液箱鋁液回流的側(cè)壁傾斜角大于30°，保證缸蓋在泄壓后，鋁液可以正常回流入升液管，減少升液箱側(cè)壁鋁液的堆積，造成升液截面積的減小或堵塞。

圖4 升液箱

2）升液箱蓋板增加加熱棒，對升液箱進(jìn)行加熱，蓋板與模架之間預(yù)留20mm空間，保證加熱棒線路的連接。

3）升液箱采用鑄鐵材料，減小箱體面的變形引起密封不嚴(yán)的可能性，增加箱體在高溫條件下的耐用度。其內(nèi)部預(yù)留5mm厚度空間，使用耐火泥進(jìn)行打結(jié)，增加升液箱的保溫性。

4）升液箱與底型之間隔熱：為防止影響模具熱平衡，破壞模具溫度梯度，從而破壞鑄件的凝固順序。采用耐熱隔熱材料制作隔熱板，安裝放置在升液箱與底型之間，減少箱體內(nèi)鋁液在澆注過程中熱量向底型的傳導(dǎo)。

2.3 排氣系統(tǒng)的分布

該模具在澆注過程中，共計使用砂芯四種7件，其中有2件油池芯與外壁芯發(fā)氣量最大。必須從結(jié)構(gòu)角度充分的考慮到模具的排氣問題的處理。設(shè)置形式主要以在模具與砂芯芯頭位置開設(shè)排氣塞（使用排氣塞而不用通孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行排氣，主要為防止出現(xiàn)砂芯碎芯時“跑火”）。主要排氣方式如圖5-圖10所示。

圖5 芯頭位置設(shè)置排氣塞

圖6 模具模瓣型腔平面設(shè)置排氣塞

圖7 上型與油池芯接觸位置

圖8 外壁芯與上型接觸位置及兩側(cè)定位

圖9 氣道芯芯頭側(cè)面位置

圖10 增加頂桿，利用頂桿間隙排氣

2.4 冷卻系統(tǒng)的選擇

低壓鑄造的基本原理是：一定溫度的金屬液在氣體壓力作用下，沿升液管自下而上通過澆道緩慢進(jìn)入并充滿型腔和冒口，然后增壓保壓直至鑄件由上至下按照一定的溫度階梯順序完全凝固，最后解除壓力，使升液管和澆道中尚未凝固的金屬液由于自重流回保溫爐或坩堝中。

該模具每件模具均采用四澆口的澆注形式，鋁液充型后，溫度場較為均勻。需要設(shè)立由上至下有一定的溫度階梯場使鑄件凝固。冷卻設(shè)置如表2.

表2 冷卻設(shè)置

2.5 澆注工藝參數(shù)的選擇

澆注工藝參數(shù)見表3.

表3 澆注工藝參數(shù)設(shè)定

3 模具壽命

3.1 模具材料的選用

低壓鑄造模采用SKD61模具鋼或性能優(yōu)于該牌號的材料，型腔、成型部分進(jìn)行整體熱處理。如表4所示。

表4 模具材料

3.2 模具結(jié)構(gòu)對其壽命的影響

該模具底型中間位置集中四個澆口，且臨近燃燒室鑲件，在高溫鋁液反復(fù)沖擊下，底型經(jīng)常出現(xiàn)變形，薄壁位置開裂，嚴(yán)重縮短模具使用壽命。為此將與澆口相鄰的燃燒室區(qū)域結(jié)構(gòu)改為梯形結(jié)構(gòu)，使模具薄壁位置尺寸滿足5mm以上，以此延長模具使用壽命。

4 結(jié) 論

1）通過工藝及模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)，完成“一模兩件”的模具制造生產(chǎn)。

2）投入生產(chǎn)后，缸蓋生產(chǎn)效率可提高60%到70%.

3）實現(xiàn)投產(chǎn)后，可減少澆注操作者人數(shù)及投產(chǎn)使用的設(shè)備數(shù)。

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