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  • 无缸套铝缸体压铸工艺的研究

  • 发布时间:2018/9/27 20:07:41 来源:互联网文字【 收藏浏览人数:469
  • 内容摘要:铝是一种轻金属,密度小(2.79/cm3),具有良好的强度和塑性,铝合金具有较好的强度,超硬铝合金的强度可达600Mpa,普通硬铝合金的抗拉强度也达200-450Mpa,目前已经得到抗拉强度大于700Mpa的铝合金,其比强度可与优质的合金钢相媲美,比钢度甚至远高于钢。

        铝是一种轻金属,密度小(2.79/cm3),具有良好的强度和塑性,铝合金具有较好的强度,超硬铝合金的强度可达600Mpa,普通硬铝合金的抗拉强度也达200-450Mpa,目前已经得到抗拉强度大于700Mpa的铝合金,其比强度可与优质的合金钢相媲美,比钢度甚至远高于钢。铝具有良好的导热性,可用作各种散热材料。铝还具有良好的抗腐蚀性能和较好的塑性,适合于各种压力加工。因此铝合金广泛的应用于机械,汽车各个领域。

        汽车引擎已经从全铁材质发展到了全铝材质,其目的是为了减轻车重,而减轻车重意味着可以省油耗。一般使用铝缸体发动机,能减轻20公斤左右的重量。而汽车的自身重量每减少10%,燃油的消耗可降低6%~8%。现在汽油机的缸盖基本上都是铝合金材质,缸体材质也已大量的替换成铝合金材质。

       但是我们所说的铝缸体并不完全是全铝的,几乎都要使用铸铁缸衬或者钢制的气缸内衬。那是因为现在的引擎,为了降低往复运动的部件的惯性,提高转速和响应速度,活塞大多使用高硅铝合金作为材料。如果气缸壁也是铝的。铝和铝之间的摩擦系数是比较大的,这样引擎的性能就受很大影响了。而铸铁或者钢制的气缸内衬就没有这样的问题。

       但是不可否认的是,现在一些高端引擎已经做到了真正的全铝材质,如Audi 3.1L FSI V6的全铝缸体,就是没有使用铸铁或者钢制缸衬,而是通过气缸内壁部分使用了高硅铝合金来克服降低摩擦系数。其处理工艺非常贵,不过散热性能却得到了很大的提升。

       为了真正实现经济可行的无钢套铝合金缸体,国内一部分公司已经率先进行高硅稀土铝合金研制来制造缸体,而且不需要钢套。这种新材料汽车发动机缸体与传统缸体相比,具有降低摩擦功、节油,优化引擎散热,减少废气排放,减轻重量,提高缸体强度,成本降低等优势。

       目前某公司的这类缸体已经成功下线,而模具正是笔者公司开发的。笔者主要从缸体成型角度来分析,此类缸体在成型工艺制定时候的难点及要点。

    铸件结构分析

       该铝合金压铸件的实体模型如图1所示,外形尺寸445mm  x 378mm x  226mm,最大壁出现在缸筒壁,厚达13.4mm,其余平均壁厚为4mm.,铸件材料为高硅稀土铝合金,是一种硅含量在19-21%wt的过共晶AL-Si系列压铸合金。其Si晶粒的尺寸控制在50微米以下,该种合金具有很好的流动性、气密性、抗热裂性及高耐磨性和低膨胀系数,适于制作汽车发动机缸套、刹车块、泵等零部件材料。

    产品质量19.2kg。铸件整体形状复杂,结构多变,壁厚不均匀,特别是缸套处由于不采用预镶缸套,导致壁厚厚大。


        

    图1  1.8T 发动机缸体

    浇注系统的设计

       浇注系统的设计包括浇流道的设计,溢流排气系统的设计,冷却加热系统的设计,

        首先确定进料方式。从产品的结构来分析,单侧进料方式比较适合。这样的设计有利于铸件在浇注过程中的排气,避免气体窝在缸筒内,而导致最后在里面出现大的气缩孔。

       其次根据压铸工艺及参数做一些必要的计算,来确定浇道各部分的尺寸。先根据流量法及一些经验数值来确定内浇口的截面积。


       式中:A内为内浇口截面积mm2;G为通过内浇口的金属液质量,包括溢流渣包的质量g ;ρ 为液体金属的密度g/cm3 ;V为内浇口处金属液的流速m/s ;t 为型腔的充型时间S。

       铸件密度取2.7g/cm3;溢流渣包的质量取压铸件质量的30% ,得G=25000 g;对于该缸体,取V=60m/s ,t=0.08s ,计算得到A内=2200mm2

       铸件体积为7117cm3,取浇口渣包为铸件的45% ,则总体积为10319cm3。铸件在2500T卧室冷室压铸机上使用,根据投影面计算的胀型力为1920T,在安全区内。料筒长度为960 mm,为使料在前期料筒内填充不出现紊流卷气,料筒填充率最好控制在在40%至50%区间内,此处选上限。 故经计算取整得到料筒直径为160 mm。

        因为缸体铸件轮廓大,结构复杂,常规的排气在浇注时很很容易卷气。而且此缸体铸件的特殊性,在溢流排气方面采用真空抽气方式。真空压铸能显著的减少气孔,使组织更加致密,提高铸件的力学性能。另外减小充型反压力,成型性能好,使表面质量得到改善。如图(2)所示,铸件后半部分的溢流排气集中到一起,最终汇到2块排气板上,再由定模侧排气板抽真空实现模具的抽气方式。


    图2  真空抽气方式

        模具温度是影响压铸件质量的一个重要因素。大多数形状简单,压铸工艺性好的铸件对模具温度控制要求不高,模具温度在较大范围内变化仍能制得合格的铸件。对于复杂的铸件,只有将模具温度控制在狭窄的区间内,才能生产出合格的铸件。模具温度控制是通过模具的加热冷却系统来达到的。其主要目的是提高压铸件内部质量和表面质量,稳定压铸件的尺寸精度,提高压铸件的生产效率,降低模具热交变应力,提高模具使用寿命。从前面论述的产品结构来看,缸筒厚大区域是热节区域,凝固肯定会比其他区域滞后,故这里需要合理的设置冷却系统。如图(3)所示为缸筒处水冷却结构。缸筒周壁内布置有螺纹型冷却,冷却壁厚控制在12mm左右。这样的设计能有效的减低此处的温度,使该区域的金属液提前凝固。


    图3  缸筒镶件水冷方式

    有限元数值模拟分析

       为了有效的验证理论数据,笔者采用专业的数值模拟软件Magma对铸件的浇注过程和凝固过程进行模拟分析。以下是模拟得到的数据截图。

    图(4)为铸件在充型过程中分别达到30% ,50%,70%和90%的状态示意图

     


    图4  模流充型状态

       从模拟的数据可以得到,进料处的流速最快时达到63m/s左右,与理论设计值基本吻合。从冲型状态可以看出,流态是中间快,两侧慢,未出现包气区域。流道设计有利于铸件的排气。

    图(5)为铸件在凝固过程中分别达到30%,70%,90%和99%的状态示意图。


    图5  模流凝固状态

       从以上的视图可以看出4个缸筒和进料区域是后凝固区域,属于热节区域,符合原来的设计初衷。

    实际浇铸及调试

       模具完成后,进行了第一次调试,未抽真空,缸筒处的水冷处于工作状态。铸件浇注后的状态如图(6)。可见铸件完整,外观可以。


    图6  首次调试铸件

     不过解剖之后,在缸筒处内部出现分布区域广,粗大的气缩孔,详见图(7)。


    图7  首次调试铸件内部缺陷

        经过分析,原因为气未排干净,4个缸筒处的水冷效果未达到效果。原因在于在首次调试阶段,没有用真空抽气装置,内部的气体残留比较多。而且使用的冷却水压偏低,为4bar。

        笔者有针对性的对前面的调试结果进行了改善,将排气板上的排气总面积从1.32cm2增大到3.08cm2,并使用抽真空装置。将冷却水压控制在8bar。然后进行了第2次调试,进行的X光透射如图(8)。 可以看出,缸筒处的气缩孔得到了很大的改善,符合铸件质量要求。


    图8  第2次调试铸件缸筒处X光透射

    结论

        综合以上,随着汽车工业的发展,无缸套铝缸体研发应用具有极为重要的意义,它的发展应用会越来越广。所以材质的研究,制备,产品成型工艺的研究也变的尤有意义。产品铸件在实现大批量生产前,由于产品结构的特点,需要不断的对模具工艺和结构进行完善。从笔者开发的首款国内无缸套铝缸体经验来看,以下几点需要着重关注。

    1.首要需要解决缸筒处的气缩孔问题。真空压铸和有效的冷却系统对铸件缸筒的内部质量有很大的帮助。

    2.由于缸筒处过大的包紧力,往往会对缸筒镶件造成过大的抽拔阻力,常规的镶件容易损坏,对未来的量产带来影响。 需要设计合理有效的缸筒镶件结构,并对其进行表面处理,降低表面的摩擦系数,以使模具脱摸减少对模具的损伤。

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