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