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压铸模具异形型芯的镶拼结构设计

程瑞 发表于2023/9/20 9:27:03 压铸模异形型芯模具镶拼结构

原标题:曲轴箱体压铸模异形型芯的镶拼结构设计

摘 要:介绍了一款汽车发动机曲轴箱体的结构特点及技术要求,基于其结构特点和质量要求,在压铸模结构设计时,针对局部区域型腔较深、结构复杂的异形部位,采用镶拼式结构设计。同时对异形型芯镶拼结构进行了失效模式分析,通过对模具局部冷却能力、推杆尺寸及失稳性、螺栓强度等进行设计计算和校核,以保证模具镶拼结构设计的可靠性。

前 言:压铸模是压铸生产的重要的工艺装备,其质量直接影响压铸件的形状、尺寸、精度,尤其是模具的结构设计,还能够影响模具成本以及生产效率。

压铸模成形零件的设计是压铸模设计的核心部分,其结构主要是依据铸件的形状、结构特点及加工工艺来决定的,对于简单形状的铸件,可以采用整体式结构的型腔,模具结构简单,强度、刚性高,压铸件表面光滑,没有镶拼痕迹。但目前压铸件已向多功能化、集成化、大尺寸方向发展,因此压铸模型腔根据铸件结构常常采用镶拼式结构。在进行镶拼式结构设计时,除了要满足铸件的质量要求,更要保证模具的镶拼结构具有良好的强度、刚性、韧性及表面质量。本文以汽车发动机曲轴箱体为例,介绍异形型芯的镶拼结构的设计方法,通过合理的设计镶拼结构,保证铸件质量,延长模具寿命。

1、曲轴箱体的结构特点及技术要求

图1是某款汽车发动机曲轴箱体,材料为ADC12,铸件外形轮廓尺寸442 mm×358 mm×173 mm,质量约为4.5 kg。此产品结构复杂,箱体外部三个方向有侧向凹陷和侧孔,法兰面有多处螺栓安装凸台,箱体内部呈多层次不同深度的形状,中间有镂空部位。尤其是在图示A部区域,有两处三角形深腔,这两处深腔对模具的制造、维护及铸件的成形不利,铸件在三角形内部极易出现粘料、擦伤等质量问题,会严重导致泄漏及模具损坏。


(a)                                        (b)
图1 曲轴箱体3D图

曲轴箱体产品的密封测试要求,腔体压力为100 kPa,泄露量小于20 m³ /min,这就要求铸件腔体具有良好的外观质量和内部质量。

2、压铸模异形型芯的镶拼结构

基于上述对曲轴箱体的结构分析及技术要求,在压铸模镶块结构设计时,重点关注图示A部区域两处异形深腔处的结构设计。针对曲轴箱体此处型腔较深、结构复杂,压铸时热量集中且易于损坏的特点,采用镶拼式结构设计,结构形式如图2所示。


(a)动模型腔镶块装配图 (b)异形镶件3D图
件1:动模镶块;件2:异形型芯;件3:推杆
图2 异形型芯的镶拼结构

异形型芯成形处起于模具主分型面,最大外轮廓约45 mm×45 mm,高度154 mm,脱模斜度2.5°。由于外轮廓为不规则形状,同时侧面有两处需设计推杆孔,推杆孔占型芯边缘小半圆,为保证装配精度及推杆孔的精度,此镶拼的异形型芯需要采用线切割加工,连接方式采用螺栓固定。由于型芯压铸时被周边金属包裹,热量很大,心部需要设计冷却水道对型芯进行冷却。镶拼的异形型芯结构图如图3所示。

图3 异形型芯

曲轴箱体采用镶拼结构型芯的优点如下。
(1)制造工艺性好。由于异形深腔,刀具无法进入,只有通过电火花加工,而且抛光困难,采用镶拼结构,可以解决加工工艺性问题,方便加工,提高模具表面质量。
(2)有利于设计独立冷却水。针对模具局部温度高的位置,采用喷管结构的单点独立冷却水,可以独立控制冷却水的流量和压力,以满足冷却要求。
(3)有利于易损件的维护、维修和更换。
(4)利用镶拼间隙有利于铸件排气。

3、设计计算

确定局部采用镶拼结构后,需要针对异形型芯的结构特点,并结合生产经验,对镶拼处结构进行失效模式分析,以便在模具设计中采取措施,消除隐患。曲轴箱体采用镶拼结构型芯,由于异形型芯体积小,结构复杂,为满足铸件的质量要求必须设置冷却水道,为实现其模具使用功能,设计螺栓连接及推杆推出,因此可能存在的主要失效模式:①由于设计空间限制,冷却水道的能力不足造成型芯温度过高,铸件产生粘模、擦伤等表面质量;②局部抱紧力过大,铸件粘模、推杆断裂;③连接螺栓疲劳失效断裂等。

基于以上对模具失效分析,必须对型芯的冷却能力、推杆尺寸、螺栓强度进行相关计算和校核,避免使用中出现各种失效,同时结合分析试生产中存在的问题,进行设计优化,为该铸件的大批量生产提供工艺参考。

3.1 冷却水道的设计计算

压铸模具中,冷却系统的设计有利于控制模具的温度,使其内部的热量达到一个动态平衡的状态,从而保证产品的质量。压铸生产过程中型芯长时间被高温金属液包裹,温度上升,由于铝和铁在高温下的亲和性,形成一对扩散偶,极易发生粘模,从而影响铸件质量和模具寿命,因此型芯的冷却水设计是型芯结构设计的关键要素之一。根据异形型芯结构形状,将冷却水道设计在异形型芯中心位置,成台阶孔,前端直径7 mm,距离成形表面最小距离8 mm,保证成形部位的快速冷却,后端直径10 mm,加大冷却能力。

(1)压铸过程中传入型芯的热量

压铸过程中传入模具的热量可以用公式(1)进行估算:
                   Q入 =mqn/3600            (1)

式中:Q入 为传入模具型芯的热量(kW),m为包裹异形型芯的压铸金属质量(kg),q为压铸金属从浇注到推出散发出的热量(kJ/kg),见表1,n为每小时压铸的件数。针对曲轴箱体异形型芯局部区域,m为0.16kg,q取888 kJ/kg,n为30,代入式(1)得Q入=1.18kW。

表1 压铸合金从浇注到推出散发出的热量

(2)冷却水道带出热量
                    Q出 =Q′L             (2)

式中:Q出 为冷却水道带出热量(kW);Q′为单位长度冷却水道从模具中带走的热量(kW/cm),见表2;L为冷却水道长度(cm),如图3所示。将数值代入式(2)得Q出=0.052×8+0,041×9=1.31(kW)。

表2 单位长度冷却水道从模具中吸收的热量

经计算,异形型芯局部区域冷却水道带出热量Q出 大于传入模具型芯的热量Q入,冷却能力满足要求。试生产过程中使用800 kPa压力的纯净水对型芯进行冷却,通过调整型芯冷却水回水管路流量阀的阀开度控制冷却水流量,最终确定此异形型芯的水流量在0.8~0.9 L/min时,型芯在模具开模时温度控制在160~220 ℃,满足工艺要求。

3.2 推杆的设计计算及优化

压铸模设计时通常对铸件整体进行推出力的估算,从而确定选用的推杆直径和数量。对于大型压铸模具而言,为减少模具在使用过程中易损件的故障,提升设备综合效率,在模具空间允许的情况下,尽量选用大直径的推杆。而此产品结构特殊,在异形型芯处存在局部包紧力大而且推杆设计空间受限,因此需要对异形型芯局部推出力进行计算,确定异形型芯周边的推杆直径及数量是否满足要求。

(1)局部推出力的计算
压铸件推出时的受力状况见图4,推出力的计算公式:
Ft =F阻cosα-Fbsinα=AP(μcosα-sinα)(3)

图4 压铸件推出时的受力状况图

式中:Ft 为压铸件脱模时所需的推出力(N);Fb 为压铸件对模具零件的包紧力(N);K为安全系数,一般取1.2;P为挤压应力,垂直于型芯表面,对于铝合金一般P=10~12 MPa,A为压铸件包紧型芯的侧向面积,曲轴箱体异形型芯的侧向面积为18 788 m㎡ ;μ为压铸合金对型腔的摩擦系数,取0.2~0.25;α为脱模斜度,异形镶件的脱模斜度2.5°。将上述数据代入式(3),得异形型芯的局部推出力Ft=3878 N。

(2)推杆直径的计算
推杆推出机构进行推出的时候,推杆顶端面承受推出力。推杆的截面积的计算公式:
             A≥KFt/(nб)   (4)

式中:A为推杆的截面积(m㎡),K为安全系数,取值1.25;Ft 为推出力(N),n为推杆数量,б为压铸合金许用应力(MPa)。曲轴箱体异形型芯根据其形状可设置的推杆位置有两处,并且需要与动模型腔合加工出推杆孔,因此n=2;压铸合金为铝硅合金,其许用应力б=50 MPa。将以上数值代入式(4),得推杆直径d=7.86 mm,将数据圆整后设计两处直径为8 mm的推杆。

(3)推杆的失稳校核

对于细长推杆,为保证推杆在运行过程中的稳定性,需要对单个推杆进行失稳校核,如果稳定性达不到要求,则需要增加推杆数量或加大推杆直径。推杆的稳定性校核公式如下:

式中:KW为稳定安全倍数,钢取1.5~3;η为稳定系数,η=20.19;Ft 为单个推出力(N);E为弹性模量(N/c㎡),钢的弹性模量E=2×107 N/c㎡ ;J为推杆抗弯截面积(c㎡ ),Φ8 mm的推杆抗弯截面积J=πd2 /64=0.049 c㎡;L为推杆全长(cm),曲轴箱体异形型芯处推杆长度L=52.8 cm。将以上数值代入式(5),得KW =3.66,大于钢的稳定安全倍数,满足推杆运行的稳定性要求。

按此设计方案制造模具,在小批量试生产中出现异形型芯两侧推杆发卡、推出受阻现象,拆卸后发现推杆变形。进一步分析,异形型芯一侧受内浇道的冲刷和冲击,对型芯和周边推杆造成不良影响。推出力除了受铸件结构和形状影响外,还受型芯的表面粗糙度、温度以及压铸工艺参数、推杆孔的精度等因素影响,在多种不良因素的影响下,需增大其安全系数。卸模后拆解模具,将异形型芯与动模型腔装配加工异形型芯两侧推杆孔,在零件结构允许的最大范围内由Φ8 mm加大至Φ9 mm。由于采用合加工的工艺,推杆直径加大的同时提高了推杆孔的精度,再生产验证推杆运行平稳可靠。

3.3 螺栓强度的校核

由于异形型芯体积小、局部包紧力大、结构复杂,异形型芯的固定采用螺栓连接固定方式,在型芯底部三个角方向最大可以设计出三个M8螺栓与动模套板连接。在铸件推出过程中,螺栓受轴向力的作用,其强度校核公式:

式中:б为螺栓实际承受的应力(MPa),F为单个螺栓承受的轴向力(N),d为螺栓小径(mm),[б]螺栓许用应力(MPa)。按三个螺栓均匀受力计算,F=1.3Ft/3=1 680 N,M8螺栓小径Φ6.5 mm代入式(6)得б=50.65 MPa。模具采用高强度螺栓,许用应力大于80 MPa,螺栓强度校核满足要求,可以避免铸件推出过程中因螺栓失效而导致的铸件变形或模具故障。

4、批量生产验证

曲轴箱体压铸模在局部深腔处采用异形型芯镶拼结构,简化了模具制造难度,工艺简单加工方便,型芯抛光后表面粗糙度小于Ra =0.4 μm,尺寸精度及外观质量均满足要求。模具经过大批量生产验证,异形型芯冷却效果良好,模具温度稳定在工艺要求160~220 ℃,如图5a所示。铸件在局部深腔处没有因模具温度过高而产生的粘料、擦伤等外观缺陷,如图5b所示。异形型芯的使用寿命达到8万模次以上,降低模具维修难度和制造成本,保证了铸件质量。按此模具结构已复制多套模具进行批量生产,铸件品质优良,模具运行稳定、可靠。


(a)模具温度               (b)铸件外观
图5 批量生产状态

5、结论
(1)局部深腔、结构复杂的压铸件,模具设计时采用镶拼式结构设计,能够优化加工工艺,提高模具质量。
(2)为保证设计的可靠性,需要对镶拼结构的型芯进行相关的可靠性计算,例如局部冷却能力、推杆尺寸及失稳性、螺栓强度等。
(3)对局部异形长型芯,计算局部推出力时需考虑其使用条件适当增大安全系数,安全系数≥1.5。
(4)曲轴箱体异形型芯采用镶拼结构,通过批量生产的验证,产品质量稳定,模具运行可靠。异形型芯的使用寿命达到8万模次以上,减小了模具维修难度,降低了制造成本,保证了铸件质量。

作者
程瑞 侯丽彬
大连科技学院
本文来自:《铸造》杂志

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