原标题：模具设计！铝合金凸轮轴盖压铸模浇注系统设计

凸轮轴盖作为凸轮轴的安装载体，其与气缸盖连接紧固，用来密封气缸盖、气门室和凸轮轴，是发动机总成的关键零部件。与其他汽车零件相比，凸轮轴盖易变形，表面品质和尺寸精度要求高。压铸件在很多工业领域广泛应用，尤其汽车制造领域。如果压铸模浇注系统设计不合理，高速压铸过程中容易卷气，凝固后将形成气孔、缩孔和缩松等缺陷，对压铸件特别是大中型精密复杂的零件的力学性能产生不利影响。

计算机模拟已在压铸领域得到广泛应用，通过充型、凝固等过程仿真可有效预测铸造缺陷，优化模具设计。为优化工艺设计，提高压铸件品质、缩短生产周期。基于ProCAST软件，对某汽车铝合金凸轮轴盖零件的压铸模浇注系统进行优化设计，旨在为其应用提供参考。

图文结果

铝合金凸轮轴盖零件为矩形框架结构，其三维模型见图1。轮廓尺寸为361mm×160mm×44mm，体积约为4.34×105mm3，最大壁厚为8mm(见图1a中圈选位置)，最小壁厚为4mm。据铸件结构特征和浇注系统设计理论，设计了3种浇注系统方案,见图2。方案1有6个内浇口，分布在铸件长边上5处带U形凹槽的横梁位置及端部。为了防止铸件短边上靠近浇口的半圆台处产生卷气和缩孔，方案2添加了溢流槽，见图2b。而考虑到铸件端部两横浇道在液流交汇处容易产生卷气，方案3将左侧两个内浇口合并为一个，且保留了方案2中所添加的溢流槽，见图2c。

图1 凸轮轴盖铸件三维图

表1 压铸模主要设计参数

图2 凸轮轴盖铸件浇注系统设计方案

表2 计算条件

3种浇注系统设计方案的充型过程仿真结果见图3。图3a为方案1的充填过程，可以看出，金属液沿着直浇道进入型腔，整体上满足顺序填充，但由于凸轮轴盖的框架结构，使得金属液多次分流和汇合，增大卷气倾向。充型率为50%时，金属液在圆圈标记位置形成汇合，被压缩气体无法通过铸件横梁形成的型腔排出，容易在此处造成卷气和熔接痕。方案2的充填过程见图3b。与方案1相比，金属液流态相似，在填充率为50%时，金属液在圆圈标记位置也形成了液流汇合，但汇合流处于型腔通道，产生气孔和熔接痕的可能性较低。同时由于方案2在铸件圆台一侧开设了溢流槽，可减小卷气和缩孔缺陷。方案3与前两种方案相比，圆圈标记区域的液流汇合位置靠近溢流槽一侧，也处于型腔通道位置，见图3c。方案3避免了两股金属液在铸件内部交汇和相互冲击，从而减少了涡流、裹气以及氧化夹渣发生的可能，其浇注充型过程更合理。从充型率70%和95%时的充型状态来看，3种浇注系统设计方案充型情况均相似，型腔充满后，冷、污金属液和多余的金属液及型腔中的空气可顺利进入溢流槽排出。

(a)方案1充型过程

(b)方案2充型过程

(c)方案3充型过程

图3 铸件在3种浇注方案下的充型过程

(a)方案1

(b)方案2

(c)方案3

图4 3种浇注系统方案的凝固过程

图5 不同浇注方案下铸件缩孔预测

(a)充型过程

(b)凝固过程

图6 改进方案的充型过程和凝固过程

通过对充型凝固过程及缩孔、缩松的分析比较，认为方案3的效果最好。但根据图3c充型50%时的充型仿真结果，金属液汇流处于型腔通道上，充填和排气条件较好；同时缩孔、缩松仿真结果显示，3种方案中铸件B处孔隙未发生明显改变。故考虑可去除图4f中B附近溢流槽，从而能降低该区域温度，加快凝固，提升压铸效率。改进方案的缩孔、缩松仿真结果和试模铸件见图7。图7a与方案3(见图5c)中的结果相比，铸件厚大区域的3处缩孔有1处被直接消除，另外两处缩孔体积减小，铸件缩孔体积为1.43×10-3cm3。模拟结果显示，优化方案满足铸件品质要求，故采用优化方案进行开模、试模,试模铸件经加工后见图7b。

图7 改进方案缩孔仿真结果与试模铸件

图8 铸件缺陷检测X光探伤

结论

(1)框型凸轮轴盖铸件减少横浇道数量可改善金属液的流动形态，减少因卷气而产生内部孔隙。

(2)浇注系统优化方案通过去除铸件半圆台附近溢流槽，降低了该区域的温度，可消除多处厚大部位凝固收缩形成的孔隙。铸件整体凝固时间缩短至46.7s，提高了生产效率。

(3)铸件切割和X光探伤仅发现在非关键位置存在2个孔洞，铸件品质符合使用要求。

本文作者：

周涛 龚海军 李欢 孙鹏飞 张继祥
重庆交通大学机电与车辆工程学院
彭军
重庆德运模具制造有限公司
本文来源：《特种铸造及有色合金》杂志